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基于ARM的热敏电阻温度计的设计


《现代电子技术》 2007 年第 8 期总第 247 期

  嵌入式与单片机

基于 ARM 的热敏电阻温度计的设计
杨伟涛1 ,2 ,苗风东2 ,3 ,倪邦发1
( 1. 中国原子能科学研究院   北京   102413 ;2. 成都理工大学   四川 成都   610059 ;3. 安阳师范学院   河南 安阳  

455000)

摘   : 采用 SPI 串行接口和 MC14489 管理芯片来构成智能化仪器仪表的显示驱动电路可使系统的性能价格比获得大 要 幅度的提高 。根据热敏电阻的物理特性并结合嵌入式单片机的功能特点 , 介绍了一种基于 A RM7 L PC2142 微控制器为核 心 ,利用其内部自带的 A/ D 转换器和 SPI 串行接口来控制 L ED 显示驱动器 MC14489 进行温度实时显示的智能热敏电阻温 度计的设计 。主要从硬件设计 、 软件调试两个方面做了详细阐述 。并利用设计的电路对 + 10 ~ 150 ℃ 范围内的温度进行了 测量 ,达到了良好效果 。 关键词 : SPI 串行接口 ;MC14489 ;ARM ; 热敏电阻 中图分类号 : TP271       文献标识码 :B       文章编号 :1004 373X(2007) 08 059 03

Design of Thermal Resister Thermometer Based on ARM
YAN G Weitao 1 ,2 ,MIAO Fengdong2 ,3 ,N I Bangfa 1
(1. China Institute of Atomic Energy ,Beijing ,102413 ,China ;2. Chengdu University of Technology ,Chengdu ,610059 ,China ; 3. Anyang Teachers College ,Anyang ,455000 ,China)

Abstract : U sing t he SPI serial interface and t he MC14489 management chip constit ute t he intellect ualized inst rument pared to o btain t he large scale enhancement . This article acco rding to t he p hysical p roperty of t he t hermal resistor and t he f unction of embeded single chip microco mp uter ,int roduces a kind of micro co nt roller using t he A/ D switch and t he SPI serial interface based on A RM7 L PC2142 fo r t he nuclear indignation , which interior brings co nt rol L ED demo nst ration driver measuring appliance ,t he demonst ration act uatio n elect ric circuit to be po ssible to cause t he systems performance p rice co m2 MC14489 to carry on t he temperat ure real2time display t he intelligent t hermistor t hermo meter design. Mainly f rom t he hard2 Keywords : SPI serial interface ;MC14489 ;ARM ;t hermal resistor

ware design ,software debug to make t he detailed elabo ration. And t he designed elect ric circuit has carried on t he survey to 10

~150 ℃ scopes temperat ure ,has achieved t he good effect .

1    引 言

轻便化 、 智能化 、 微机一体化等方向发展提供了必要条件 。 由于电子技术的飞速发展 ,电子元器件的性价比不断 得到提高 。本文采用 32 位的 ARM7 TDMI2S 微处理器核
SPI 接口来控制 L ED 显示驱动器 MC14489 进行温度的实

随着半导体技术的不断发展 , 热敏电阻作为一种新型

感温元件应用越来越广泛 。他具有体积小 、 灵敏度高 、 重 量轻 、 热惯性小 、 寿命长以及价格便宜等优点 。 传统的热敏电阻温度计硬件上大多采用普通单片机

L PC2142 为控制核心 , 利用其内部自带的 A/ D 转换器和

时显示 。

分立元件多 、 功耗大 、 设计复杂且难以调试 ; 软件上也多采 性能难以保证 。

用冗长繁琐的汇编语言来实现 ,设计效率低 、 可移植性差 、 目前 ,嵌入式系统的应用已经进入到一个高 、 低端并

行发展的阶段 ,其标志就是 32 位微控制器的发展 。ARM

的一种 32 位微处理器核 ,具有体积小 、 功耗低 、 集成度高 、 硬件调试方便和可移植操作系统等优点 。为智能仪器向
收稿日期 :2006 06 28

( MCS251 系列) + A/ D 转换器以及 L ED 显示模块构成 ,

2  热敏电阻温度的转换原理

热敏电阻是温度传感器的一种 ,他由仿陶瓷半导体组

成 。热敏电阻 ( N TC) 不同于普通的电阻 , 他具有负的电阻 温度特性 , 即当温度升高时 , 其电阻值减小 。图 1 为热敏 电阻的特性曲线 。 热敏电阻的阻值 — 温度特性曲线是一条指数曲线 , 非

( Advanced RISC Machines ) 是嵌入式系统应用比较广泛

线性较大 , 因此在使用时要进行线性化处理 。线性化处理 虽然能够改善热敏电阻的特性曲线 , 但是比较复杂 。为 此 , 在要求不高的一般应用中 , 常做出在一定的温度范围 内温度与阻值成线性关系的假定 ,以简化计算 。使用热敏 59

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嵌入式技术

杨伟涛等 : 基于 A RM 的热敏电阻温度计的设计
源 , 取 R T 两端电压 , 并送入微控制器 L PC2142 的 AIN1 换通道的选择可通过设置 ADC 控制寄存器 ADC0DR 来
T = T0 - KV
T

电阻是为了感知温度 , 给热敏电阻通以恒定的电流 , 电阻 两端就可测到一个电压 ,然后通过公式下面的公式可求得 温度 :

实现 。转换的结果通过一个同步 、 全双工串行 SPI 接口输 出到 L ED 显示驱动器 MC14489 进行温度的实时显示 。 3. 1   RM 微控制器 L PC2142 简介 A

   T 为被测温度 ; T0 为与热敏电阻特性有关的温度参 数 ; K 为与热敏电阻特性有关的系数 ;V T 为热敏电阻两端 的电压 。

冯? 诺依曼结构 , 具有高性能和低功耗特性 。ARM 结构 是基于精简指令集计算机 ( RISC) 原理设计的 , 指令集和 相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多 。ARM
7 TDMI2S 处理器使用流水线技术 , 处理和存储系统的所

有部分都可以连续工作 。这样 , 使用一个小的 、 廉价的处 理器核就可以非常容易地实现很高的吞吐量和实时的中 断响应 。
L PC2142 是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的

图 1  热每电阻温度特性

根据这一公式 , 如果能测得热敏电阻两端的电压 , 再 知道参数 T0 和 K , 则可以计算出热敏电阻的环境温度 ,也 就是被测的温度 ,这样就把电阻随温度的变化关系转化为 电压随温度变化的关系了 。数字式电阻温度计设计的主 要工作 ,就是把热敏电阻两端电压值经过 A/ D 转换成数 字量送到单片机中 , 然后通过软件方法计算出温度值 , 再 进行显示 、 打印等处理 。 3  硬件电路设计 在电子技术迅猛发展的今天 , 一些功能强大的元器件 价格不断下降 , 使其性价比不断得到提高 , 应用领域越来 越 广 泛 。本 文 就 是 采 用 32 位 的 ARM 微 处 理 器 核
L PC2142 代替传统的 8051 单片机为控制核心 , 进行 A/ D

转换和温度实时显示 。图 2 为整个系统的结构原理图 。

L ED 显示驱动管理芯片 。其输入端与系统主 CPU 之间只

图2  系统原理图

热敏电阻 N TC 串联上一个普通电阻 R , 再接 + 5 V 电 60

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32/ 16 位 ARM7 TDMI2S CPU 的微控制器 , 内嵌有 64 kB

的高速 FL AS H 存储器和 16 kB 的片内 SRAM 。128 位宽 度的存储器接口和独特的加速器接口使 32 位代码能够在 最高时钟频率下运行 ,对代码规模有严格控制的应用可使 用 16 位 Thumb 模式将代码规模降低超过 30 % ,而其性能 的损失却很小 。
L PC2142 内部带有一个 10 位逐次逼近式 A/ D 转换 ( 1) 6 个引脚复用为输入脚 ; ( 2) 掉电模式 ;

器 , 其主要特性为 :

压) ;

整至逐次逼近转换所需的 41 5 M Hz ( 最大) 。这样 ,10 位 转换时间大于或等于 41 55 μs ;
( 5) 一个或多个输入的突发转换模式 ; ( 6) 可选择由直接启动 、 输入跳变或定时器匹配信号

触发转换 ;

Interface) 接口 。他是一个同步 、 全双工串行接口 , 最大数

据位速率为时钟速率的 1/ 8 ,可配置为主机或者从机 。 3. 2   ED 显示驱动管理芯片 MC14489 L

有 3 条 I/ O 口线相联 ,用来接收待显示的串行数据 。输出 端既可以直接驱动七段 L ED 显示器 , 也可以驱动指示灯 。
MC14489 内部集成了数据接收/ 译码/ 扫描输出/ 驱

动显示所需的全部电路 ,仅需要外接一具电流设定电阻就 可以对 L ED 的显示高亮度进行控制 。每个 MC14489 芯 片可以用以下任意一种显示方式进行显示 :5 位 L ED 数字 加小数点显示 ;4 位半数字加小数点带符号显示 ;25 支指

( P01 28 引脚) 通道进行 A/ D 转换 。转换启动方式以及转 L PC2142 内部还拥有一个硬件 SPI ( Serial Perip heral ARM 7 TDMI2S 核是通用的 32 位微处理器核 , 采用 ( 3) 测量范围 0 V ~ V ref ( 通常为 3 V , 不超过 V DDA 电 ( 4) 每个转换器包含一个可编程分频器 , 可将时钟调 MC14489 是美国 MO TOROL A 公司生产的串行接口
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示灯显示 ;5 位半数字显示 。该芯片内含的译码器电路可 输出七段格式的数字 0 ~ 9 , 16 进制的字母 A ~ F 以及
15 个字母和符号 。

  嵌入式与单片机
   此外 , 从图 1 中热敏电阻的阻值 — 温度特性曲线可以 看出 , 在 + 10 ~ 150 ℃的温度范围内 , 阻值与温度的关系 线性度较好 。通常就把这个温度范围作为有效温度范围 。 当温度超出这个范围时 ,用数码管全部显示 F 作为标志 。 由于有效温度范围没有超过 150 ℃, 所以温度显示用
3 位数码管 , 其显示格式为 : AD XXX 其中 , XXX 为温度

图 2 是用单片 MC14489 构成一个 5 位 L ED 显示器 的例子 。由图可知 , 用 MC14489 构成显示电路既不用加 任何限流电阻 , 也不用附加反相或驱动电路 , 电路设计非 常简捷 。
MC14489 芯片采用特殊的设计技术 , 使其电源引脚

值 , 图 2 中的 L ED1 和 L ED2 只显示字符 A 和 D , 后面三 只数码管 L ED3 ,L ED4 和 L ED5 显示温度值 。 5    结 语 采用 SPI 串行接口和 MC14489 管理芯片来构成智能 化仪器仪表的显示驱动电路可使系统的性能价格比获得 大幅度的提高 。本文在要求精度不是很高的情况下 , 将热 敏电阻的特性做了简单化线形处理 ,并利用本文的设计电 路对 + 10 ~150 ℃ 范围内的温度进行了测量 , 达到了良好 效果 。在整个设计过程中需要注意的问题有以下几点 :
( 1) L PC2142 微 控 制器 具有 独 立的 模 拟电 源引 脚
V DDA ,V SSA ,为了降低噪声和出错几率 , 模拟电源与数字电

在大电流工作的情况下仍具有最低的尖峰和较小的 EMI
( 电磁交互干扰) 。

4  系统软件设计 由前面热敏电阻温度转换原理的简述可知 : 热敏电阻 特性曲线是一条指数曲线 , 非线性度较大 , 又由于非线性 处理比较复杂 ,在本文设计要求不是很高的情况下可以做 以简化来处理 。 4. 1   程序设计流程图 限于篇幅 ,本文只给出程序设计的流程图 。整个程序 的流程图如图 3 所示 。

源应当用一个 10 μH 的电感进行隔离 。
( 2) A/ D 转换参考电压 V ref 的选择要满足测量精度的

需要 。如果想提高 A/ D 转换精度 , 一般均采用基准源芯 片来提供参考电压 。TL431 是一个具有良好热稳定性能 的、 噪 声 的 三 端 可 调 分 流 基 准 源 ( 温 度 系 数 为 低
- 6 ) 30 × 10 / ℃ 。本文 就 是 采 用 该 基 准 源 芯 片 来 提 供 参

考电压 。
( 3) 由于本系统中 L PC2142 微控制器作为 SPI 主机

图3  软件系统流程图

4. 2   温度计算程序 在公式 T = T0 - KV T 中 , 系数值 K 是一个很小的数 。 为了方便计算 , 取扩大 256 倍后的 K 值和 V T 作乘积 , 即
256 × K × T 。 V 相乘后 , 对乘积只取高 8 位舍弃低 8 位 , 就可

以抵消系数值 K 扩大 256 倍的影响 , 得到正确的结果 。

作者简介   杨伟涛   ,1979 年出生 ,河北定州人 ,北京原子能科学研究院与成都理工大学联合培养硕士研究生 。主要从事智能 男 核仪器研究 。 教学与研究 。 苗风东   ,1976 年出生 ,山东德州人 ,安阳师范学院助教 ,现为成都理工大学硕士研究生 。主要从事 EDA 及自动化 男

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来使用 , 故其 P01 7 引脚 SSEL 要接 一个 10 kΩ 的上 拉 电阻 。
参      考 文 献
[ 1 ] 周立功 . A RM 嵌入式系统基础教程 [ M ]. 北京 : 北京航空航

天大学出版社 ,2005.

[ 2 ] [ 美 ] 沃尔瓦诺 . 嵌入式计算机系统实时接口技术 [ M ] . 李

曦 ,周学海 ,译 . 北京 : 机械工业出版社 ,2003.

[ 3 ] 周 立 功 , 张 华 . 深 入 浅 出 A RM72L PC213X/ 214X ( 上 册 ) [ M ] . 北京 : 北京航空航天大学出版社 ,2005. [ M ] . 北京 : 北京航空航天大学出版社 ,2006. [ 4 ] 周 立 功 , 张 华 . 深 入 浅 出 A RM72L PC213X/ 214X ( 下 册 )

[ 5 ] 杨振江 ,孙占彪 . 智能仪器与数据采集系统中的新器件及应

用 [ M ] . 西安 : 西安电子科技大学出版社 ,2001.

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