基于ARM的熱敏電阻溫度計(jì)的設(shè)計(jì)
[導(dǎo)讀]隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，熱敏電阻作為一種新型感溫元件應(yīng)用越來越廣泛。他具有體積小、靈敏度高、重量輕、熱慣性小、壽命長以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元器件的性價(jià)比不斷得到提高。本文采用32位的ARM7 TDMI-S微處理器核LPC2142為控制核心，利用其內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器和SPI接口來控制LED顯示驅(qū)動器MC14489進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)顯示。
1 引言
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，熱敏電阻作為一種新型感溫元件應(yīng)用越來越廣泛。他具有體積小、靈敏度高、重量輕、熱慣性小、壽命長以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。
傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度計(jì)硬件上大多采用普通單片機(jī)（MCS-51系列）+A/D轉(zhuǎn)換器以及LED顯示模塊構(gòu)成，分立元件多、功耗大、設(shè)計(jì)復(fù)雜且難以調(diào)試；軟件上也多采用冗長繁瑣的匯編語言來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)效率低、可移植性差、性能難以保證。
目前，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)高、低端并行發(fā)展的階段，其標(biāo)志就是32位微控制器的發(fā)展。ARM（Advanced RISC Machines）是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用比較廣泛的一種32位微處理器核，具有體積小、功耗低、集成度高、硬件調(diào)試方便和可移植操作系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。為智能儀器向輕便化、智能化、微機(jī)一體化等方向發(fā)展提供了必要條件。
由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元器件的性價(jià)比不斷得到提高。本文采用32位的ARM7 TDMI-S微處理器核LPC2142為控制核心，利用其內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器和SPI接口來控制LED顯示驅(qū)動器MC14489進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)顯示。
2 熱敏電阻溫度的轉(zhuǎn)換原理
熱敏電阻是溫度傳感器的一種，他由仿陶瓷半導(dǎo)體組成。熱敏電阻（NTC）不同于普通的電阻，他具有負(fù)的電阻溫度特性，即當(dāng)溫度升高時(shí)，其電阻值減小。圖1為熱敏電阻的特性曲線。 熱敏電阻的阻值～溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線，非線性較大，因此在使用時(shí)要進(jìn)行線性化處理。線性化處理雖然能夠改善熱敏電阻的特性曲線，但是比較復(fù)雜。為此，在要求不高的一般應(yīng)用中，常做出在一定的溫度范圍內(nèi)溫度與阻值成線性關(guān)系的假定，以簡化計(jì)算。使用熱敏電阻是為了感知溫度，給熱敏電阻通以恒定的電流，電阻兩端就可測到一個(gè)電壓，然后通過公式下面的公式可求得溫度：
T為被測溫度；T0為與熱敏電阻特性有關(guān)的溫度參數(shù)；K為與熱敏電阻特性有關(guān)的系數(shù)；VT為熱敏電阻兩端的電壓。
根據(jù)這一公式，如果能測得熱敏電阻兩端的電壓，再知道參數(shù)T0和K，則可以計(jì)算出熱敏電阻的環(huán)境溫度，也就是被測的溫度，這樣就把電阻隨溫度的變化關(guān)系轉(zhuǎn)化為電壓隨溫度變化的關(guān)系了。數(shù)字式電阻溫度計(jì)設(shè)計(jì)的主要工作，就是把熱敏電阻兩端電壓值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送到單片機(jī)中，然后通過軟件方法計(jì)算出溫度值，再進(jìn)行顯示、打印等處理。
3 硬件電路設(shè)計(jì)
在電子技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，一些功能強(qiáng)大的元器件價(jià)格不斷下降，使其性價(jià)比不斷得到提高，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。本文就是采用32位的ARM微處理器核LPC2142代替?zhèn)鹘y(tǒng)的805l單片機(jī)為控制核心，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和溫度實(shí)時(shí)顯示。圖2為整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。
熱敏電阻NTC串聯(lián)上一個(gè)普通電阻R，再接+5V電源，取RT兩端電壓，并送入微控制器LPC2142的AINl（P0．28引腳）通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換啟動方式以及轉(zhuǎn)換通道的選擇可通過設(shè)置ADC控制寄存器ADC0DR來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過一個(gè)同步、全雙工串行SPI接口輸出到LED顯示驅(qū)動器MCl4489進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)顯示。
3．1 ARM微控制器LPC2142簡介
ARM 7 TDMI-S核是通用的32位微處理器核，采用馮．諾依曼結(jié)構(gòu)，具有高性能和低功耗特性。ARM結(jié)構(gòu)是基于精簡指令集計(jì)算機(jī)（RISC）原理設(shè)計(jì)的，指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)要簡單得多。．ARM 7 TDMI-S處理器使用流水線技術(shù)，處理和存儲系統(tǒng)的所有部分都可以連續(xù)工作。這樣，使用一個(gè)小的、廉價(jià)的處理器核就可以非常容易地實(shí)現(xiàn)很高的吞吐量和實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)。
LPC2142是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的3Z／16位ARM7TDMI-s CPU的微控制器，內(nèi)嵌有64 kB的高速FLASH存儲器和16 kB的片內(nèi)SRAM。128位寬度的存儲器接口和獨(dú)特的加速器接口使32位代碼能夠在最高時(shí)鐘頻率下運(yùn)行，對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30％，而其性能的損失卻很小。
LPC2142內(nèi)部帶有一個(gè)10位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，其主要特性為：
（1）6個(gè)引腳復(fù)用為輸入腳；
（2）掉電模式；
（3）測量范圍O V～Vref通常為3 V，不超過VDDA電壓）；
（4）每個(gè)轉(zhuǎn)換器包含一個(gè)可編程分頻器，可將時(shí)鐘調(diào)整至逐次逼近轉(zhuǎn)換所需的4．5 MHz（最大）。這樣，10位轉(zhuǎn)換時(shí)間大于或等于4．55μs；
（5）一個(gè)或多個(gè)輸入的突發(fā)轉(zhuǎn)換模式；
（6）可選擇由直接啟動、輸入跳變或定時(shí)器匹配信號觸發(fā)轉(zhuǎn)換；
LPC2142內(nèi)部還擁有一個(gè)硬件SPI（Serial Peripheral Interface）接口。他是一個(gè)同步、全雙工串行接口，最大數(shù)據(jù)位速率為時(shí)鐘速率的1/8，可配置為主機(jī)或者從機(jī)。
3．2 LED顯示驅(qū)動管理芯片MC14489
MCl4489是美國MOTOROLA公司生產(chǎn)的串行接口LED顯示驅(qū)動管理芯片。其輸入端與系統(tǒng)主CPU之間只有3條I/0口線相聯(lián)，用來接收待顯示的串行數(shù)據(jù)。輸出端既可以直接驅(qū)動七段LED顯示器，也可以驅(qū)動指示燈。
MCl4489內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)接收/譯碼/掃描輸出/驅(qū)動顯示所需的全部電路，僅需要外接一具電流設(shè)定電阻就可以對LED的顯示高亮度進(jìn)行控制。每個(gè)MC14489芯片可以用以下任意一種顯示方式進(jìn)行顯示：5位LED數(shù)字加小數(shù)點(diǎn)顯示； 4位半數(shù)字加小數(shù)點(diǎn)帶符號顯示；25支指示燈顯示；5位半數(shù)字顯示。該芯片內(nèi)含的譯碼器電路可輸出七段格式的數(shù)字0～9，16進(jìn)制的字母A～F以及15個(gè)字母和符號。
圖2是用單片MC14489構(gòu)成一個(gè)5位LED顯示器的例子。由圖可知，用MC14489構(gòu)成顯示電路既不用加任何限流電阻，也不用附加反相或驅(qū)動電路，電路設(shè)計(jì)非常簡捷。
MC14489芯片采用特殊的設(shè)計(jì)技術(shù)，使其電源引腳在大電流工作的情況下仍具有最低的尖峰和較小的EMI（電磁交互干擾）。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
由前面熱敏電阻溫度轉(zhuǎn)換原理的簡述可知：熱敏電阻特性曲線是一條指數(shù)曲線，非線性度較大，又由于非線性處理比較復(fù)雜，在本文設(shè)計(jì)要求不是很高的情況下可以做以簡化來處理。
4．1 程序設(shè)計(jì)流程圖
限于篇幅，本文只給出程序設(shè)計(jì)的流程圖。整個(gè)程序的流程圖如圖3所示。
4．2 溫度計(jì)算程序
在公式T=T0－KVT中，系數(shù)值K是一個(gè)很小的數(shù)。為了方便計(jì)算，取擴(kuò)大256倍后的K值和VT作乘積，即256×K×VT。相乘后，對乘積只取高8位舍棄低8位，就可以抵消系數(shù)值K擴(kuò)大256倍的影響，得到正確的結(jié)果。
此外，從圖1中熱敏電阻的阻值一溫度特性曲線可以看出，在+10～150℃的溫度范圍內(nèi)，阻值與溫度的關(guān)系線性度較好。通常就把這個(gè)溫度范圍作為有效溫度范圍。當(dāng)溫度超出這個(gè)范圍時(shí)，用數(shù)碼管全部顯示F作為標(biāo)志。
由于有效溫度范圍沒有超過150℃，所以溫度顯示用3位數(shù)碼管，其顯示格式為：AD XXX其中，XXX為溫度值，圖2中的LED1和LED2只顯示字符A和D，后面三只數(shù)碼管LED3，LED4和LED5顯示溫度值。
5 結(jié)語
采用SPI串行接口和MCl4489管理芯片來構(gòu)成智能化儀器儀表的顯示驅(qū)動電路可使系統(tǒng)的性能價(jià)格比獲得大幅度的提高。本文在要求精度不是很高的情況下，將熱敏電阻的特性做了簡單化線形處理，并利用本文的設(shè)計(jì)電路對+10～150℃范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行了測量，達(dá)到了良好效果。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中需要注意的問題有以下幾點(diǎn)：
（1）LPC2142微控制器具有獨(dú)立的模擬電源引腳VDDA，USSA，為了降低噪聲和出錯(cuò)幾率，模擬電源與數(shù)字電源應(yīng)當(dāng)用一個(gè)10μH的電感進(jìn)行隔離。
（2）A/D轉(zhuǎn)換參考電壓Vref的選擇要滿足測量精度的需要。如果想提高A/D轉(zhuǎn)換精度，一般均采用基準(zhǔn)源芯片來提供參考電壓。TL431是一個(gè)具有良好熱穩(wěn)定性能的、低噪聲的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源（溫度系數(shù)為30×10-6/℃）。本文就是采用該基準(zhǔn)源芯片來提供參考電壓。
（3）由于本系統(tǒng)中LPC2142微控制器作為SPI主機(jī)來使用，故其P0．7引腳SSEL要接一個(gè)10 kΩ的上拉電阻。
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，熱敏電阻作為一種新型感溫元件應(yīng)用越來越廣泛。他具有體積小、靈敏度高、重量輕、熱慣性小、壽命長以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。
傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度計(jì)硬件上大多采用普通單片機(jī)（MCS-51系列）+A/D轉(zhuǎn)換器以及LED顯示模塊構(gòu)成，分立元件多、功耗大、設(shè)計(jì)復(fù)雜且難以調(diào)試；軟件上也多采用冗長繁瑣的匯編語言來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)效率低、可移植性差、性能難以保證。
目前，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)高、低端并行發(fā)展的階段，其標(biāo)志就是32位微控制器的發(fā)展。ARM（Advanced RISC Machines）是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用比較廣泛的一種32位微處理器核，具有體積小、功耗低、集成度高、硬件調(diào)試方便和可移植操作系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。為智能儀器向輕便化、智能化、微機(jī)一體化等方向發(fā)展提供了必要條件。
由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元器件的性價(jià)比不斷得到提高。本文采用32位的ARM7 TDMI-S微處理器核LPC2142為控制核心，利用其內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器和SPI接口來控制LED顯示驅(qū)動器MC14489進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)顯示。
2 熱敏電阻溫度的轉(zhuǎn)換原理
熱敏電阻是溫度傳感器的一種，他由仿陶瓷半導(dǎo)體組成。熱敏電阻（NTC）不同于普通的電阻，他具有負(fù)的電阻溫度特性，即當(dāng)溫度升高時(shí)，其電阻值減小。圖1為熱敏電阻的特性曲線。 熱敏電阻的阻值～溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線，非線性較大，因此在使用時(shí)要進(jìn)行線性化處理。線性化處理雖然能夠改善熱敏電阻的特性曲線，但是比較復(fù)雜。為此，在要求不高的一般應(yīng)用中，常做出在一定的溫度范圍內(nèi)溫度與阻值成線性關(guān)系的假定，以簡化計(jì)算。使用熱敏電阻是為了感知溫度，給熱敏電阻通以恒定的電流，電阻兩端就可測到一個(gè)電壓，然后通過公式下面的公式可求得溫度：
T為被測溫度；T0為與熱敏電阻特性有關(guān)的溫度參數(shù)；K為與熱敏電阻特性有關(guān)的系數(shù)；VT為熱敏電阻兩端的電壓。
根據(jù)這一公式，如果能測得熱敏電阻兩端的電壓，再知道參數(shù)T0和K，則可以計(jì)算出熱敏電阻的環(huán)境溫度，也就是被測的溫度，這樣就把電阻隨溫度的變化關(guān)系轉(zhuǎn)化為電壓隨溫度變化的關(guān)系了。數(shù)字式電阻溫度計(jì)設(shè)計(jì)的主要工作，就是把熱敏電阻兩端電壓值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送到單片機(jī)中，然后通過軟件方法計(jì)算出溫度值，再進(jìn)行顯示、打印等處理。
3 硬件電路設(shè)計(jì)
在電子技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，一些功能強(qiáng)大的元器件價(jià)格不斷下降，使其性價(jià)比不斷得到提高，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。本文就是采用32位的ARM微處理器核LPC2142代替?zhèn)鹘y(tǒng)的805l單片機(jī)為控制核心，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和溫度實(shí)時(shí)顯示。圖2為整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。
熱敏電阻NTC串聯(lián)上一個(gè)普通電阻R，再接+5V電源，取RT兩端電壓，并送入微控制器LPC2142的AINl（P0．28引腳）通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換啟動方式以及轉(zhuǎn)換通道的選擇可通過設(shè)置ADC控制寄存器ADC0DR來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過一個(gè)同步、全雙工串行SPI接口輸出到LED顯示驅(qū)動器MCl4489進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)顯示。
3．1 ARM微控制器LPC2142簡介
ARM 7 TDMI-S核是通用的32位微處理器核，采用馮．諾依曼結(jié)構(gòu)，具有高性能和低功耗特性。ARM結(jié)構(gòu)是基于精簡指令集計(jì)算機(jī)（RISC）原理設(shè)計(jì)的，指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)要簡單得多。．ARM 7 TDMI-S處理器使用流水線技術(shù)，處理和存儲系統(tǒng)的所有部分都可以連續(xù)工作。這樣，使用一個(gè)小的、廉價(jià)的處理器核就可以非常容易地實(shí)現(xiàn)很高的吞吐量和實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)。
LPC2142是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的3Z／16位ARM7TDMI-s CPU的微控制器，內(nèi)嵌有64 kB的高速FLASH存儲器和16 kB的片內(nèi)SRAM。128位寬度的存儲器接口和獨(dú)特的加速器接口使32位代碼能夠在最高時(shí)鐘頻率下運(yùn)行，對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30％，而其性能的損失卻很小。
LPC2142內(nèi)部帶有一個(gè)10位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，其主要特性為：
（1）6個(gè)引腳復(fù)用為輸入腳；
（2）掉電模式；
（3）測量范圍O V～Vref通常為3 V，不超過VDDA電壓）；
（4）每個(gè)轉(zhuǎn)換器包含一個(gè)可編程分頻器，可將時(shí)鐘調(diào)整至逐次逼近轉(zhuǎn)換所需的4．5 MHz（最大）。這樣，10位轉(zhuǎn)換時(shí)間大于或等于4．55μs；
（5）一個(gè)或多個(gè)輸入的突發(fā)轉(zhuǎn)換模式；
（6）可選擇由直接啟動、輸入跳變或定時(shí)器匹配信號觸發(fā)轉(zhuǎn)換；
LPC2142內(nèi)部還擁有一個(gè)硬件SPI（Serial Peripheral Interface）接口。他是一個(gè)同步、全雙工串行接口，最大數(shù)據(jù)位速率為時(shí)鐘速率的1/8，可配置為主機(jī)或者從機(jī)。
3．2 LED顯示驅(qū)動管理芯片MC14489
MCl4489是美國MOTOROLA公司生產(chǎn)的串行接口LED顯示驅(qū)動管理芯片。其輸入端與系統(tǒng)主CPU之間只有3條I/0口線相聯(lián)，用來接收待顯示的串行數(shù)據(jù)。輸出端既可以直接驅(qū)動七段LED顯示器，也可以驅(qū)動指示燈。
MCl4489內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)接收/譯碼/掃描輸出/驅(qū)動顯示所需的全部電路，僅需要外接一具電流設(shè)定電阻就可以對LED的顯示高亮度進(jìn)行控制。每個(gè)MC14489芯片可以用以下任意一種顯示方式進(jìn)行顯示：5位LED數(shù)字加小數(shù)點(diǎn)顯示； 4位半數(shù)字加小數(shù)點(diǎn)帶符號顯示；25支指示燈顯示；5位半數(shù)字顯示。該芯片內(nèi)含的譯碼器電路可輸出七段格式的數(shù)字0～9，16進(jìn)制的字母A～F以及15個(gè)字母和符號。
圖2是用單片MC14489構(gòu)成一個(gè)5位LED顯示器的例子。由圖可知，用MC14489構(gòu)成顯示電路既不用加任何限流電阻，也不用附加反相或驅(qū)動電路，電路設(shè)計(jì)非常簡捷。
MC14489芯片采用特殊的設(shè)計(jì)技術(shù)，使其電源引腳在大電流工作的情況下仍具有最低的尖峰和較小的EMI（電磁交互干擾）。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
由前面熱敏電阻溫度轉(zhuǎn)換原理的簡述可知：熱敏電阻特性曲線是一條指數(shù)曲線，非線性度較大，又由于非線性處理比較復(fù)雜，在本文設(shè)計(jì)要求不是很高的情況下可以做以簡化來處理。
4．1 程序設(shè)計(jì)流程圖
限于篇幅，本文只給出程序設(shè)計(jì)的流程圖。整個(gè)程序的流程圖如圖3所示。
4．2 溫度計(jì)算程序
在公式T=T0－KVT中，系數(shù)值K是一個(gè)很小的數(shù)。為了方便計(jì)算，取擴(kuò)大256倍后的K值和VT作乘積，即256×K×VT。相乘后，對乘積只取高8位舍棄低8位，就可以抵消系數(shù)值K擴(kuò)大256倍的影響，得到正確的結(jié)果。
此外，從圖1中熱敏電阻的阻值一溫度特性曲線可以看出，在+10～150℃的溫度范圍內(nèi)，阻值與溫度的關(guān)系線性度較好。通常就把這個(gè)溫度范圍作為有效溫度范圍。當(dāng)溫度超出這個(gè)范圍時(shí)，用數(shù)碼管全部顯示F作為標(biāo)志。
由于有效溫度范圍沒有超過150℃，所以溫度顯示用3位數(shù)碼管，其顯示格式為：AD XXX其中，XXX為溫度值，圖2中的LED1和LED2只顯示字符A和D，后面三只數(shù)碼管LED3，LED4和LED5顯示溫度值。
5 結(jié)語
采用SPI串行接口和MCl4489管理芯片來構(gòu)成智能化儀器儀表的顯示驅(qū)動電路可使系統(tǒng)的性能價(jià)格比獲得大幅度的提高。本文在要求精度不是很高的情況下，將熱敏電阻的特性做了簡單化線形處理，并利用本文的設(shè)計(jì)電路對+10～150℃范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行了測量，達(dá)到了良好效果。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中需要注意的問題有以下幾點(diǎn)：
（1）LPC2142微控制器具有獨(dú)立的模擬電源引腳VDDA，USSA，為了降低噪聲和出錯(cuò)幾率，模擬電源與數(shù)字電源應(yīng)當(dāng)用一個(gè)10μH的電感進(jìn)行隔離。
（2）A/D轉(zhuǎn)換參考電壓Vref的選擇要滿足測量精度的需要。如果想提高A/D轉(zhuǎn)換精度，一般均采用基準(zhǔn)源芯片來提供參考電壓。TL431是一個(gè)具有良好熱穩(wěn)定性能的、低噪聲的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源（溫度系數(shù)為30×10-6/℃）。本文就是采用該基準(zhǔn)源芯片來提供參考電壓。
（3）由于本系統(tǒng)中LPC2142微控制器作為SPI主機(jī)來使用，故其P0．7引腳SSEL要接一個(gè)10 kΩ的上拉電阻。
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