基于ARM7TDMI-S微處理器LPC2142的熱敏電阻溫度計的設計

　　傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度計硬件上大多采用普通單片機(MCS-51系列)+A/D轉(zhuǎn)換器以及LED顯示模塊構成，分立元件多、功耗大、設計復雜且難以調(diào)試；軟件上也多采用冗長繁瑣的匯編語言來實現(xiàn)，設計效率低、可移植性差、性能難以保證。

　　目前，嵌入式系統(tǒng)的應用已經(jīng)進入到一個高、低端并行發(fā)展的階段，其標志就是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。為智能儀器向輕便化、智能化、微機一體化等方向發(fā)展提供了必要條件。

　　由于電子技術的飛速發(fā)展，電子元器件的性價比不斷得到提高。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進行溫度的實時顯示。

　　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，他由仿陶瓷半導體組成。熱敏電阻(NTC)不同于普通的電阻，他具有負的電阻溫度特性，即當溫度升高時，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，因此在使用時要進行線性化處理。線性化處理雖然能夠改善熱敏電阻的特性曲線，但是比較復雜。為此，在要求不高的一般應用中，常做出在一定的溫度范圍內(nèi)溫度與阻值成線性關系的假定，以簡化計算。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的溫度參數(shù)；K為與熱敏電阻特性有關的系數(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系轉(zhuǎn)化為電壓隨溫度變化的關系了。數(shù)字式電阻溫度計設計的主要工作，就是把熱敏電阻兩端電壓值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送到單片機中，然后通過軟件方法計算出溫度值，再進行顯示、打印等處理。
　　3硬件電路設計

　　在電子技術迅猛發(fā)展的今天，一些功能強大的元器件價格不斷下降，使其性價比不斷得到提高，應用領域越來越廣泛。本文就是采用32位的ARM微處理器核LPC2142代替?zhèn)鹘y(tǒng)的805l單片機為控制核心，進行A/D轉(zhuǎn)換和溫度實時顯示。圖2為整個系統(tǒng)的結構原理圖。

　　熱敏電阻NTC串聯(lián)上一個普通電阻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置ADC控制寄存器ADC0DR來實現(xiàn)。轉(zhuǎn)換的結果通過一個同步、全雙工串行SPI接口輸出到LED顯示驅(qū)動器MCl4489進行溫度的實時顯示。
　　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．諾依曼結構，具有高性能和低功耗特性。ARM結構是基于精簡指令集計算機(RISC)原理設計的，指令集和相關的譯碼機制比復雜指令集計算機要簡單得多。．ARM 7 TDMI-S處理器使用流水線技術，處理和存儲系統(tǒng)的所有部分都可以連續(xù)工作。這樣，使用一個小的、廉價的處理器核就可以非常容易地實現(xiàn)很高的吞吐量和實時的中斷響應。

　　LPC2142是基于一個支持實時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特的加速器接口使32位代碼能夠在最高時鐘頻率下運行，對代碼規(guī)模有嚴格控制的應用可使用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10位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，其主要特性為：

　　(1)6個引腳復用為輸入腳；

　　(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)每個轉(zhuǎn)換器包含一個可編程分頻器，可將時鐘調(diào)整至逐次逼近轉(zhuǎn)換所需的4．5 MHz(最大)。這樣，10位轉(zhuǎn)換時間大于或等于4．55μs；

　　(5)一個或多個輸入的突發(fā)轉(zhuǎn)換模式；

　　(6)可選擇由直接啟動、輸入跳變或定時器匹配信號觸發(fā)轉(zhuǎn)換；

　　LPC2142內(nèi)部還擁有一個硬件SPI(Serial Peripheral Interface)接口。他是一個同步、全雙工串行接口，最大數(shù)據(jù)位速率為時鐘速率的1/8，可配置為主機或者從機。

　　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定電阻就可以對LED的顯示高亮度進行控制。每個MC14489芯片可以用以下任意一種顯示方式進行顯示：5位LED數(shù)字加小數(shù)點顯示； 4位半數(shù)字加小數(shù)點帶符號顯示；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進制的字母A～F以及15個字母和符號。

　　圖2是用單片MC14489構成一個5位LED顯示器的例子。由圖可知，用MC14489構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，電路設計非常簡捷。

　　MC14489芯片采用特殊的設計技術，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)軟件設計

　　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雜，在本文設計要求不是很高的情況下可以做以簡化來處理。

　　4．1程序設計流程圖

　　限于篇幅，本文只給出程序設計的流程圖。整個程序的流程圖如圖3所示。

　　4．2溫度計算程序

　　在公式T=T0－KVT中，系數(shù)值K是一個很小的數(shù)。為了方便計算，取擴大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擴大256倍的影響，得到正確的結果。

　　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)，阻值與溫度的關系線性度較好。通常就把這個溫度范圍作為有效溫度范圍。當溫度超出這個范圍時，用數(shù)碼管全部顯示F作為標志。

　　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 語

　　采用SPI串行接口和MCl4489管理芯片來構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，并利用本文的設計電路對+10～150℃范圍內(nèi)的溫度進行了測量，達到了良好效果。在整個設計過程中需要注意的問題有以下幾點：

　　(1)LPC2142微控制器具有獨立的模擬電源引腳VDDA，USSA，為了降低噪聲和出錯幾率，模擬電源與數(shù)字電源應當用一個10μH的電感進行隔離。

　　(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，一般均采用基準源芯片來提供參考電壓。TL431是一個具有良好熱穩(wěn)定性能的、低噪聲的三端可調(diào)分流基準源(溫度系數(shù)為30×10-6/℃)。本文就是采用該基準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主機來使用，故其P0．7引腳SSEL要接一個10 kΩ的上拉電阻。