pic18温度监测系统设计

PAGEPAGE1基于PIC18的低功耗温度采集系统设计一、系统组成整个系统包括PIC18F452最小系统电路、多点温度采集测量电路（由MCU内部A/D模块实现）、电源模块（向器件提供电源）、外部数据存储电路和液晶显示和低压检测及报警电路（低压检测由MCU内部LVD模块实现）。电路如下图所示：系统电路图二.硬件结构设计2.1PIC18F452及其外围电路图一PIC18F452是Microchip生产的低功耗和高速率的高性能增强型能闪存单片机。此设计中外围电路包括复位电路、时钟电路、下载口电路，而时钟电路中外部晶体振荡器采用8MHz的晶体振荡器，为系统提供精确的实时时钟，如果要求的频率精度不需要高于正负5%，也可以使用所有纳瓦器件和nanowattXLP器件都具有的内部RC振荡器，与外部RC振荡器相比，内部RC振荡器的频率稳定度更高并且功耗也比外部振荡器低，这样就可以减少功耗。这些电路都采用3v的系统电源，也减少了功耗。2.2多点温度采集测量电路图二本设计中采用了片上8个ADC模块的8个A/D模拟信号输入通道，程序在运行的过程中经过内部的一个多路开关，可以选择任意一个通道进行A/D转换。此设计中采用模拟输入，如果采用数字输入，当输入电压接近VDD时，数字输入的引脚会达到最低，但输入电压接近VDD和VSS之间的中点时，则数字输入缓冲器内的晶体管会偏置到线性区，他们将会消耗相当大的电流。如果将该引脚配置为模拟输入，则数字缓冲器会被关闭，使引脚电流和控制器总电流下降，这样就降低了功耗。采用了8个电压跟随器，将热敏电阻上采集到的电压值通过电压跟随器传送到PIC18MCU，以电压跟随器的高输入阻抗低输出阻抗特性，来保证采集到的电压最大限度地输入到MCU中。通过MCU内部A/D转换模块将采集到的各点热敏电阻上的电压值，经过MCU，MCU便可根据电压—电阻—温度之间的关系计算出各点的温度。控制微处理器外部电路的功耗，是一个十分重要的环节，在设计电路中，需要确定哪些物理模式或状态时必须的，以关闭不需要的电路。在此设计中由于数据采集不需要每时每刻都进行，可以设为每十分钟进行一次，所以可以在不采集数据，未进行A/D采样的时候关闭该模块的电路，在这10分钟内让系统进入睡眠模式。睡眠后，系统采用看门狗定时器（WDT）唤醒。WDT一次性无法定到10分钟，但软件中可以通过设置一个程序变量，让MCU在被唤醒后判断睡眠时间是否到了10min，到了则进行下一次采样，没到再次进入睡眠模式，直到过了10min。这样便大大降低了系统的功耗，增加了电池的寿命，从而减小系统的功耗。2.3外部数据存储电路图三考虑到系统需要存储30天内的温度数据，而温度监测系统每10分钟采集一次温度，每天则需要采集144次，每次得到8个数据，故30天共需存储34560个温度数据。温度数据需要存储成为float类型，对于PIC18来说，一个float类型的数据占3个字节，故本系统对存储器的要求是其数据容量必需大于103680个字节，但对其存取速度没有太大的要求，故选用了24LC512型号的EEPROM，其数据容量为512k，最高数据传输速率为400kHz，工作电压为2.5V—5.5V，适合用在本系统中。由于电路图是用protues软件画的，一些芯片的引脚图没有VDD与VSS引脚，在现实的电路中可以直接用I/O口来控制数据存储电路的供电，而非用系统电源直接供电，这样可以体现低功耗设计。而用I/O口来控制数据存储电路供电时，使用较大的上拉电阻，这样可以将电流减小，虽然使I方C总线电阻变低，但此系统中对存储速度没有很高要求，这样能效会更高，体现了低功耗。2.4液晶显示及报警电路图四液晶显示电路选用96*65位的Nokia7110液晶模块，该液晶模块功耗低，适用于电池供电的系统。本系统中采用RA4端口驱动一个高亮度的红色LED来进行电压下线报警，PIC18F452有高达25mA的高灌电流，足以驱动LED。该部分电路的低功耗设计体现在通过MCU的I/O口来控制报警LED电路的供电，这样可以有效降低系统的静态功耗。液晶需要一直显示温度信息，故用电源一直供电。三、软件设计软件设计部分，本系统要实现的功能是电源低压检测及报警、A/D采样、A/D采样数据处理及换算、温度显示和数据存储。电源低压检测及报警：通过设置MCU内部LVD模块的相关寄存器来实现。当检测到系统电源的电压小于设定值时，该模块中断标志位LVDIF置1，此时便控制I/O口给报警电路上电，然后报警。A/D采样：使用MCU的8路10位内部A/D完成，通过配置相应的寄存器来实现。A/D采样数据处理：该部分的软件包括数字滤波和电压—温度的转换算法。根据热敏电阻特性的数据表，经过数据拟合得到的公式，可以完成电压—温度转换的计算。温度显示：通过I/O口的操作，按液晶7110的读写时序完成液晶显示。数据存储：通过I2C总线与E2POM器件24LC512通信。系统软件的流程图设计如下：图五5、数据分析及误差分析1、A/D采样误差分析A/D模块的精度主要由位数决定。本设计中MCU内部的A/D为10位精度，其量化误差为1/1024，对于温度的精确采集，这样已经能够达到要求。2、电压—温度转换公式的拟合本系统中采用型号为PT100的热敏电阻作为测温元件，其温度—阻值特性数据如下表所示：想要达到精确的温度测量，除了A/D采样结果准确的要求，还必须对采集到的数字电压值和实际温度值之间的关系进行建模，准确地表达两者间的计算关系。根据上表，截取一定比例的数据（从-20度到80度），及A/D采样电路的参数，运用MATLAB对其进行一系列处理，然后拟合得出了经A/D采样后的数字电压值与温度之间的运算关系，再对拟合进行误差分析。（1）首先对上表选定的数据进行处理，将其转换为电路中对应的数字电压值，得到热敏电阻在相应温度下对应的数字电压值U：[491.1

496.5

501.8

506.9

512

516.9

521.8

526.6

531.2

535.8

540.2

544.6

548.9

553.1

557.2

561.3

565.3

569.2

573

576.8

580.5]（2）得到各温度下的对应的数字电压值后，运用MATLAB拟合工具箱对温度和数字电压值的转换关系进行拟合，得到的图像如下图所示:得到的曲线方程如下：T=1.119U-572.9对拟合的关系式进行误差分析，得到