基于ARM的熱敏電阻溫度計的設計

　　1、引言
　　
　　隨著半導體技術的不斷發展，熱敏電阻作為一種新型感溫元件應用越來越廣泛。他具有體積小、靈敏度高、重量輕、熱慣性小、壽命長以及價格便宜等優點。
　　
　　傳統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、設計復雜且難以調試；軟件上也多采用冗長繁瑣的匯編語言來實現，設計效率低、可移植性差、性能難以保證。
　　
　　目前，嵌入式系統的應用已經進入到一個高、低端并行發展的階段，其標志就是32位微控制器的發展。ARM（AdvancedRISCMachines）是嵌入式系統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、硬件調試方便和可移植操作系統等優點。為智能儀器向輕便化、智能化、微機一體化等方向發展提供了必要條件。
　　
　　由于電子技術的飛速發展，電子元器件的性價比不斷得到提高。本文采用32位的ARM7TDMI-S微處理器核LPC2142為控制核心，利用其內部自帶的A/D轉換器和SPI接口來控制LED顯示驅動器MC14489進行溫度的實時顯示。
　　
　　2、熱敏電阻溫度的轉換原理
　　
　　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；K為與熱敏電阻特性有關的系數；VT為熱敏電阻兩端的電壓。　　
　　根據這一公式，如果能測得熱敏電阻兩端的電壓，再知道參數T0和K，則可以計算出熱敏電阻的環境溫度，也就是被測的溫度，這樣就把電阻隨溫度的變化關系轉化為電壓隨溫度變化的關系了。數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過A/D轉換成數字量送到單片機中，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
　　
　　在電子技術迅猛發展的今天，一些功能*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代替傳統的805l單片機為控制核心，進行A/D轉換和溫度實時顯示。圖2為整個系統的結構原理圖。　　
　　熱敏電阻NTC串聯上一個普通電阻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轉換。轉換啟動方式以及轉換通道的選擇可通過設置ADC控制寄存器ADC0DR來實現。轉換的結果通過一個同步、全雙工串行SPI接口輸出到LED顯示驅動器MCl4489進行溫度的實時顯示。
　　
　　3．1ARM微控制器LPC2142簡介
　　
　　ARM7TDMI-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。．ARM7TDMI-S處理器使用流水線技術，處理和存儲系統的所有部分都可以連續工作。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-sCPU的微控制器，內嵌有64kB的高速FLASH存儲器和16kB的片內SRAM。128位寬度的存儲器接口和*的加速器接口使32位代碼能夠在zui高時鐘頻率下運行，對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過30％，而其性能的損失卻很小。
　　
　　LPC2142內部帶有一個10位逐次逼近式A/D轉換器，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OV～Vref通常為3V，不超過VDDA電壓）；
　　
　　（4）每個轉換器包含一個可編程分頻器，可將時鐘調整至逐次逼近轉換所需的4．5MHz（zui大）。這樣，10位轉換時間大于或等于4．55μs；
　　
　　（5）一個或多個輸入的突發轉換模式；
　　
　　（6）可選擇由直接啟動、輸入跳變或定時器匹配信號觸發轉換；
　　
　　LPC2142內部還擁有一個硬件SPI（SerialPeripheralInterface）接口。他是一個同步、全雙工串行接口，zui大數據位速率為時鐘速率的1/8，可配置為主機或者從機。
　　
　　3．2LED顯示驅動管理芯片MC14489
　　
　　MCl4489是美國MOTOROLA公司生產的串行接口LED顯示驅動管理芯片。其輸入端與系統主CPU之間只有3條I/0口線相聯，用來接收待顯示的串行數據。輸出端既可以直接驅動七段LED顯示器，也可以驅動指示燈。
　　
　　MCl4489內部集成了數據接收/譯碼/掃描輸出/驅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數字加小數點顯示；4位半數字加小數點帶符號顯示；25支指示燈顯示；5位半數字顯示。該芯片內含的譯碼器電路可輸出七段格式的數字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zui低的尖峰和較小的EMI（電磁交互干擾）。
　　
　　4、系統軟件設計
　　
　　由前面熱敏電阻溫度轉換原理的簡述可知：熱敏電阻特性曲線是一條指數曲線，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，系數值K是一個很小的數。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，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位數碼管，其顯示格式為：ADXXX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動電路可使系統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，模擬電源與數字電源應當用一個10μH的電感進行隔離。
　　
　　（2）A/D轉換參考電壓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定性能的、低噪聲的三端可調分流基準源（溫度系數為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10kΩ的上拉電阻。