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基于MSP430的超低功耗温度监测站

刊名 《青岛大学学报(工程技术版)》
作者 范秋华 英文名 年,卷(期) 2017 年 , 第 4 期
主办单位 青岛大学 国内刊号 37-1268/TS 国际刊号 1006-9798
关键词 MSP430 TPS62740 TPS610980 TS5A3159 TMP112 入库时间 2018/1/12 15:59:42

基于MSP430的超低功耗温度监测站

随着现代社会不断的智能化,温度监测设备的需求也越来越多,例如冷库、电气设备、机房、档案室、深海测 试、极限实验设备等场所都需要温度监测设备。尤其随着互联网技术的应用及发展,远程温度测量系统的作用也 越来越重要。尤其在条件恶劣不适合频繁更换电池的场合,对设备的低功耗提出了更高的要求。传统的温度监测 装置大多使用模拟器件,不仅体积大、工作寿命短,关键是功耗高。现有对低功耗的研究更多的体现在软件策略 上,例如基于超低功耗单片机的智能饮水机系统是通过在保温阶段采用双位调节控制对饮水机内的水温进行智 能调控[1],而实时系统温度功耗管理是对模型进行优化M。因此,针对目前市场上温度监测设备的功耗问题,本 文设计了一种基于MSP430的超低功耗温度监测站,从硬件上实现低功耗,采用超级电容及低功耗电源芯片,根 据系统实时情况进行升压和降压,结合低功耗单片机的软件控制进行供电。本设计克服了传统温度监测装置的 缺点,在保证测量精度、时钟精度的前提下,实现了极低的静态功耗和平均功耗,最终使用一节普通的纽扣电池供 电就可以持续工作15?20 a。该设计满足一般工业和实验室的测量要求,不仅用于温度测量,也可用于其他无电 源测量系统,具有广阔的应用前景。

1总体方案设计

本系统由单片机最小系统、超级电容、升压电路、降压电路、温 度传感器等模块构成,测试仪器的作用是接收串行外设接口(sen- al peripheral interface,SPI)总线上的温度数据,并控制超级电容 的充放电过程。系统总体结构框图如图1所示。

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2硬件电路及理论分析

2.1系统功耗分析

系统以一个电压为4. 2 V左右的0.01 F的超级电容作为电源,超级电容的电量Q取决于电容量C、电压 [/、充电电流I和充电时间匕超级电容的电量为

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MSP430单片机有5种低功耗模式,其中在低功耗模式3下,可以用外部低速晶振进行定时,MSP430单 片机在2. 2 V工作于LPM3模式下,其电流仅为0. 5 '人超级电容漏电流在4. 2 V时达到0. 2 MA,经测试,超级电容漏电流随电压升高而变大。超级电容恒流充 电完成后充电电压瞬间虚高,一段时间内电压快速下降,导致电容实际存储电荷量减少,显著影响实际工作时间。

传感器TMP112用于采集环境温度,其关断时静态电流为0. 8 mA。传感器可以通过I/O 口供电,在不用时 直接关断I/O 口断开供电。

整个系统的功耗分为静态功耗和动态功耗,MSP430单片机在活跃状态下工作电流为220 MA,在低功耗 模式3下为0. 5 fxA,单片机每10 s从低功耗唤醒1次,工作时间在毫秒级,唤醒的占空比小于0. 1%,所以系统 整体功耗主要为静态功耗。

2.2系统供电方案

TPS62740和TPS610980两个芯片分别支持降压状态低电压直通与升压模式高电压直通,满足串联供电及 功耗低的要求,电容可用电压范围大,实测在0.6?4.2 V都能工作,整个电源供电电压能保持在设定值不变,总 体静态电流在1 fzA左右,输人电压范围宽,但由于升压与降压串联供电会产生两个芯片总和的静态电流,整体 功耗相对较大。因此,采用升压与降压并联供电分时使用[M°],能省去0.3?0.4 fxA静态电流,使整体功耗降低, 延长系统使用时间。并联供电分时使用能降低功耗,也达到利用更宽电压,但是需要借助二极管的单向导电性解 决电流倒灌的问题,而一般普通二极管反向漏电流都为MA级,无法满足低功耗设计需求,应选择正向压降小、反 向漏电流小的二极管。

2.3基本斩波电路

1)降压(Buck)电路。TPS62740[11_12]是一款集成功率开关金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide* semiconductor field-effect transistor, MOSFET)降压转换器,具有极低的静态电流(典型值为360 mA)和极高的 输出电流(典型值为400 mA),输人电压范围为2. 2-5. 5 V,仅需2. 2 电感和10 MF电容就可以稳定工作,用 户可使用4个VSEt引脚在1.8?3.3 V范围内选择输出电压(步长为100 mV),电路中VSEU和VSEt4接在拨码开 关上。降压(Buck)电路如图2所示,其中U2为TPS62740芯片,IN3为电压输人,OUT3为电压输出,为用于 储能的电感,C6为用于滤波的电容。

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当输人电压接近输出电压时(接近100%占空比),芯片将自动进人无纹波模式运行,以减少开关器件上的损 耗,此时的直流通路仅有o. 6 n的等效导通电阻,产生的损耗可以忽略。

2)升压(Boost)电路。TPS610980是一款集成开关MOSFET的升压转换器,芯片内集成了一个低压差线性稳压器(low dropout regulator, LDO)和一个Boost转换器,可以同时提供双轨电源出,Boost转换器w出 VMAIN用作主系统的电源,并且始终开启,LDO输出VSUB则为外设供电,并且可以选择性关闭(由MODE引脚进 行控制)

参考文献 (20 篇)

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