基于CW32L083设计的超低功耗温湿度计

华仔的编程随笔 2023-06-25 26803

描述

【开发环境】

1、硬件：CW32L083VxTx StartKit 开发板，板载有8位LCD段码屏。

2、软件环境：MDK5。

3、温湿度计：SHT30。

【硬件连接】

开发板 SHT30

PB11 SDA

PB10 SCL

DVCC VCC

DVSS GND

【功耗测试环境】

合宙IoT Power功耗测试神器。

【硬件框图】

MDK5

【软件流程图】

MDK5

【主要代码设计】

本工程主要代码功能为温湿传感器SHT30的数据采集、LCD显示、RTC自动唤醒。下面展示三个功能模块的主要代码：

1、SHT30采集模拟IIC通信，主要是IIC的时序产生，与SHT30的单次采集指令发送与数据读取以及CRC。

IIC的时序产生主要代码如下：

void IIC_Init(void)
{
//配置PB10 为输出
//使能GPIOB时钟
CW_SYSCTRL->AHBEN_f.GPIOB = 1;
//配置PB10 为输出
CW_GPIOB->ANALOG_f.PIN10 = 0; //设置 GPIOx_ANALOG.PINy 为 0，将端口配置为数字功能；
CW_GPIOB->DIR_f.PIN10 = 0; //设置 GPIOx_DIR.PINy 为 0，将端口配置成输出；
CW_GPIOB->OPENDRAIN_f.PIN10 = 0; //0：推挽输出
CW_GPIOB->ODR_f.PIN10 = 1;
CW_GPIOB->ANALOG_f.PIN11 = 0; //设置 GPIOx_ANALOG.PINy 为 0，将端口配置为数字功能；
CW_GPIOB->DIR_f.PIN11 = 0; //设置 GPIOx_DIR.PINy 为 0，将端口配置成输出；
CW_GPIOB->OPENDRAIN_f.PIN11 = 0; //0：推挽输出
CW_GPIOB->ODR_f.PIN11 = 1;
}
//IO方向设置(SDA)
/ xxxxxxxxxxxxxx ****/
void SDA_IN()
{
CW_GPIOB->DIR_f.PIN11 = 1; //设置 GPIOx_DIR.PINy 为 0，将端口配置成输出；
}
void SDA_OUT()
{
CW_GPIOB->DIR_f.PIN11 = 0; //设置 GPIOx_DIR.PINy 为 0，将端口配置成输出；
CW_GPIOB->OPENDRAIN_f.PIN11 = 0; //0：推挽输出
}
//产生IIC起始信号
void IIC_Start(void)
{
SDA_OUT(); //sda线输出
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;//钳住I2C总线，准备发送或接收数据
}
//产生IIC停止信号
void IIC_Stop(void)
{
SDA_OUT();//sda线输出
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;//发送I2C总线结束信号
delay_us(4);
}
//等待应答信号到来
//返回值：1，接收应答失败
// 0，接收应答成功
/ xxxx修改超时时间 ***/
uint8_t IIC_Wait_Ack(void)
{
uint8_t ucErrTime=0;
SDA_IN(); //SDA设置为输入
IIC_SDA=1;delay_us(3);
IIC_SCL=1;delay_us(3);
while(READ_SDA)
{
ucErrTime++;
if(ucErrTime>250)
{
//printf("超时
");
IIC_Stop();
return 1;
}
}
IIC_SCL=0;//时钟输出0
return 0;
}
//产生ACK应答
void IIC_Ack(void)
{
IIC_SCL=0;
SDA_OUT();
IIC_SDA=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
}
//不产生ACK应答
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发送一个字节
//返回从机有无应答
//1，有应答
//0，无应答
void IIC_Send_Byte(uint8_t txd)
{
uint8_t t;
SDA_OUT();
IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
for(t=0;t<8;t++)
{
if((txd&0x80)>>7)
IIC_SDA=1;
else
IIC_SDA=0;
txd<<=1;
delay_us(2); //对TEA5767这三个延时都是必须的
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
delay_us(2);
}
}
//读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK
uint8_t IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
unsigned char i,receive=0;
SDA_IN();//SDA设置为输入
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();//发送nACK
else
IIC_Ack(); //发送ACK
return receive;
}

SHT30的测量指令与数据获取及CRC主要代码如下：

#include "sht30.h"
#define POLYNOMIAL_CXDZ 0x31 // X^8 + X^5 + X^4 + 1
//SHT3X CRC校验
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命令函数
//addr:表示产品的序号，因为SHT30使用IIC总线的话一条线上可以挂两个
void SHT30_CMD(uint16_t cmd)
{
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(SHT30_ADDR+0); //发送设备地址,写寄存器
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);//命令发完后需要等待20ms以上才能读写
}
//SHT30读取温湿度
//temp:温度，-400~1250，实际温度=temp/10,分辨率0.1℃,精度±0.3℃
//humi:湿度，0~1000，实际湿度=humi/10,分辨率0.1%rh,精度±3
//返回0成功，1失败
uint8_t SHT30_Read_Humiture(int *temp,uint16_t *humi)
{
uint8_t buff[6];
SHT30_CMD(SHT30_READ_HUMITURE);//读温湿度命令
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(SHT30_ADDR+1); //发送设备地址,读寄存器
IIC_Wait_Ack();
buff[0]=IIC_Read_Byte(1);//继续读，给应答
buff[1]=IIC_Read_Byte(1);//继续读，给应答
buff[2]=IIC_Read_Byte(1);//继续读，给应答
buff[3]=IIC_Read_Byte(1);//继续读，给应答
buff[4]=IIC_Read_Byte(1);//继续读，给应答
buff[5]=IIC_Read_Byte(0);//不继续给停止应答
IIC_Stop();
//printf("buff=%d,%d,%d,%d,%d,%d
",buff[0],buff[1],buff[2],buff[3],buff[4],buff[5]);
//CRC校验
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屏的显示，分为两个部分，一个是定义了段码显示的高、低位显示数组; 二是封装了数量显示了函数，具体代码如下：

/* 段码低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
};
/* 段码高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;
//空显示
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：显示数字到LCD段码屏上
*输入参数1：显示在哪个位上7-0
*输入参数2：需要显示数字
*输入参数3：是否需要显示小数点
*/
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显示小数点
}
switch(wei)
{
case 7:
{
//显示第7个数码管
CW_LCD->RAM0 |= temp_H <<8 | num_L[num];
break;
}
case 6:
{
//显示第6个数码管
CW_LCD->RAM0 |= (temp_H<<8 | num_L[num]) <<16;
break;
}
case 5:
{
//显示第5个数码管
CW_LCD->RAM1 |= num_L[num];
CW_LCD->RAM8 |= temp_H;
break;
}
case 4:
{
//显示第4个数码管
CW_LCD->RAM8 |= temp_H<<16 | num_L[num]<<8;
break;
}
case 3:
{
//显示第3个数码管
CW_LCD->RAM8 |= num_L[num]<<24;
CW_LCD->RAM9 |= temp_H;
break;
}
case 2:
{
//显示第2个数码管
CW_LCD->RAM9 |= temp_H<<16 | num_L[num]<<8;
break;
}
case 1:
{
//显示第1个数码管
CW_LCD->RAM1 |= temp_H<<8;
CW_LCD->RAM9 |= num_L[num]<<24;
break;
}
case 0:
{
//显示第0个数码管
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 对应的连接
//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
// 分配引脚
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、功耗控制主要是通过进入深度睡眠模式来实现节能，并通过RTC的AWT模块来实现定时唤醒。在此模块中，我们配置了AWT时钟源为RTC_AWTSOURCE_FROM_RTC1HZ_1即1秒为单位的唤醒，我们可以通过RTC_AWTARR 唤醒定时器重载值，来实现以秒为单位的休眠时长。主要代码如下：

//进入低功耗设置
void entry_power(void)
{
// //1，先判断是否上电复位
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); // 选择LSE为RTC时钟
RTC_InitStruct.DateStruct.Day = 0x24; //设置日期，DAY、MONTH、YEAR必须为BCD方式，星期为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; //设置时间，HOUR、MINIUTE、SECOND必须为BCD方式，用户须保证HOUR、AMPM、H24之间的关联正确性
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); //
//设置自动唤醒
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，我们先初始基本外设后进行循环的采集——显示——休眠——唤醒来实现温湿度采集的目标，主程序主要代码如下：

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();
}
}

【实现的效果】

我们设定60秒中唤醒进行一次温显度采集，实现了休眠电流为5uA，综合平均工作电流为13uA、平均功率为。基本满足了以电池供电的环境下的超长工作。

MDK5

【讨论】

CW32L083集成了LCD控制器，可以实现数据采集、显示的超低功耗工作。非常适合用于电池供电的环境下工作。本次试验虽然获得了理想效果，但是还有一些可以改进的地方。

1、在待机中的主要电流产生是LCD屏产生的功耗，如果在特殊的环境下，不需要长时间显示，可以适时关闭LCD屏，这样可以节约差不多4uA的工作电流。启用按键来人工参与显示数据，这样又可以更进一步降低超机功耗。

2、在工作电流中，主要消耗的是SHT30的温度转换时产生的大电流。如果应用的生产环境，可以在等待温度转换时，降低MCU的主频或者进入sleep模式以降低能耗。

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