基于CW32L083設計的超低功耗溫濕度計

【開發環境】

1、硬件：CW32L083VxTx StartKit 開發板，板載有8位LCD段碼屏。

2、軟件環境：MDK5。

3、溫濕度計：SHT30。

【硬件連接】

開發板 SHT30

PB11 SDA

PB10 SCL

DVCC VCC

DVSS GND

【功耗測試環境】

合宙IoT Power功耗測試神器。

【硬件框圖】

【軟件流程圖】

【主要代碼設計】

本工程主要代碼功能為溫濕傳感器SHT30的數據采集、LCD顯示、RTC自動喚醒。下面展示三個功能模塊的主要代碼：

1、SHT30采集模擬IIC通信，主要是IIC的時序產生，與SHT30的單次采集指令發送與數據讀取以及CRC。

IIC的時序產生主要代碼如下：

void IIC_Init(void)

{

//配置PB10 為輸出

//使能GPIOB時鐘

CW_SYSCTRL->AHBEN_f.GPIOB = 1;

//配置PB10 為輸出

CW_GPIOB->ANALOG_f.PIN10 = 0; //設置 GPIOx_ANALOG.PINy 為 0，將端口配置為數字功能；

CW_GPIOB->DIR_f.PIN10 = 0; //設置 GPIOx_DIR.PINy 為 0，將端口配置成輸出；

CW_GPIOB->OPENDRAIN_f.PIN10 = 0; //0：推挽輸出

CW_GPIOB->ODR_f.PIN10 = 1;

CW_GPIOB->ANALOG_f.PIN11 = 0; //設置 GPIOx_ANALOG.PINy 為 0，將端口配置為數字功能；

CW_GPIOB->DIR_f.PIN11 = 0; //設置 GPIOx_DIR.PINy 為 0，將端口配置成輸出；

CW_GPIOB->OPENDRAIN_f.PIN11 = 0; //0：推挽輸出

CW_GPIOB->ODR_f.PIN11 = 1;

}

//IO方向設置(SDA)

/ xxxxxxxxxxxxxx ****/

void SDA_IN()

{

CW_GPIOB->DIR_f.PIN11 = 1; //設置 GPIOx_DIR.PINy 為 0，將端口配置成輸出；

}

void SDA_OUT()

{

CW_GPIOB->DIR_f.PIN11 = 0; //設置 GPIOx_DIR.PINy 為 0，將端口配置成輸出；

CW_GPIOB->OPENDRAIN_f.PIN11 = 0; //0：推挽輸出

}

//產生IIC起始信號

void IIC_Start(void)

{

SDA_OUT(); //sda線輸出

IIC_SDA=1;

IIC_SCL=1;

delay_us(4);

IIC_SDA=0;//START:when CLK is high,DATA change form high to low

delay_us(4);

IIC_SCL=0;//鉗住I2C總線，準備發送或接收數據

}

//產生IIC停止信號

void IIC_Stop(void)

{

SDA_OUT();//sda線輸出

IIC_SCL=0;

IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high

delay_us(4);

IIC_SCL=1;

IIC_SDA=1;//發送I2C總線結束信號

delay_us(4);

}

//等待應答信號到來

//返回值：1，接收應答失敗

// 0，接收應答成功

/ xxxx修改超時時間 ***/

uint8_t IIC_Wait_Ack(void)

{

uint8_t ucErrTime=0;

SDA_IN(); //SDA設置為輸入

IIC_SDA=1;delay_us(3);

IIC_SCL=1;delay_us(3);

while(READ_SDA)

{

ucErrTime++;

if(ucErrTime>250)

{

//printf("超時
");

IIC_Stop();

return 1;

}

}

IIC_SCL=0;//時鐘輸出0

return 0;

}

//產生ACK應答

void IIC_Ack(void)

{

IIC_SCL=0;

SDA_OUT();

IIC_SDA=0;

delay_us(2);

IIC_SCL=1;

delay_us(2);

IIC_SCL=0;

}

//不產生ACK應答

void IIC_NAck(void)

{

IIC_SCL=0;

SDA_OUT();

IIC_SDA=1;

delay_us(2);

IIC_SCL=1;

delay_us(2);

IIC_SCL=0;

}

//IIC發送一個字節

//返回從機有無應答

//1，有應答

//0，無應答

void IIC_Send_Byte(uint8_t txd)

{

uint8_t t;

SDA_OUT();

IIC_SCL=0;//拉低時鐘開始數據傳輸

for(t=0;t<8;t++)

{

if((txd&0x80)>>7)

IIC_SDA=1;

else

IIC_SDA=0;

txd<<=1;

delay_us(2); //對TEA5767這三個延時都是必須的

IIC_SCL=1;

delay_us(2);

IIC_SCL=0;

delay_us(2);

}

}

//讀1個字節，ack=1時，發送ACK，ack=0，發送nACK

uint8_t IIC_Read_Byte(unsigned char ack)

{

unsigned char i,receive=0;

SDA_IN();//SDA設置為輸入

for(i=0;i<8;i++ )

{

IIC_SCL=0;

delay_us(100);

IIC_SCL=1;

receive<<=1;

if(READ_SDA)receive++;

delay_us(100);

}

if (!ack)

IIC_NAck();//發送nACK

else

IIC_Ack(); //發送ACK

return receive;

}

SHT30的測量指令與數據獲取及CRC主要代碼如下：

#include "sht30.h"

#define POLYNOMIAL_CXDZ 0x31 // X^8 + X^5 + X^4 + 1

//SHT3X CRC校驗

unsigned char SHT3X_CRC(uint8_t *data, uint8_t len)

{

unsigned char bit; // bit mask

unsigned char crc = 0xFF; // calculated checksum

unsigned char byteCtr; // byte counter

// calculates 8-Bit checksum with given polynomial @GZCXDZ

for(byteCtr = 0; byteCtr < len; byteCtr++) {

crc ^= (data[byteCtr]);

for(bit = 8; bit > 0; --bit) {

if(crc & 0x80) {

crc = (crc << 1) ^ POLYNOMIAL_CXDZ;

} else {

crc = (crc << 1);

}

}

}

return crc;

}

//SHT30命令函數

//addr:表示產品的序號，因為SHT30使用IIC總線的話一條線上可以掛兩個

void SHT30_CMD(uint16_t cmd)

{

IIC_Start();

IIC_Send_Byte(SHT30_ADDR+0); //發送設備地址,寫寄存器

IIC_Wait_Ack();

IIC_Send_Byte((cmd>>8)&0xff); //MSB

IIC_Wait_Ack();

IIC_Send_Byte(cmd&0xff); //LSB

IIC_Wait_Ack();

IIC_Stop();

SysTickDelay(500);//命令發完后需要等待20ms以上才能讀寫

}

//SHT30讀取溫濕度

//temp:溫度，-400~1250，實際溫度=temp/10,分辨率0.1℃,精度±0.3℃

//humi:濕度，0~1000，實際濕度=humi/10,分辨率0.1%rh,精度±3

//返回0成功，1失敗

uint8_t SHT30_Read_Humiture(int *temp,uint16_t *humi)

{

uint8_t buff[6];

SHT30_CMD(SHT30_READ_HUMITURE);//讀溫濕度命令

IIC_Start();

IIC_Send_Byte(SHT30_ADDR+1); //發送設備地址,讀寄存器

IIC_Wait_Ack();

buff[0]=IIC_Read_Byte(1);//繼續讀，給應答

buff[1]=IIC_Read_Byte(1);//繼續讀，給應答

buff[2]=IIC_Read_Byte(1);//繼續讀，給應答

buff[3]=IIC_Read_Byte(1);//繼續讀，給應答

buff[4]=IIC_Read_Byte(1);//繼續讀，給應答

buff[5]=IIC_Read_Byte(0);//不繼續給停止應答

IIC_Stop();

//printf("buff=%d,%d,%d,%d,%d,%d
",buff[0],buff[1],buff[2],buff[3],buff[4],buff[5]);

//CRC校驗

if(SHT3X_CRC(&buff[0],2)==buff[2] && SHT3X_CRC(&buff[3],2)==buff[5])

{

temp=(-45+(175.0 ((buff[0]<<8)+buff[1])/65535.0)) *10;

humi=10100* ((buff[3]<<8)+buff[4])/65535.0;

if(*temp>1250) *temp=1250;

else if(*temp<-400) *temp=-400;

return 0;

}

else return 1;

}

//SHT30初始化

void SHT30_Init()

{

IIC_Init();

}

2、LCD屏的顯示，分為兩個部分，一個是定義了段碼顯示的高、低位顯示數組; 二是封裝了數量顯示了函數，具體代碼如下：

/* 段碼低8（左） */

static uint8_t num_L[10] = {

0x0d, //0

0x00, //1

0x0e, //2

0x0a, //3

0x03, //4

0x0b, //5

0x0f, //6

0x00, //7

0x0f, //8

0x0b, //9

};

/* 段碼高8（右） */

static uint8_t num_H[10] = {

0x07,

0x06,

0x03,

0x07,//3

0x06,//4

0x05, //5

0x05, //

0x07, //7

0x07, //8

0x07, //9

};

void Lcd_clear(void)

{

CW_LCD->RAM0 = 0;

CW_LCD->RAM1 = 0;

CW_LCD->RAM8 = 0;

CW_LCD->RAM9 = 0;

}

void show_nums(uint32_t num)

{

uint8_t i=0;

uint8_t j;

uint32_t temp;

temp = num;

//空顯示

Lcd_clear();

if(temp == 0)

show_num(0,0,0);

while(temp>0)

{

j = temp%10;

show_num(i,j,0);

temp /=10;

i++;

}

}

/**

*功能：顯示數字到LCD段碼屏上

*輸入參數1：顯示在哪個位上7-0

*輸入參數2：需要顯示數字

*輸入參數3：是否需要顯示小數點

*/

void show_num(uint8_t wei, uint8_t num, uint8_t doit)

{

uint8_t temp_H;

temp_H = num_H[num];

if(0 != doit)

{

temp_H = temp_H + 8 ; //第四位置1顯示小數點

}

switch(wei)

{

case 7:

{

//顯示第7個數碼管

CW_LCD->RAM0 |= temp_H <<8 | num_L[num];

break;

}

case 6:

{

//顯示第6個數碼管

CW_LCD->RAM0 |= (temp_H<<8 | num_L[num]) <<16;

break;

}

case 5:

{

//顯示第5個數碼管

CW_LCD->RAM1 |= num_L[num];

CW_LCD->RAM8 |= temp_H;

break;

}

case 4:

{

//顯示第4個數碼管

CW_LCD->RAM8 |= temp_H<<16 | num_L[num]<<8;

break;

}

case 3:

{

//顯示第3個數碼管

CW_LCD->RAM8 |= num_L[num]<<24;

CW_LCD->RAM9 |= temp_H;

break;

}

case 2:

{

//顯示第2個數碼管

CW_LCD->RAM9 |= temp_H<<16 | num_L[num]<<8;

break;

}

case 1:

{

//顯示第1個數碼管

CW_LCD->RAM1 |= temp_H<<8;

CW_LCD->RAM9 |= num_L[num]<<24;

break;

}

case 0:

{

//顯示第0個數碼管

CW_LCD->RAM1 |= temp_H<<24 | num_L[num]<<16;

break;

}

}

}

void LCD_Configuration(void)

{

LCD_InitTypeDef LCD_InitStruct = {0};

LCD_InitStruct.LCD_Bias = LCD_Bias_1_3;

LCD_InitStruct.LCD_ClockSource = LCD_CLOCK_SOURCE_LSI;

LCD_InitStruct.LCD_Duty = LCD_Duty_1_4;

LCD_InitStruct.LCD_ScanFreq = LCD_SCAN_FREQ_128HZ;

LCD_InitStruct.LCD_VoltageSource = LCD_VoltageSource_Internal;

__RCC_LCD_CLK_ENABLE();

RCC_LSI_Enable();

LCD_Init(&LCD_InitStruct); //基本配置

// BTL004 LCD 對應的連接

//PA12 COM3

//PA11 COM2

//PA10 COM1

//PA09 COM0

//PA08 SEG0

//PC09 SEG1

//PC08 SEG2

//PC07 SEG3

//PC06 SEG4

//PD15 SEG32

//PD14 SEG33

//PD13 SEG34

//PD12 SEG35

//PD11 SEG36

//PD10 SEG37

//PD09 SEG38

//PD08 SEG39

//PB15 SEG5

//PB14 SEG6

//PB13 SEG7

// 分配引腳

LCD_COMConfig(LCD_COM0 | LCD_COM1 | LCD_COM2 | LCD_COM3, ENABLE);

LCD_SEG0to23Config(0x0000FF, ENABLE);

LCD_SEG32to55Config(0x0000FF,ENABLE);

CW_LCD->RAM[0] = 0;

CW_LCD->RAM[1] = 0;

CW_LCD->RAM2 = 0;

CW_LCD->RAM3 = 0;

CW_LCD->RAM4 = 0;

CW_LCD->RAM5 = 0;

CW_LCD->RAM6 = 0;

CW_LCD->RAM7 = 0;

CW_LCD->RAM8 = 0;

CW_LCD->RAM9 = 0;

CW_LCD->RAM10 = 0;

CW_LCD->RAM11 = 0;

CW_LCD->RAM12 = 0;

CW_LCD->RAM13 = 0;

LCD_Cmd(ENABLE);

CW_LCD->RAM0 = 0;

LCD_ContrastConfig(LCD_Contrast_Level_6);

LCD_DriveVoltageConfig(LCD_INRS_LEVEL_0);

}

3、功耗控制主要是通過進入深度睡眠模式來實現節能，并通過RTC的AWT模塊來實現定時喚醒。在此模塊中，我們配置了AWT時鐘源為RTC_AWTSOURCE_FROM_RTC1HZ_1即1秒為單位的喚醒，我們可以通過RTC_AWTARR 喚醒定時器重載值，來實現以秒為單位的休眠時長。主要代碼如下：

//進入低功耗設置

void entry_power(void)

{

// //1，先判斷是否上電復位

RTC_InitTypeDef RTC_InitStruct = {0};

RTC_AWTTypeDef RCT_AWTStruct = {0};

RCC_LSE_Enable(RCC_LSE_MODE_OSC, RCC_LSE_AMP_NORMAL, RCC_LSE_DRIVER_NORMAL); // 選擇LSE為RTC時鐘

RTC_InitStruct.DateStruct.Day = 0x24; //設置日期，DAY、MONTH、YEAR必須為BCD方式，星期為0~6，代表星期日，星期一至星期六

RTC_InitStruct.DateStruct.Month = RTC_Month_June;

RTC_InitStruct.DateStruct.Week = RTC_Weekday_Monday;

RTC_InitStruct.DateStruct.Year = 0x23;

RTC_InitStruct.TimeStruct.Hour = 0x11; //設置時間，HOUR、MINIUTE、SECOND必須為BCD方式，用戶須保證HOUR、AMPM、H24之間的關聯正確性

RTC_InitStruct.TimeStruct.Minute = 0x58;

RTC_InitStruct.TimeStruct.Second = 0x59;

RTC_InitStruct.TimeStruct.AMPM = 0;

RTC_InitStruct.TimeStruct.H24 = 0;

RTC_InitStruct.RTC_ClockSource = RTC_RTCCLK_FROM_LSE;

RTC_Init(&RTC_InitStruct); //

//設置自動喚醒

RCT_AWTStruct.AWT_ClockSource = RTC_AWTSOURCE_FROM_RTC1HZ_1;

RCT_AWTStruct.AWT_ARRValue = 60;

RTC_AWTConfig(&RCT_AWTStruct);

RTC_AWTCmd(ENABLE);

RCC_APBPeriphClk_Enable1(RCC_APB1_PERIPH_RTC, ENABLE);

RTC_ITConfig(RTC_IT_AWTIMER, ENABLE);

}

4、在主程序中，我們先初始基本外設后進行循環的采集——顯示——休眠——喚醒來實現溫濕度采集的目標，主程序主要代碼如下：

int32_t main(void)

{

uint16_t temp;

int t[20];

uint16_t h[20];

RCC_Configuration();

NVIC_Configuration();

LCD_Configuration();

InitTick(8000000);

SHT30_Init();

Lcd_clear();

SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk;

entry_power();

while(1)

{

SHT30_Read_Humiture(t,h);

temp = t[0];

Lcd_clear();

show_num(2, temp/100,0);

show_num(1, (temp/10)%10,1);

show_num(0, temp%10,0);

temp = h[0];

show_num(7, temp/100,0);

show_num(6, (temp/10)%10,1);

show_num(5, temp%10,0);

CW_SYSCTRL->AHBEN_f.GPIOB = 0;

__DSB();

__WFI();

SHT30_Init();

}

}

【實現的效果】

我們設定60秒中喚醒進行一次溫顯度采集，實現了休眠電流為5uA，綜合平均工作電流為13uA、平均功率為?；緷M足了以電池供電的環境下的超長工作。

【討論】

CW32L083集成了LCD控制器，可以實現數據采集、顯示的超低功耗工作。非常適合用于電池供電的環境下工作。本次試驗雖然獲得了理想效果，但是還有一些可以改進的地方。

1、在待機中的主要電流產生是LCD屏產生的功耗，如果在特殊的環境下，不需要長時間顯示，可以適時關閉LCD屏，這樣可以節約差不多4uA的工作電流。啟用按鍵來人工參與顯示數據，這樣又可以更進一步降低超機功耗。

2、在工作電流中，主要消耗的是SHT30的溫度轉換時產生的大電流。如果應用的生產環境，可以在等待溫度轉換時，降低MCU的主頻或者進入sleep模式以降低能耗。

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