基于MSP430单片机的低功耗无线温度表的设计

于文刚 李小影 王海国 马操

【摘要】 随着物联网技术的不断发展，无线通讯技术越来越受到社会各个行业的重视，更加推动了前端低功耗无线传输仪器仪表的发展。本文针对油田抽油井井口无线监控系统的前端无线温度表的设计做了系统的阐述，该无线温度表设计采用了低功耗的MSP430系列单片机以及桥式电路方式设计，采用无线通讯传输技术，降低了现场工程施工成本。

【关键词】 MSP430 ISM-433MHz pt100 桥式电路

目前油田现场抽油机井井口油温以及注水井井口温度的温度表多为传统的指针式温度表，油田操作工人需要定时去现场读取相关温度数据，从而导致现场相关测试数据更新时间周期长，不能及时准确地反映油井实时工况，从而会影响到后期对油井的工况诊断。

一、系统总体设计

由于无线温度表是数字化油田温度实时监控系统中的一部分，因而其实际功耗和测试精度是其设计的重点和难点。为了提高温度表的测试精度，前端传感器采用了高精度级别的铂电阻pt100，并且采用桥式电路，使铂电阻pt100在桥式电路的一个桥臂上，与之相对应的桥臂采用高精度可调电位器用于调零点，这样的设计保证了系统温度测试的精度。系统主控芯片采用了低功耗的MSP430F2XX系列单片机，其它所有器件均采用低功耗级别的元器件，并且在传感器供电方式上采取间歇式供电，进一步降低了系统的功耗。系统选用3.6V/8.5Ah高性能工业锂亚电池（18650），保证了供电系统的稳定性。无线数据通讯部分采取了ISM-433MHz频段的低功耗无线模块，通过MSP430单片机的串口TTL电平与无线模块直接相连，节省了系统的设计成本。同时为了提高系统的可靠性，增加了大容量的本地Flash存储芯片AT45DB321，保证了系统在与上位机通讯失败的情况下将本地的测试数据及时保存起来，保证了测试数据的完整性。

系统整体框图如下所示，

二、系统硬件设计

1、系统主控电路。系统主控芯片的选择在整个系统中的设计中至关重要，尤其是在低功耗要求很高的系统设计中，传统的单片机在静态的时候也会消耗较大的电流，无法满足系统低功耗的要求。经过对各个厂家的单片机性能进行反复比较和出于成本考虑，我们选择了美国德州公司推出的MSP430F2XX系列单片机，该系列单片机为16位超低功耗单片机，它具有LPM0～LPM4五种低功耗模式，其供电电压可以在1.8～3.6V范围内变化，活动模式下耗电250μA /MIPS，I/O输入端口的漏电流最大仅50nA，可以外接32.768kHz和8M的晶振，增加了功耗和速度选择的灵活性。内置多种外围设备，如三个定时器、看门狗、比较器、12位A/D、Flash存储器、串口通信模块、硬件乘法器等，大大简化了硬件电路设。

2、电源调理电路。所有采用电池供电的仪器仪表，由于随着电池能量的消耗，其电压会逐渐下降，某些元器件在电压变化时，其工作特性或多或少会发生变化，为了保证测量精度，系统应该在一个比较稳定的电源电压下工作，避免受电池电压下降的影响。

三、系统软件设计

系统软件设计采用的开发环境为IAR for MSP430 V4，采用C语言编写系统软件程序。系统主程序包括两种工作状态：测试状态和校准状态。系统程序初始化后，程序进入定时测试程序循环，如果系统有按键按下则程序进入校准程序状态。

结束语：本文系统地介绍了高精度、低功耗的无线温度表的整体设计思路，分别从硬件电路设计和软件设计两个方面融入了实现高精度、低功耗以及无线传输要求的设计思想，并且 利用了MSP单片机内部的特殊A/D 转换器降低了开发成本。经过多次实验，无线温度表的测量精度可以达到0.5%F.S，可以达到工业现场应用的水平。由于系统考虑设计成本以及需求方的因素，并没有采用独立的A/D转化芯片，对测量精度有一定的影响，是需要下一步完善和研究的地方，这样会更加提高整个仪表的测量精度。

参 考 文 献

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