基于S T C 8 9 C 5 2单片机的多功能测温仪设计

2013-08-15周鹏

网络安全与数据管理 2013年1期

周鹏

（华侨大学信息学院，福建厦门 361021）

PT100铂电阻温度传感器因其测量范围广、精度高、性能稳定可靠等特点，被广泛应用于温度采集[1]。而随着液晶显示器成本逐年降低，显示容量越来越大，功耗越来越小，现已普遍应用于各种测温仪。本文基于PT100传感器，设计了一种多功能数字测温仪。系统主要功能有：数字温度显示、数字/指针时钟显示和日期显示、温度上下限值的设置、温度超限报警。

1 系统总体设计

系统主要由STC89C52单片机、温度采集电路（包括PT100温度传感器和 ADC0832）、键盘电路、LCD12864显示器和报警电路组成（如图1所示）。

图1 系统框图

STC89C52单片机用于实现算法，是整个系统的主控核心；LCD12864用于显示温度、时间和日期等参数；温度采集电路用于温度-电阻-电压的变换和模数转换；键盘电路用于设定相关参数（上下限温度值、时间）；报警电路用于温度超限报警。

2 主要硬件设计

2.1 STC89C52单片机系统

STC89C52单片机系统由单片机、时钟电路和复位电路组成，如图2所示。

STC89C52单片机具有抗干扰性能强、速度快、功耗低和指令代码完全兼容8051单片机等特点。其主要参数为[2]：时钟频率最高可达 80 MHz；内置 8 KB的 Flash，512 B的 RAM和 2 KB的 EEPROM；3个 16 bit定时器/计数器，一个6向量二级中断结构。

STC89C52的P0口作为普通I/O口使用，与12864液晶显示器 DB0～DB7数据口相连，根据P0口硬件特点在其外部须接上拉电阻。

时钟电路采用内部时钟方式，为单片机系统提供时钟信号。

图2 STC89C52单片机系统

复位电路采用上电自动复位和按键复位的方式，只要保证加到RST引脚的高电平持续时间大于2个机器周期就能使单片机正常复位[3]。

2.2 温度采集电路

2.2.1测温电路

测温电路的传感器选用PT100铂电阻温度传感器。铂电阻具有以下特点[1，4]：（1）准确度高，测试范围宽，适于不同介质；（2）性能稳定，铂电阻无论在氧化环境或是在高温下的物理和化学性质都非常稳定；（3）铂电阻的重复性非常好，它的长期重复稳定性可达10-4K。

在0℃～100℃测温范围之内，PT100铂电阻阻值与温度近似满足线性关系式：

其中，Rt是 t℃时的 PT100电阻值；R0是 0℃时的 PT100电阻值，查表得 100 Ω；A=3.908 02×10-3℃。

测温电路由图3、图4和图5所示的电路组成。

图3由TL431和周边元件组成恒压源，恒定输出Vout=2.55 V至图5的运放反向输入端。

图3 恒压源恒定输出2.55 V

图4中的9013和TL431组成恒流源，在PT100上流过2.55 mA的恒定电流，并将PT100随温度变化的电阻转换为电压，再放大10倍（Vout2表示），输出至图5运放的正向输入端。Vout2的表达式为：

图5构成差分运算放大电路，Vout的表达式为：

图4 PT100将温度转换为电压

图5 差分放大电路

式（3）实现了温度-电阻-电压的线性转换，其中，T=0～100℃，Vout=0～5 V，Vout输出至 A/D 转换器。

2.2.2 A/D转换电路

A/D转换电路由ADC0832组成，ADC0832具有以下特点：它是一种逐次比较型、双通道A/D转换、8 bit分辨率、5 V电源供电时输入电压在0～5 V之间、工作频率为 250 kHz、转换时间为 32 μs、输入/输出电平与 TTL/CMOS 相兼容[5]。

ADC0832与单片机接口如图6所示。其工作过程为单片机P20输出低电平使有效，且保持该低电平直至转换结束；A/D转换时，单片机P22引脚向芯片时钟输入端CLK输出250 kHz的时钟信号；单片机P21引脚输出通道选择控制字，而后ADC0832按照时序将转换结果由D0输出至单片机。

图6 ADC0832与单片机接口

2.3 LCD12864显示电路

系统需同时显示实测温度、数字/指针式时间，显示信息量大，因此选择LCD12864 （ST7920）点阵图形液晶显示屏。LCD12864与单片机接口电路如图7所示。

图7 LCD12864与单片机接口电路

LCD12864（ST7920）具有以下特性[6]：（1）4 bit/8 bit并行、2线或3线串行等多种接口方式；（2）显示分辨率为 128×64，内置 8 192个 16×16点汉字和 128个 16×8点 ASCII字符集；（3）接口方式灵活、简单，可方便地构成中英文式人机交互图形界面。

LCD12864（ST7920）由 DDRAM （显示数据 RAM）、CGROM （字型产生 ROM）、CGRAM （自定义字型产生RAM）和 GDRAM（绘图 RAM）等组成，实现显示字符和图形的功能。

DDRAM模块提供64×2个位元组的空间，最多可控制4行 16字（64个字）的中文字型显示，当写入显示数据RAM时，可分别显示CGROM与CGRAM的字型；该模块可显示HCGROM字型（半角）、CGRAM字型及CGROM的中文字型3种字型。液晶显示器屏幕坐标（AC地址）与DDRAM地址的对应关系如表1所示。

表1 液晶屏幕坐标(AC地址)与DDRAM地址的对应关系表

CGRAM模块提供4组16×16点的自定义图像空间，可以将内部字型没有提供的图像字型自行定义到CGRAM中，便可和CGROM中的定义一样通过DDRAM显示在屏幕中。

GDRAM提供64×32个字节的空间，实际可控制128×64点阵的二维绘图缓冲空间。GDRAM的二维地址与液晶屏幕坐标的对应关系如图8所示。

2.4 其他电路

2.4.1 报警电路

报警电路由 PNP三极管（9012）、蜂鸣器及单片机的控制引脚（P21）组成。当温度超限，P21引脚输出一定频率的信号，触发蜂鸣器工作从而实现报警。报警电路如图9所示。

图8 GDRAM二维地址与液晶屏幕坐标的对应关系图

2.4.2 键盘电路

键盘电路采用中断和查询相结合的方式设定温度和调整时间。系统由4个按键组成，分别对应温度/时间设定的功能选择，数字增加和减少的调节。当有键按下时，负跳变引起INT1中断，再查询具体按键并执行相应功能。这种结构既扩充了外部中断源，减少了CPU的工作负担，又能对按键进行实时处理。键盘电路如图10所示。

图9 报警电路

图10 键盘电路

2.4.3 电源电路

LM7805三端集成稳压器和滤波电容组成电源电路，为整个系统提供稳定的工作电压。电源电路如图11所示。

图11 稳压电路

3 软件设计

主程序流程如图12所示。

图12 系统流程图

3.1 液晶显示器函数

液晶显示器的读/写数据和数字/字符、数字/指针式时钟显示等功能由驱动函数和界面显示函数完成。

驱动函数包括：忙检测 TestLcdIdle（）、写入命令WriteLcdCommand（）、写入数据 WriteLcdData（）以及读出数据 ReadLcdData（）。

界面显示函数包括：数字/字符显示DisplayDdramChar（）、自定义字符显示 DrawGdramSelfChar（）以及描点/画线/画圆 SetGdramDot（）/DrawGdramLine（）/DrawGdramCircle。

3.2 温度采集函数

启动ADC0832的温度转换和数据传输必须严格按照其时序进行，温度采集函数包括：

（1）ReadAdc0832（）。用来初始化 ADC0832/0 号通道选择/A/D转换/转换结果读两次，比较是否一致，如相等保留，否则舍弃。

（2）DisplayPt100Tempe（）。用来转换并显示实测温度。

（3）DisplayPt100AlarmTempe（）。用来显示设定的上限温度值。

3.3 主函数

主函数包括初始化液晶显示器以及定时/计数器等模块，而后调用温度采集、界面显示等函数。

（1）初始化

（2）时间/日期设定，日期和静态指针时钟显示：

4 实验

系统实际运行结果如图13所示。

图13中，阳历日期的格式为年/月/日。数字时钟的格式为“小时：分钟：秒”。 “S：30℃”代表设定的上限温度值；“>”代表上限温度值与实测温度值的大小关系；“23.42℃”代表实测温度值。指针时钟的圆心以GDRAM模式的坐标（0，0）为起点，坐标为（96，32），时钟半径为31；秒针、分针、时针以实际时钟方式运行。