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超低功耗溫度測量與顯示方案

2021年07月23日 16:18 ? 次閱讀

摘要

溫度測量系統應用廣泛,被大量應用于電廠、建材、煤化工、冶金、供熱、工程機械熱處理、煤質化驗等溫度測控領域。實現高精度、低功耗溫度監測成為多種行業的需求,本文介紹了一種超低功耗溫度測量顯示系統的實現方法,給出了其硬件連接方式及軟件工作流程,對超低功耗設計方法給出具體思路。

硬件連接

談到低功耗方案設計,有過單片機開發經歷的工程師基本都會想到歐美知名芯片廠商的MSP430超低功耗MCU,MSP430在功耗控制方面處在行業領先水平,但片內資源有限,在進行高精度溫度測量時需要采集溫度傳感器的微弱信號,12位的片內ADC就不能滿足要求,需要外加儀表放大器和高精度ADC,以滿足溫度傳感器信號的高精度測量,通常選擇AD7794或ADS1220做模擬信號采集。也有產品中使用國內知名芯片廠商的MCU進行方案設計,該MCU內置儀表放大器和16位ADC,在熱電阻溫度測量應用中,需要外加運放搭建恒流源,且MCU的功耗較大,休眠模式下電流70μA,增加外部運放后,整個方案的功耗更加難以控制,在測量精度和產品壽命方面沒有保障。

現介紹基于SDIC的SD8318實現的溫度測量方案,該芯片集成了豐富的片內資源,可使用最少的外圍器件,實現溫度的高精度、低功耗測量與顯示,主要的功能包括:

  • 24 bits高精度ADC
  • 低噪聲儀表放大器,內置電路有效抑制漂移
  • 內置OP,可借助外部電阻搭建1路程控恒流源
  • 低功耗工作模式
  • LCD顯示驅動,內置升壓電路,可在低電壓時維持高亮度
  • 多級電池電壓檢測
  • 內置EPROM可用于存儲校準數據
  • 一路16 bits PWM輸出
  • 一路UART通信
  • 一路片內溫度傳感器

上面所介紹的功能都是進行溫度表頭設計必須具備的,SD8318將上述功能集成在芯片內部,大大簡化了片外電路的復雜程度,更少的外圍電路,對整體方案的一致性、功耗水平等方面都有很好地保障。

下面以PT100/PT1000熱電阻溫度測量、顯示方案為例,介紹基于SD8318的電路方案。

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圖1. 基于SD8318的熱電阻測量電路

圖1介紹了基于SD8318實現的PT100/PT1000溫度測量方案,包括穩壓電路與多級低壓檢測模塊(使用2節干電池供電時,LDO電路可省略)、液晶顯示模塊、恒流源驅動電路、按鍵輸入、熱電阻測量電路及SD8318借助芯片內部的高精度ADC、OP等資源,可使用最少的外圍電路實現整套電路方案設計。

SD8318內部集成的PGIA和ADC電路可很好的保證傳感器信號測量精度,搭配軟件上的溫度轉換算法,可在-100~400℃范圍內誤差小于0.1℃。

軟件流程

不同品牌的溫度表頭產品具有不同的功能,軟件流程也就各不相同,這里重點介紹在降低功耗方面所涉及的軟件工作流程。

為了降低系統功耗,方案中使用了SD8318的正常工作模式、待機模式和休眠模式,表頭工作時,使用正常工作模式與待機模式,通過降低正常工作時間來降低系統功耗,系統工作流程如圖2所示。

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圖2. 軟件工作流程

根據圖2,完整的工作過程包括幾種工作狀態:

第一步,開機時會有60秒鐘的連續工作過程,會開啟背光,并連續刷新顯示;當有按鍵操作時,也會進入這種狀態。這種設計主要用于生產操作,如校表時需要連續工作以保證校準精度和提高生產效率;

第二步,關閉功能模塊,進入待機模式,此時不關閉液晶顯示,不刷新顯示數據;待機模式可有效地降低工作電流,保留顯示的情況下,整機功耗在0.04mW左右,屬于超低功耗水平;

第三步,退出待機并進入正常工作模式,首先打開正常測量時用到的功能模塊,如AVDDR、OP等,并給一定穩定時間,整個過程在70ms左右,平均功耗在2.1mW左右;

第四步,啟動ADC、PGIA,開始測量,完成一次穩定結果讀取并刷新顯示,整個過程大約300ms左右,平均功耗3.5mW左右;

從上述分析過程,以3S為周期的工作工作循環中,2.6S的時間都處于待機狀態,極大的降低了產品功耗。此外,方案中還可以增加休眠模式,在表頭長時間不用時,可通過按鍵進入休眠模式,此時僅1μA左右的電流消耗。

功能擴展

除熱電阻溫度測量方案外,SD8318在熱電偶、壓力、液位等傳感器測量中同樣有優勢。片內溫度傳感器支持單點校準,可在熱電偶測量應用中做冷端參考,也可使用外部溫度傳感器,借助多個模擬信號輸入通道實現。UART通信功能,可擴展無線傳輸、物聯網應用等。

SD8318支持一路高精度PWM輸出,在外加調整管的情況下,可實現4~20mA輸出,滿足兩線制電流輸出型變送器設計需求。

小結

本文給出的基于SD8318實現的熱電阻溫度測量,以極低的功耗完成溫度的高精度測量與顯示工作,具有極強的應用價值。豐富的片內資源,極大的降低外圍電路的復雜程度,縮減硬件成本。此外,還可擴展無線傳輸功能,4~20mA電流輸出型變送器等。

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MikroElektronika 推出 SiBRAIN,即一種用于附加開發板的標準,以便于在配備 S....
發表于 2021-06-17 15:14? 491次閱讀
MIKROE的新SiBRAIN MCU開發標準 ...

還記得當年那家MCU廠商嗎?缺貨把自己缺沒了…

在ARM推出MCU IP之后,做一個強大的芯片原廠其實很不容易的。一是要跑得快,搶到先機占市場,二是....
發表于 2021-06-17 07:55? 2883次閱讀
還記得當年那家MCU廠商嗎?缺貨把自己缺沒了…

5月電子元器件熱搜榜

本期熱搜前四品牌ST,NXP,ADI,MOLEX,熱搜品類包括MCU芯片,MOSFET,連接器,分立....
發表于 2021-06-16 15:45? 296次閱讀
5月電子元器件熱搜榜

為解決缺芯問題,ZLG致遠電子推出Cat.1核心...

在全球半導體行業集體缺“芯”的情況下,ZLG致遠電子推出極具性價比的Cat.1核心板方案,幫助客戶改....
發表于 2021-06-16 11:33? 409次閱讀
為解決缺芯問題,ZLG致遠電子推出Cat.1核心...
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