本文簡(jiǎn)要介紹了節能的重要性，并著(zhù)重介紹了稱(chēng)重儀表中節能的幾種實(shí)現方式。

一、簡(jiǎn)介

目前，我國的能源利用率僅為33%,與世界 先進(jìn)水平相差10%,單位產(chǎn)品的能耗是世界先進(jìn) 水平的兩倍，主要產(chǎn)品的能耗比世界先進(jìn)水平高 出40%。為此，國家“十一五”規劃到2010年實(shí) 現萬(wàn)元GDP能耗降低20%,并減少10%的有害排 放。由此可見(jiàn)，節能減排是我國工業(yè)企業(yè)面臨的 重大課題。

對于稱(chēng)重儀表而言，節能不僅僅響應了國家 號召，為社會(huì )做出一份貢獻，而且也為自己的產(chǎn) 品增加了亮點(diǎn)。

我們可以把節能看成：

利用天然能源，如太陽(yáng)能等。

儀表自身降低損耗及提高電能利用率。

二、天然能源一太陽(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(lái)自于光的波 長(cháng)，陽(yáng)光或白熾燈的波長(cháng)較為適用。屬于“室內 型的非晶”太陽(yáng)能電池如果長(cháng)期拿到戶(hù)外曝曬， 有可能導致其損壞；反之，如果適合室外的太陽(yáng) 能電池如果用于室內，也不能達到期望的效果， 所以在選擇太陽(yáng)能電池時(shí)，要根據應用環(huán)境而定。

太陽(yáng)能板的規格除了外形尺寸之外，另有一 些特性數據，其中Voc=開(kāi)路電壓，Isc=短路電流， Vmp(Vop)=最大工作電壓，Imp(Iop)=最大工作電 流，Vmpx Imp=W瓦/(最大)功率。這些參數都是 在特定條件下測得的，實(shí)際應用中達不到標定值, 并且還要考慮天氣、季節等因素。所以，實(shí)際應 用一般用蓄電池作為備份電源。

目前在國外已經(jīng)出現用太陽(yáng)能供電的稱(chēng)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，目前國內用太陽(yáng)能供電的稱(chēng)重儀表 及整秤還很少見(jiàn)。

三、儀表自身參數

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，在數字集成電路設計中, CMOS電路的總功耗包括：

靜態(tài)功耗，如晶體管漏電，電路不工作時(shí) 也存在，與開(kāi)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，故暫不考慮；

動(dòng)態(tài)功耗，其粗略估算公式為：

P=CFV2

其中，C為負載電容；F為開(kāi)關(guān)頻率；V電源 電壓。

可見(jiàn)，電壓越高，時(shí)鐘頻率越快，則功率消 耗越大。所以，在能夠滿(mǎn)足功能正常的前提下, 盡可能選擇工作電壓低的器件。對于已經(jīng)選定的器件，盡可能降低供電電壓和工作頻率。

1.2系統動(dòng)態(tài)管理

所謂動(dòng)態(tài)管理就是在系統運行期間通過(guò)對系 統的運行頻率或電壓的動(dòng)態(tài)控制，以及各種不同 工作模式的切換來(lái)達到節省功耗的目的，這種動(dòng) 態(tài)控制是與系統的運行狀態(tài)密切相關(guān)的，這個(gè)工 作往往通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現。

選取合適的工作模式。

控制部分：現在很多CPU都有多種工作模式， 我們可以通過(guò)控制CPU進(jìn)入不同的模式來(lái)達到省 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：外設工 作,而CPU不工作；第三種：同時(shí)對低功耗的電 池供電來(lái)說(shuō)也是最重要的一種，就是停機模式。 停機模式下設備完全停止功耗。假如定義等待模 式和停機模式為空閑模式，則：

I平均=(f工作x I工作+t空閑x I空閑I (f工作+t空閑

可以想象，CPU在全速運行的時(shí)候比在等待 或者停機的時(shí)候消耗的功率大得多。省電的原則 就是讓正常運行模式遠比空閑模式少占用時(shí)間。 也就是說(shuō)，我們可以通過(guò)設置使CPU盡可能工作 在空閑狀態(tài)，然后通過(guò)相應的中斷喚醒CPU,恢 復到正常工作模式，處理響應的事件，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。 因為在啟動(dòng)期間，一直到振蕩器穩定下來(lái)之前， CPU即使是空閑的也會(huì )耗能。

其他外設部分：鍵盤(pán)掃描部分正常情況下連 續掃描，在長(cháng)時(shí)間都沒(méi)有輸入時(shí)，可以將用較慢 的掃描模式，一旦出現用戶(hù)輸入，系統立即進(jìn)入 有效掃描模式。同理，顯示屏也可以通過(guò)動(dòng)態(tài)調 整的方式，適時(shí)改變背光、亮度等參數達到省電 的目的。

適時(shí)關(guān)閉/打開(kāi)各功能模塊或電路部分。一般 來(lái)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，但這些模塊在設計中 可能不需要同時(shí)工作，通過(guò)設置寄存器可以有選 擇地關(guān)閉不需要的功能模塊，以達到節省電的目 的，比如適時(shí)通過(guò)相應寄存器的設置關(guān)閉ADC,

則可以節省近1mA的電流，如表1所示。 1.3接口電路的低功耗設計

表 1

接口電路的低功耗設計中，除了考慮選用靜 態(tài)電流較低的外圍芯片外，還應該考慮a.輸出引 腳上拉電阻/下拉電阻的配置，例如：在一個(gè) 3.3V的系統里用3.3KQ為上拉電阻，當輸出為 “0”的時(shí)候，其電流消耗就為1mA,所以在能夠 正常驅動(dòng)后級的情況下，應該盡可能選取更大的 阻值。另外，當一個(gè)信號在多數情況下時(shí)為低的 時(shí)候，我們也可以考慮用下拉電阻以節省功耗。b. 由于模擬輸入提供了高阻抗狀態(tài)，消耗電流很小。 所以只要可能，就盡量把復用的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

在對功耗要求嚴格的情況下，就必須仔細考 慮采用何種電壓變換方式。通常有：

線(xiàn)性穩壓(Linear Regulator)包括 LDO (Low Drop- Out);以及 DC to DC。

對于線(xiàn)性穩壓來(lái)說(shuō)，其特點(diǎn)時(shí)電路結構簡(jiǎn)單， 所需元件數量少，但其致命弱點(diǎn)就是效率低，功 耗高。假設采用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， 我們可以計算出消費在線(xiàn)性穩壓器上的功率為 P=A V x I0UT=7 x 0.2=1.4w,效率僅為 q = 5/12=41.7%,由這個(gè)結果我們可以看出，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)電路相對復雜，干擾較大。一般常 見(jiàn)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轉換到5V 0.2A負載 為例，選用LINEAR公司LT1776,如下圖1所示， 由轉換效率圖可見(jiàn)，當輸入為12v,輸出為5v時(shí)， 轉換效率在80%以上，比線(xiàn)性穩壓器轉換效率增 加了一倍。

從上面的論述中我們可見(jiàn)，在適當的情況下使用DC-DC的電壓轉換線(xiàn)路，可以有效地節約能 量，降低整機功耗。

2.2適當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(guò)這 樣的電路，用戶(hù)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節電池并聯(lián)供電，當電池電壓低于3.3V時(shí)，再將兩組電池串聯(lián)起 來(lái)，等電池電壓再次低于5.6V時(shí)，電池基本上沒(méi) 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

對于稱(chēng)重儀表而言，節能主要表現在：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、系統運 行頻率并加以動(dòng)態(tài)管理；④選取合適的電源電路。 當然，這些方式可能以各種組合出現在稱(chēng)重儀表 設計中，從而，讓我們的儀表更加節能，更加有亮點(diǎn)。