基于SPCE061A的高精度多通道溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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溫度的測量與控制在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活及科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用。由于常用溫度傳感器的非線性輸出及一致性較差，使溫度的測量方法和手段相對較復(fù)雜，也給電路的調(diào)試增加了難度。為此，設(shè)計(jì)了以臺灣凌陽公司生產(chǎn)的SPCE061A 16位高性能單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心。采用DALLAS公司的DS18820作為溫度傳感器的三通道高精度溫度測控儀，該測控儀實(shí)現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)和日期、時(shí)間的顯示與保存；可輸出顯示三組溫度和三路控制信號，具有故障和報(bào)警狀態(tài)提示等功能，保證了測試的精度以及系統(tǒng)的可靠性和控制要求。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
多通道智能溫度測控儀的硬件電路原理框圖如圖1所示，測控儀主要由SPCE061A單片機(jī)、溫度傳感器DS18B20和LCD顯示電路、鍵盤電路、串／并轉(zhuǎn)換電路、時(shí)鐘電路等組成。
微處理器是系統(tǒng)的核心，它控制測量過程，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。它的設(shè)計(jì)和選用要考慮傳感器的測量速度、精度、分辨率及數(shù)據(jù)處理能力等。對于集成傳感器，設(shè)計(jì)微處理器(Microprocessor)的功能要適當(dāng)，設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性，又要考慮降低成本，簡化結(jié)構(gòu)，滿足芯片尺寸的要求。因此，選用SPCE061A作為系統(tǒng)微處理器。
SPCE061A芯片是凌陽公司推出的一款高性價(jià)比的16位單片機(jī)，其主要特性為：工作電壓：CPU的內(nèi)核工作電壓VDD=3．0～3．6 V，I／O口的工作電壓VDDH=VDD～5．5 V；CPU時(shí)鐘的頻率為：0．32～49．152 MHz；內(nèi)置2 Kword SRAM和32 KB閃存ROM；系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài))，耗電小于2μA@3．6 V；具備觸鍵喚醒的功能；32位通用可編程輸入／輸出端口；2個(gè)16位可編程定時(shí)器／計(jì)數(shù)器(可自動預(yù)置初始計(jì)數(shù)值)；7通道10位電壓模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模／數(shù)轉(zhuǎn)換器；2個(gè)10位數(shù)／模轉(zhuǎn)換(DAC)輸出通道；14個(gè)中斷源可來自定時(shí)器A／B，時(shí)基，2個(gè)外部時(shí)鐘源輸入，鍵喚醒；具備串行設(shè)備接口；低電壓復(fù)位(LVR)和低電壓監(jiān)測(LVD)功能；內(nèi)置在線仿真(In-Circuit Emulation，ICE)。另外16位單片機(jī)具有一套易學(xué)易用、效率較高的指令系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境。在此環(huán)境中，支持標(biāo)準(zhǔn)C語言，可以實(shí)現(xiàn)C語言與凌陽匯編語言的互相調(diào)用。
1．1 溫度數(shù)據(jù)采集
溫度數(shù)據(jù)采集電路選用Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20。DS18B20是“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器，測量溫度范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)，精度為士O．5℃。該器件只有3個(gè)引腳(即電源VDD、地線GND、數(shù)據(jù)線DQ)，不需要外部元件，一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行通信。設(shè)計(jì)系統(tǒng)檢測溫度范圍設(shè)計(jì)為-10～+85℃，精度為0．2℃，已經(jīng)能夠滿足絕大多數(shù)工作環(huán)境的要求；用9 b數(shù)字量來表示溫度；每次將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需時(shí)200 ms。在單總線工作方式下，允許一條信號線上掛接多個(gè)DS18B20，DS18B20都有惟一的ROM代碼(64位產(chǎn)品序列號)。在多點(diǎn)溫度測控系統(tǒng)中，ROM代碼是識別和操作DS18B20的基礎(chǔ)；無論讀取，還是選擇對某一個(gè)傳感器進(jìn)行操作，主機(jī)必須發(fā)送64位ROM代碼。
為了保證測試精度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了A，B，C三個(gè)溫度采集通道，以便測試溫度場分布較大的環(huán)境。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定要求時(shí)，控制電路可以產(chǎn)生相應(yīng)的控制動作，比如切斷加熱電源或者發(fā)出告警信號。DS18B20溫度與轉(zhuǎn)換數(shù)值之間的關(guān)系見表1。
1．2 人機(jī)接口
系統(tǒng)鍵盤由SPCE061A的IOB5～8組成，它們分別是功能鍵、增加鍵、減少鍵、復(fù)位鍵。用來實(shí)現(xiàn)溫、度上、下限及控制時(shí)間的設(shè)置功能。測控儀采用驅(qū)動128段LCD顯示器，用于顯示現(xiàn)場的溫度值、時(shí)間、故障和報(bào)警狀態(tài)。HT1621是一個(gè)128(32×4)段、內(nèi)存映射、多功能、I2C接口的LCD驅(qū)動器。這里利用其兩線串行模式與單片機(jī)接口，簡化了與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)，并減少了硬件資源的占用。
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