引 言
隨著時(shí)代的發(fā)展，數(shù)字化控制無疑是人們追求的目標(biāo)之一，它給人們帶來的方便也是不可否定的，其中數(shù)字溫度計(jì)就是一個(gè)典型的例子，它在信息、電子、物流等許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。隨著人們對(duì)它的要求越來越高，為現(xiàn)代人工作、科研、生活提供更好、更方便的設(shè)施，就需要從單片機(jī)技術(shù)人手，朝著數(shù)字化、智能化控制方向發(fā)展。
這里介紹一種數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)制作方案。該設(shè)計(jì)控制器使用單片機(jī)STC89C58，測(cè)溫傳感器使用LM94022，用FM1602C液晶顯示實(shí)現(xiàn)溫度顯示，設(shè)計(jì)制作了寬量程高精度多功能數(shù)字溫度計(jì)能準(zhǔn)確達(dá)到各種要求。本文設(shè)計(jì)研制的數(shù)字溫度計(jì)與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，具有讀數(shù)方便，測(cè)溫范圍廣，測(cè)溫準(zhǔn)確的特點(diǎn)，其輸出溫度和時(shí)間采用數(shù)字顯示，該數(shù)字溫度計(jì)不僅分辨率高，還可以設(shè)置報(bào)警溫度上下限，當(dāng)溫度達(dá)到高、低限溫控制點(diǎn)發(fā)出聲光報(bào)警。該設(shè)備主要用于對(duì)測(cè)溫比較準(zhǔn)確的場(chǎng)所或科研實(shí)驗(yàn)室。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的論證與比較
1．1 運(yùn)用LED數(shù)碼管顯示與運(yùn)用LCD液晶顯示溫度及時(shí)間
運(yùn)用LED顯示，提供的信息較少，界面不美觀，顯示時(shí)間和溫度極不方便，所占體積也大，且在要表達(dá)較多信息時(shí)(如兩路溫度值時(shí)和時(shí)間)，需要大量的LED和占用較多的引腳，軟件設(shè)計(jì)也相對(duì)復(fù)雜。
LCD可以提供較強(qiáng)的頁面顯示功能，功率小，頁面相對(duì)于LED顯示更直觀，更明了；在顯示信息較多時(shí)，比LED所占的空間小，性價(jià)比更高。
很容易看出，在本設(shè)計(jì)中采用LCD作為顯示更好。
2．2 靈敏度選擇端GS0及GS1
LM94022根據(jù)對(duì)GS0，GS1施加的不同電平有4種靈敏度供用戶選擇，如表2所示。用戶可根據(jù)測(cè)溫范圍及接口電路的工作電壓條件合理選擇。靈敏度由GS0及GS1的電平確定，高電平要求VDD>1．5 V；低電平要求VDD<0．5 V。
2．3 LM94022的輸出特性
LM94022的輸出特性如圖2所示，這是測(cè)量溫度與輸出電壓在不同靈敏度時(shí)的特性。由于輸出電壓隨溫度升高而下降，其靈敏度為負(fù)值。在VDD=5 V時(shí)，不同靈敏度下幾個(gè)特定溫度值的輸出電壓如表2所示(典型值)。
數(shù)字溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)的總體方案如圖3所示。采用STC89C58單片機(jī)作為主控器件；LCD采用FM1602，單片機(jī)中的P0作為其接口，并由P2．5～P2．7控制，用以驅(qū)動(dòng)LCD的顯示；時(shí)鐘芯片采用DS1302，用腳P2．2～P2．4作為時(shí)鐘芯片控制引腳；LM94022作為溫度傳感芯片，并用TLC2543將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，用P3．2～P3．6作為ADC的控制引腳；P1口作為鍵盤的輸人口，用以接收由鍵盤輸出的信號(hào)；用P2．1和P2．0分別作為溫度過高和溫度過低的報(bào)警控制引腳，P3．7作為蜂鳴器的控制引腳。
3．1 溫度采樣
LM94022采用“10”模式，在0～100℃范圍內(nèi)，用轉(zhuǎn)化公式：
T=(1 568-V)×0．122 699 38
對(duì)輸出電壓采樣(用運(yùn)放LM2015作電壓跟隨器)并用ADC轉(zhuǎn)化，由單片機(jī)提取，計(jì)算并轉(zhuǎn)化成溫度。
3．2 時(shí)鐘電路
時(shí)鐘采用備用電池，在第一次設(shè)定時(shí)間后，所儲(chǔ)存的信息不會(huì)丟失，待下一次電路啟動(dòng)的時(shí)候，無需再次設(shè)定時(shí)間，方便使用。
3．3 人機(jī)交換電路
系統(tǒng)由鍵盤作為人機(jī)交換器，4×4結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，Time用于時(shí)間設(shè)定；L-tem和H-tem分別用于低溫和高溫設(shè)定；Return用于返回主界面。
3．4 復(fù)位功能
當(dāng)按下復(fù)位鍵時(shí)，對(duì)系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)的低溫設(shè)置為0．0℃，高溫設(shè)置為90．0℃。
3．5 顯示界面
第一行顯示時(shí)間，第二行顯示第一路和第二路的溫度，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，第二行顯示原因，第一行顯示第幾路出錯(cuò)，并將有蜂鳴器鳴叫和LED燈提示。
3．6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
硬件存儲(chǔ)功能沒有實(shí)現(xiàn)，由于分工出現(xiàn)一些小的問題，導(dǎo)致軟硬件結(jié)合不當(dāng)，設(shè)計(jì)脫節(jié)，最終沒能實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實(shí)現(xiàn)模塊和運(yùn)算控制模塊。
4．1 主程序流程
系統(tǒng)上電復(fù)位后，進(jìn)行初始化：選擇T0中斷(工作方式1)并設(shè)置定時(shí)器初值，溫度測(cè)試電路初始化，顯示電路初始化。若有按鍵按下，禁止T0中斷，顯示處理相應(yīng)事件的界面。處理完事件后，按下Return鍵，T0中斷重新開啟，回到正常的溫度顯示界面；沒有按鍵按下時(shí)，如果T0中斷，則更新溫度值，如圖5所示。
4．2 顯示更新程序流程
圖6為顯示更新程序流程圖。如果T0中斷，讀取溫度值并更新溫度值，溫度更新時(shí)間為50 ms。對(duì)新讀取的溫度值進(jìn)行處理，如果高于或低于設(shè)定溫度值，發(fā)出警報(bào)，相應(yīng)二極管發(fā)光。最終讀取并顯示溫度信息及時(shí)間。
5 測(cè)試與結(jié)果分析
5．1 系統(tǒng)調(diào)試參數(shù)分析
測(cè)試儀器：萬用表，加熱儀器。
采用程序模擬，事先在電腦軟件上將其模擬好后再下載到單片機(jī)中，由于時(shí)間有限，有部分硬件程序并未實(shí)現(xiàn)。下面就測(cè)試結(jié)果做大概描述：
表3給出了用萬用表測(cè)量LM94022在“10”模式下的電壓輸出值和PDF上的溫度值。
由表3得出顯示溫度比LM94022輸出所代表的溫度小0．46℃，于是將線性公式加以修正：
Tem=Tem+0．46
原因分析：可能是與限流電阻的壓降作用有關(guān)，由于限流電阻的作用是必不可少的，而且LM94022輸出電壓波動(dòng)不大，故用一修正值來彌補(bǔ)這一壓降，以達(dá)到較高精度。
5．2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能
(1)能數(shù)字顯示被測(cè)溫度，測(cè)量溫度范圍為0～100℃；
(2)分辨率不低于0．5℃；
(3)提高溫度測(cè)量精度，使分辨率不低于0．1℃；
(4)帶有計(jì)時(shí)和時(shí)間顯示功能；
(5)至少有高、低兩路限溫控制輸出接口控制外部電路，實(shí)際制作時(shí)可用發(fā)光二極管模擬顯示其控制狀態(tài)輸出；
(6)高、低兩路限溫控制點(diǎn)可在0～100℃范圍內(nèi)獨(dú)立設(shè)置；
(7)當(dāng)溫度達(dá)到高、低限溫控制點(diǎn)發(fā)出聲光報(bào)警；
(8)自動(dòng)順時(shí)測(cè)量溫度值；
(9)多路溫度巡檢(至少兩路)。
另外，溫度傳感器可通過導(dǎo)線連接而移動(dòng)，方便測(cè)量不同地點(diǎn)的溫度，切實(shí)達(dá)到多路測(cè)量可移動(dòng)的效果，改變測(cè)量地點(diǎn)時(shí)操作方便。
6 結(jié) 語
該文報(bào)道的溫度計(jì)采用了高分辨率的溫度測(cè)控芯片LM94022，用FM1602C液晶顯示實(shí)現(xiàn)溫度顯示，以STC89C58單片機(jī)為控制中心，設(shè)計(jì)制作了寬量程、高精度、多功能數(shù)字溫度計(jì)能準(zhǔn)確達(dá)到各種要求。與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，該數(shù)字溫度計(jì)具有讀數(shù)方便，測(cè)溫范圍廣，測(cè)溫準(zhǔn)確，其輸出溫度和時(shí)間采用數(shù)字顯示的特點(diǎn)，不僅分辨率高，還可以設(shè)置報(bào)警溫度上下限，當(dāng)溫度達(dá)到高、低限溫控制點(diǎn)發(fā)出聲光報(bào)警，在實(shí)際溫度控制系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。