基于I2C总线的多点温度采集系统

孙延辉

（辽宁石油化工大学 信 息与控制工程学院，辽宁 抚 顺113001）

随着社会的进步和工业技术的发展，许多产品对温度范围的要求越加严格，尤其在工业发展方面，如冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃等行业，而目前市场上温度检测仪器大多是单点测量，不能适应当今社会生产高效率要求，且温度信息精度不高。因此设计一种能够同时测量多点温度，测量精度高，能够综合处理多点温度信息的测量系统很有必要。这里提出一种能多路采集、显示的温度采集系统设计。

1 系统硬件设计

1.1 系统整体结构

该系统设计采用I2C总线，单主机多从机的工作模式，实现多点温度的采集、读取与显示。主机由主控制器、数码管显示、电源、报警、键盘等模块组成，完成以下功能：1）主机通过按键确定进入温度测量状态以及即将读取温度的节点；2）主机从总线上读取节点温度值并显示；3）空闲时，由按键确定进入时间显示状态。时钟使用单片机内部的实时时钟RTC、外部6 MHz晶振，CPU掉电运行，每0.5 s唤醒一次；而从机由数字温度传感器等组成，实现完成以下功能：1）采集节点实时温度值；2）响应主机的请求，发送温度数据。

基于I2C总线的多点温度采集系统选用具有硬件I2C总线功能的P89LPC922[1]单片机作为主控制器，采用具有I2C功能器件的数字温度传感器LM75A[2]和数码管显示驱动及键盘扫描管理器件ZLG7290。LM75A采集节点实时温度值，并通过I2C总线发送温度数据，ZLG7290驱动LED数码管显示温度值和时间[3]。采用SPX1117设计电源模块提供3.3V电压[4]。该系统硬件框图如图1所示。

图1 系统硬件框图

1.2 各模块电路设计

1.2.1控制器模块

主控制器采用P89LPC922单片机。该单片机是一款单片封装的微控制器，适合于那些要求高集成度、低成本的场合，满足多方面性能要求。其内部集成了键盘中断、串行接口（UART/I2C）、看门狗定时器，采用先进的2-clock技术，指令执行速度是传统80C51的6倍。支持空闲、掉电、时钟预分频等多种节电模式，另外，其4中断优先级结构，为多个中断源的处理提供极大的灵活性。

根据主控器P89LPC922单片机的键盘中断特性[5]，键盘模块可直接由3个I/O口控制实现3个按键，其原理图如图2所示。

图2 P89LPC922控制的键盘电路

本设计采用蜂鸣器实现报警过程，使用I/O口的开漏方式对蜂鸣器进行控制。指示灯电路是由2个LED组成，使用I/O口的推挽输出方式驱动LED。

1.2.2温度采集模块

LM75A是一个使用了内置带隙温度传感器和∑-△模数转换技术的温度-数字转换器。本设计使用2片LM75A采集两点的温度值，其原理图如图3所示。

图3 温度采集电路

1.2.3显示模块

ZLG7290B是数码管显示驱动及键盘扫描管理器件，能够直接驱动8位共阴式数码管（或64只独立的LED）。这里只使用ZLG7290B的数码管显示驱动功能，而没有用其键盘功能，因此电路大大简化，其原理图如图4所示。

图4显示电路

2 软件程序设计

I2C是一个多主总线，其可由多个器件控制。一般的I2C器件都具有一个唯一的地址以保证控制的准确性，普通I2C总线传输速率为100 Kbit/s，在新增的高速模式下其可达到3.4 Mbit/s的速率，以支持一些高速传输的应用，如大容量Flash存储器。

LPC900系列单片机内部集成了I2C总线，既可作I2C总线上的主控器件，也可作I2C总线上的从器件，同时其具有4种I2C总线收发模式：主发送器模式，主接收器模式，从发送器模式，从接收器模式。

本设计的I2C软件包采用硬件I2C总线中断方式，硬件I2C的总线竞争和同步逻辑是软件无法模拟的，本软件包是硬件I2C以主方式工作的，它包括了申请总线，发送字节数据，接收字节数据等等，而面对其他模块程序的是几个归一化子程序，只要设置几个入口参数，即可调用[6]。

图5和图6分别为实时时钟和键盘中断服务流程，其中实时时钟0.5 s产生1次中断，而键盘中采用3个按键，每个按键按下时均可产生一次中断。本设计主函数完成CPU掉电运行，使系统功耗降至最低，只有在按键中断和实时时钟中断时才会唤醒CPU。

图5 实时时钟中断服务流程

图6 键盘中断服务流程

3 系统测试

3.1 硬件测试

利用万用表对焊接好的电路板进行测试。首先测试线路部分，各线路连接正常，没有出现短路和断路的现象；其次，上电后，电源灯亮，证明电源连接正常，测电源电压输入为5 V，输出为3.3 V，电源电路工作正常。其余模块通过软件测试。

3.2 软件测试

通过ZLG7290测试程序验证I2C总线的传输情况，并利用逻辑分析仪来观察其时序，如图7所示。

图7 ZLG7290时序

从图7可以看出，该时序部分完成的是使第1位数码管显示“0”的过程，从启动总线到结束总线的一个完整过程。该过程总共发送了4个字节数据，在总线启动后发送的是ZLG7290的从机地址，后跟一位读写位0，表命令缓冲区的首地址，每发送完一个字节后都会收到一个应答位0，表示接收到数据。后面2个字节是复合指令，在这里是按位下载数据且译码指令，即使第1位数码管显示0。发送完指令后紧接着是结束总线条件，表示一次发送过程结束。

通过LM75A测试程序是向从机发送数据，收到应答位0后，紧接着发送从机子地址，在这里是ZLG7290命令缓冲区的首地址，每发送完一个字节后都会收到一个应答位0，表示接收到数据。后面2个字节是复合指令，在这里是按位下载数据且译码指令，即使第1位数码管显示0。发送完指令后紧接着是结束总线条件，表示一次发送过程结束。验证I2C总线的接收数据的过程，并利用逻辑分析仪来观察其时序，如图8所示。

图8 LM75A时序

从图8可以看出，该时序部分完成的是读取温度值的过程，也是一个I2C总线带重复起始条件的接受数据的过程。该过程分发送和接收两部分。发送部分包括发送从机地址和从机子地址，即LM75A的地址90H和LM75A温度寄存器首地址00H。然后重新启动总线准备接收数据，该部分主机先发送从机地址，并跟读写位1，表示主机将接收该从机发来的数据，紧接着主机接收2个字节的数据，主机发送应答位后，再发送停止条件结束总线，表示主机接收完一次数据。

3.3 系统综合测试

将程序烧进P89LPC922，上电后，数码管显示“0000”，通过按键2和按键3来设置时钟初值。当读取的温度值超过设定的温度值范围，蜂鸣器会发出报警提示音。这时可通过按下按键1取消声音，同时切换为时钟显示。

4 结束语

本系统为综合处理多点温度信息的测量系统，该设计系统结构简单，操作方便，测量精度高，速度快，能实现报警。该系统的测温范围为－55～+125℃，测量精度能达到0.125℃，由于采用I2C总线的结构，整个系统占用主控制器I/O口较少，其余I/O口可留作系统扩展之用。该系统可应用于植物生长环境的温度检测，当超出植物适宜生长温度范围时将发出报警。

[1]Philips Semiconductors.P89LPC920/921/922 user manual[DB/OL].（2003）[2010-01-09].http：//www.ic-on-line.cn/IOL/datasheet/p89lpc921_153272.pdf.

[2]Philips Semiconductors.LM75A digital temperature sensor and thermal watchdog data sheet[DB/OL].（2004）[2010-01-09].http：//www.ic-on-line.cn/IOL/datasheet/lm75adp_1265950.pdf.

[3]周立功.I2C总线概要：产品应用手册[M].广州：广州周立功单片机发展有限公司，2006.

[4]周立功.LPC900系列Flash单片机应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[5]李朝青．PC机及单片机数据通信技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002．

[6]王幸之，钟爱琴，王雷，等．AT89系列单片机原理与接口技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2004．