一种低功耗数字温湿度测量系统的设计

摘 要：本文介绍了PIC单片机、DS18B20数字温度传感器、HIH3610集成湿度传感器在低功耗温湿度测量中的应用，给出了低功耗数字温湿度测量系统的硬件和软件设计。

关键词：单片机；低功耗设计；温湿度测量

1 引言

低功耗设计是当今各种电子系统设计的一个热门课题，许多降低系统功耗的技术被广泛应用便携式电子设备、通讯、智能仪器仪表等的设计制造中。

温湿度监测在许多领域得到广泛的应用，如货物储藏仓库中货物的温湿度、区域性森林防火以及程控交换机室对温度和湿度的限制等。笔者针对这些场所的温湿度测量的特点，结合低功耗设计技术，设计了一种数字温湿度测量系统，系统设计在以下几个方面具有突出特色：

1.采用高集成度的温湿度传感器，可直接与单片机接口，测量电路简单，精度高，可靠性高，有利于微型化。

2.低功耗设计。所选器件均采用低功耗芯片，采用液晶显示，且单片机具有“睡眠”功能，通过合理规划和控制各电路的供电，使系统的功耗降到最低。

3.即可采用电池供电，也可用直流稳压电源供电。

4.智能化。系统具有超限报警、低压提示（电池供电时）、数据掉电保护等功能。

5.网络化。系统具有RS485远程通讯接口，使测量系统既可以单机工作，又构成较大范围内的温湿度监控系统，实现远程测量控制等。

2 系统硬件设计

2.1 系统结构框图

系统结构框图如图1。系统硬件部分主要由温度测量电路、湿度测量电路、人机界面电路、实时时钟电路、电压基准源电路、通讯电路及电源电路等组成。

图1 系统结构图

2.2 温湿度测量电路设计

温度传感器选用美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS18B20^[1]。它具有微型化、低功耗、高精度、高性能、抗干扰能力强等优点，具有以下特性：①单线接口，仅需一根接口线与MCU连接；②无需外围元件；③可由总线提供电源；④测温范围为-55℃~125℃，精度为0.5℃（-10℃~85℃），适用于常温测量；⑤9/12位温度读数；⑥用户自设定温度报警上下限，设定值是非易失的；⑦报警搜索命令可识别哪片DS18B20超限。⑧+3V~+5.5V供电，最大工作电流4mA，静态电流3μA。DS18B20可直接将温度转化成数字信号供微机处理，无须专门的A/D转换电路，很容易与单片机连接。由于每片DS1820都有唯一的产品序号并存在其ROM中，使得在构成温度测控系统时可在单线上挂任意多个DS1820芯片，特别适合于多点温度测量系统。在系统中，DS18B20采用寄生电源供电方式（见图2），我们用一个MOSFET管和PIC16F873的一个I/O口（RA0）来完成对DS18B20的上拉，当DS18B20处于写存储器和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10μS，这样处理可以有效地降低功耗。

湿度传感器选用HONEYWELL公司生产的集成湿度传感器HIH3610，其电源电压4~5.8V，湿度测量范围0~100%，测量精度±2%，工作温度-40℃~85℃，具有相对湿度线性电压输出、精度高、线性度好、互换性强等诸多优点，工作电流在200μA以下，功耗极低。它采用集成电路技术，能在电路内部完成信号调理，输出电压较高（5V供电时输出为0.8～3.9V），不需外部信号调理，可直接与A/D转换器连接进行数字化处理。本系统将HIH3610的电压输出端与PIC16F873的模拟量输入端RA2连接（见图2），利用单片机内部10位A/D单元进行摸/数转换，不需要外部A/D转换电路，并且具有较高的转换精度。

从以上设计看，整个温湿度测量电路只有3个外部元件，电路极其简单，在保证了较高测量精度的同时，既提高了测量电路的可靠性，又大大降低了电路功耗。

2.3 其它功能电路设计

测量系统其他各功能电路包括液晶显示和键盘、串行通讯、实时时钟、电源及电压基准源等。

系统的核心器件就是单片机。目前，单片机的种类繁多，性能各异。笔者综合考虑单片机的性能和功耗等因素，选用了Microchip公司的8位RISC结构的高性能嵌入式微控制器PIC16F873，该芯片集成了4K×14位FLASH程序存储器、128字节EEPROM数据存储器、10位A/D转换器、POR和WDT、USART接口等电路，几乎无须扩展任何外围电路便可直接应用。PIC16F873对RB口（RB4、5、6、7）进行了独特设计，其引脚上的电平变化能引起中断，此中断能唤醒单片机的“睡眠”，并且这四个引脚共用一个中断入口，极大的方便了键盘的设计。本系统共有三个按键，主要有两个功能：一是设定温湿度报警限及实时时钟，二是单片机睡眠状态唤醒。显示部分采用串行液晶显示模块LCM108SN，由单片机I/O端口RB1供电，便于系统对显示模块的电源进行控制，以降低系统功耗。

RS485串行接口电路由低功耗RS485芯片MAX1483构成，其静态电流20μA，通过它可以构成较大范围内的网络温湿度监控系统。利用PIC16F873的128字节EEPROM数据存储器实现测量数据的掉电保护功能。实时时钟由具有I²C总线的日历时钟芯片MAX6900提供，MAX6900芯片的维持电流仅225nA。

由于湿度传感器HIH3610的输出电压与供电电压有关，单片机内部A/D转换器也需要电压基准，因此，为了保证湿度的测量精度，本系统专门设计了+5V的电压基准源MAX6105为HIH3610提供高精度电源（电压变化±0.4%），并给PIC16F873内部A/D转换器提供参考电压，由PIC单片机I/O端口RA5为MAX6105提供输入电压，便于系统对电压基准源进行控制，降低系统功耗。由于HIH3610的工作电压要求在4V以上，同时考虑到系统可能由电池供电或5V直流电源供电，因此在电源设计上采用了5V高效低功耗（16μA静态电流，0.1μA关闭电流）DC-DC电源芯片MAX1675作为电源转换电路，它还具有电池低电压检测，系统在用电池供电时，可以通过低电压检测输出端的电平判断电池电压是否在正常工作电压范围内，一旦发现低于设定的电源电压下限，系统及时给出低压提示。电源电路及电压基准源电路如图3所示。

图2 温湿度测量电路

2.4 系统低功耗设计

低功耗是本系统的重要设计指标。为了降低系统功耗，主要采取了以下措施：

1) 所有集成电路都选用了低功耗芯片。

2) 主控单片机具有睡眠（Sleep）功能，系统大部分时间都处于睡眠状态。

3) 对电路中各功能模块的电源进行合理的划分、管理和控制，由单片机进行实时控制，需要该模块工作时给它提供电源，不需要时关断电源。实践证明，采用这种方法对降低系统功耗十分有效。

4) 尽量减少使用外围元器件。采用了高集成度的PIC单片机、数字温度传感器和集成湿度传感器，大大的减少了系统的外围器件，其它功能模块电路外围电路也很少，整个系统电路非常简单。

5) 考虑到DS18B20的工作时序的要求和温湿度均为慢变信号，系统采用较低的外部振荡时钟（4MHz）。

6) 为进一步减少功耗，在系统进入睡眠状态以后，单片机各I/O端口必须有确定的输入、输出和确定的电平状态，确保外部电路不能从I/O端口吸取电流。

7) PIC单片机RB口具有弱上拉功能，为降低系统功耗，应启动此功能。

8) 采用了低功耗液晶显示模块。

通过采取以上这些措施，系统的功耗大大降低了。实际测量，系统处在工作状态时工作电流低于6mA，睡眠状态时，电流仅在2μA以下。

3 软件设计

系统软件主要包括以下几个部分：

1) 主程序完成系统的一系列初始化工作后，立即进入睡眠状态。

2) 温度信号数据采集及处理子程序，完成对DS18B20的操作，直接读取数字温度信号，并进行相应的数据处理和存储。

3) 湿度信号数据采集及处理子程序，完成湿度信号的A/D转换，并进行相对湿度的调整、处理存储。

4) 串行通讯服务子程序：按照上位机发送的指令，做出相应的处理，如传送温湿度采集数据，由于串行中断不具有唤醒功能，串行通讯只能在单片机正常工作时进行。

5) 按键中断服务子程序：显示日期、温湿度值，进行温湿度采集，进行实时时钟设置、温湿度上下限设置，进行串行通讯等。

系统的部分程序如图4所示。

图4 部分程序框图

在进行系统软件设计时，还有两处值得我们注意：

① 相对湿度的调整

由于HIH3610的输出电压是供电电压、湿度及温度的函数，如图5所示为在不同温度下+5V电源供电时，HIH3610的输出电压，在实际应用中，需通过以下两个步骤调整实际的相对湿度值。

图5 HIH3610输出电压（电源电压+5V）

a) 首先根据下述式子，计算出25℃温度条件下相对湿度值RH₀。

V_OUT=V_CC(0.0062RH₀＋0.16)

其中V_OUT为HIH3610在25℃时的电压输出值，V_CC为HIH3610的供电电压值，RH₀为25℃时的相对湿度值。

b) 进行温度补偿，计算出当前温度下的实际相对湿度值RH。

由于HIH3610在出厂时只标定了25℃下的输出值，而相对湿度跟温度的变化有关，因此，还必须依照下列公式对相对湿度进行温度校正。

RH=RH₀/（1.0546－0.00216t）

其中RH为实际的相对湿度值，t为当前的温度值，单位为℃。

在进行软件设计时，我们将A/D转换结果根据上述计算式对相对湿度进行了相应的调整。

②对DS18B20的操作

由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，遵循严格的时隙概念，系统对DS18B20的各种操作必须严格按协议进行，即：初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据，这就要求在程序设计时要非常注意每一步操作间的延时时间。由于系统中只有单只DS18B20，程序设计时省去了多片DS18B20在同一线上的判断操作，系统对DS1820操作的总体流程图如图4（b）所示。

4 结语

由于采用集成化传感器和低功耗器件，使得整个数据采集子系统的电路非常简洁，外围电路少，系统可靠性高、测量精度高、功耗低，不仅可用于固定场所温湿度的测量，利用通讯接口构成大范围的温湿度监控系统，还可以用于便携式测量，具有很好的推广应用价值。图3 电源及电压基准源电路