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一、簡(jiǎn)介
在我國(guó)，目前能源使用率僅為33%，相比世界領(lǐng)先水平少10%，單位產(chǎn)品的耗能是世界先進(jìn)水平的兩倍，主要產(chǎn)品的耗能比世界先進(jìn)水平高出40%。為此，國(guó)家“十一五”規(guī)劃到2010 年實(shí)現(xiàn)萬(wàn)元GDP 能耗降低20%，并減少10%的有害排放。由此可見，節(jié)能減排是我國(guó)工業(yè)企業(yè)面臨的重大課題。
對(duì)于稱重儀表而言，節(jié)能不僅僅響應(yīng)了國(guó)家號(hào)召，為社會(huì)做出一份貢獻(xiàn)，而且也為自己的產(chǎn)品增加了亮點(diǎn)。
我們可以把節(jié)能看成：
1. 利用天然能源，如太陽(yáng)能等。
2. 儀表自身降低損耗及提高電能利用率。
二、天然能源———太陽(yáng)能
太陽(yáng)能電池系一種利用太陽(yáng)光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片，只要一照到光, 瞬間就可輸出電壓及電流。太陽(yáng)能電池的發(fā)電能源來自于光的波長(zhǎng)，陽(yáng)光或白熾燈的波長(zhǎng)較為適用。屬于“室內(nèi)型的非晶”太陽(yáng)能電池如果長(zhǎng)期拿到戶外曝曬，有可能導(dǎo)致其損壞；反之，如果適合室外的太陽(yáng)能電池如果用于室內(nèi)，也不能達(dá)到期望的效果，所以在選擇太陽(yáng)能電池時(shí)，要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境而定。太陽(yáng)能板的規(guī)格除了外形尺寸之外，另有一些特性數(shù)據(jù)，其中Voc= 開路電壓，Isc= 短路電流,Vmp(Vop)= 最大工作電壓，Imp(Iop)= 最大工作電流，Vmp×Imp=W瓦/(最大)功率。這些參數(shù)都是在特定條件下測(cè)得的，實(shí)際應(yīng)用中達(dá)不到標(biāo)定值，并且還要考慮天氣、季節(jié)等因素。所以，實(shí)際應(yīng)用一般用蓄電池作為備份電源。
目前在國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)用太陽(yáng)能供電的稱重儀表及整秤，由于太陽(yáng)能電池價(jià)格偏高及市場(chǎng)實(shí)際需求等因素，目前國(guó)內(nèi)用太陽(yáng)能供電的稱重儀表及整秤還很少見。
三、儀表自身參數(shù)
1. 降低器件造成的損耗
選擇元器件時(shí)，盡可能選擇低功耗的元器件。其它與功耗有關(guān)的因素還包括：供電電壓和時(shí)鐘頻率、接口電路以及動(dòng)態(tài)管理等等。
1.1 器件供電電壓和時(shí)鐘頻率
正如大家所熟知的，在數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)中，CMOS 電路的總功耗包括：
a. 靜態(tài)功耗，如晶體管漏電，電路不工作時(shí)也存在，與開關(guān)活動(dòng)無(wú)關(guān)，與其動(dòng)態(tài)功耗相比基本可以忽略不計(jì)，故暫不考慮；
b. 動(dòng)態(tài)功耗，其粗略估算公式為：
P=CFV2
其中，C 為負(fù)載電容；F 為開關(guān)頻率；V 電源電壓。
可見，電壓越高，時(shí)鐘頻率越快，則功率消耗越大。所以，在能夠滿足功能正常的前提下，盡可能選擇工作電壓低的器件。對(duì)于已經(jīng)選定的器件，盡可能降低供電電壓和工作頻率。
1.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)管理
所謂動(dòng)態(tài)管理就是在系統(tǒng)運(yùn)行期間通過對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行頻率或電壓的動(dòng)態(tài)控制，以及各種不同工作模式的切換來達(dá)到節(jié)省功耗的目的，這種動(dòng)態(tài)控制是與系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)的，這個(gè)工作往往通過軟件來實(shí)現(xiàn)。
選取合適的工作模式。
控制部分：現(xiàn)在很多CPU 都有多種工作模式，我們可以通過控制CPU 進(jìn)入不同的模式來達(dá)到省電的目的。以Silicon Labs 8051F CPU 為例，它有3 種基本的工作模式：第一種是完全工作模式：所有模塊都上電工作；第二種是等待模式：外設(shè)工作，而CPU 不工作；第三種：同時(shí)對(duì)低功耗的電池供電來說也是最重要的一種，就是停機(jī)模式。停機(jī)模式下設(shè)備完全停止功耗。假如定義等待模式和停機(jī)模式為空閑模式，則：
I 平均=（t 工作×I 工作+t 空閑×I 空閑）/（t 工作+t 空閑）
可以想象，CPU 在全速運(yùn)行的時(shí)候比在等待或者停機(jī)的時(shí)候消耗的功率大得多。省電的原則就是讓正常運(yùn)行模式遠(yuǎn)比空閑模式少占用時(shí)間。也就是說，我們可以通過設(shè)置使CPU 盡可能工作在空閑狀態(tài)，然后通過相應(yīng)的中斷喚醒CPU，恢復(fù)到正常工作模式，處理響應(yīng)的事件，然后再進(jìn)入空閑模式。
但是，工作在不同模式下，切忌頻繁切換。因?yàn)樵趩?dòng)期間，一直到振蕩器穩(wěn)定下來之前，CPU 即使是空閑的也會(huì)耗能。
其他外設(shè)部分：鍵盤掃描部分正常情況下連續(xù)掃描，在長(zhǎng)時(shí)間都沒有輸入時(shí)，可以將用較慢的掃描模式，一旦出現(xiàn)用戶輸入，系統(tǒng)立即進(jìn)入有效掃描模式。同理，顯示屏也可以通過動(dòng)態(tài)調(diào)整的方式，適時(shí)改變背光、亮度等參數(shù)達(dá)到省電的目的。
適時(shí)關(guān)閉/ 打開各功能模塊或電路部分。一般來講，電路各功能模塊可能不需要同時(shí)工作，將不同的功能模塊分別進(jìn)行控制，從而動(dòng)態(tài)的控制各部分供電分配。例如：在不需要串口輸出時(shí)將串口芯片電源斷電，從而降低一部分功耗；CPU內(nèi)部有各種功能模塊，像Silicon Labs 8051F 提供了ADC、DAC 等功能模塊，但這些模塊在設(shè)計(jì)中可能不需要同時(shí)工作，通過設(shè)置寄存器可以有選擇地關(guān)閉不需要的功能模塊，以達(dá)到節(jié)省電的目的，比如適時(shí)通過相應(yīng)寄存器的設(shè)置關(guān)閉ADC，則可以節(jié)省近1mA 的電流，如表1 所示。
1.3 接口電路的低功耗設(shè)計(jì)
接口電路的低功耗設(shè)計(jì)中，除了考慮選用靜態(tài)電流較低的外圍芯片外，還應(yīng)該考慮a.輸出引腳上拉電阻/ 下拉電阻的配置，例如：在一個(gè)3.3V 的系統(tǒng)里用3.3KΩ 為上拉電阻，當(dāng)輸出為“0”的時(shí)候，其電流消耗就為1mA，所以在能夠正常驅(qū)動(dòng)后級(jí)的情況下，應(yīng)該盡可能選取更大的阻值。另外，當(dāng)一個(gè)信號(hào)在多數(shù)情況下時(shí)為低的時(shí)候，我們也可以考慮用下拉電阻以節(jié)省功耗。b.由于模擬輸入提供了高阻抗?fàn)顟B(tài)，消耗電流很小。所以只要可能，就盡量把復(fù)用的I/O 引腳配置成模擬輸入。
2. 提高儀表電能利用率
2.1 電源供給電路
在對(duì)功耗要求嚴(yán)格的情況下，就必須仔細(xì)考慮采用何種電壓變換方式。通常有：
線性穩(wěn)壓(Linear Regulator) 包括LDO(LowDrop- Out)；以及DC to DC。
對(duì)于線性穩(wěn)壓來說，其特點(diǎn)時(shí)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需元件數(shù)量少，但其致命弱點(diǎn)就是效率低，功耗高。假設(shè)采用LM7805，輸入12V，輸出電壓為5V，壓差為7V，輸出的電流為0.2A 的情況下，我們可以計(jì)算出消費(fèi)在線性穩(wěn)壓器上的功率為P=ΔV ×IOUT=7 ×0.2=1.4w， 效率僅為η ＝5/12=41.7%，由這個(gè)結(jié)果我們可以看出，有一大半功率消耗在IC 本身上。
DC to DC 電路的特點(diǎn)是效率高，升降壓靈活，但缺點(diǎn)時(shí)電路相對(duì)復(fù)雜，干擾較大。一般常見的由Boost 和Buck 兩種電路，前者用于升壓，后者用于降壓。仍以從12V 轉(zhuǎn)換到5V 0.2A 負(fù)載為例，選用LINEAR 公司LT1776，如下圖1 所示，由轉(zhuǎn)換效率圖可見，當(dāng)輸入為12v，輸出為5v 時(shí)，轉(zhuǎn)換效率在80％以上，比線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換效率增加了一倍。
從上面的論述中我們可見，在適當(dāng)?shù)那闆r下使用DC- DC 的電壓轉(zhuǎn)換線路，可以有效地節(jié)約能量，降低整機(jī)功耗。
2.2 適當(dāng)改變電源的連接方式
為了使干電池能夠充分被利用，筆者曾經(jīng)做過這樣的電路，用戶要求儀表使用干電池，使用時(shí)間500 小時(shí)以上。我們采用2 組3 節(jié)電池并聯(lián)供電，當(dāng)電池電壓低于3.3V 時(shí)，再將兩組電池串聯(lián)起來，等電池電壓再次低于5.6V 時(shí)，電池基本上沒有電了。由于是小電流放電，串聯(lián)后還可以增加幾十小時(shí)的工作時(shí)間。
3．小結(jié)
對(duì)于稱重儀表而言，節(jié)能主要表現(xiàn)在：①選取合適的能源；②采用合適的元器件（如MCU）及電路工作方式；③選取合適工作電壓、系統(tǒng)運(yùn)行頻率并加以動(dòng)態(tài)管理；④選取合適的電源電路。當(dāng)然，這些方式可能以各種組合出現(xiàn)在稱重儀表設(shè)計(jì)中，從而，讓我們的儀表更加節(jié)能，更加有亮點(diǎn)。

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