基于CW32L083设计的超低功耗温湿度计

【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】

【软件流程图】

【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。

【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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