引言

随着现代工业的发展，各种生产流程中对温度指标的要求越来越高。为了在不同的工业环境中实现对温度的检测和控制，人们利用不同的传感器，研制出了种类各异的温度检（监）测仪器，以适应于不同的场合。就温度传感器而言，有热电偶（S，B，K，T，E，J，N，R，Wre5-26 等），热电阻（Cu50，Cu100，Pt100 等），热敏电阻以及近些年出现的数字式温度传感器（如DS18B20）等。在这众多的温度传感器中铂电阻最稳定，测温范围也宽（－200℃～＋640℃）。铂电阻是用高纯度的铂制成的温度传感器，它不像一般的热敏电阻的输出有很大的非线性，因此是非常受欢迎的温度传感器。在本温度循环监测仪中，我们利用Pt100 作为测温传感器，并用PHILIPS 公司推出的功能强大的51LPC 系列单片机作为主控CPU，并结合串行11 路12 位A/D 来完成多路温度循环监测，做出的仪器体积小巧，功耗低，具有参数设置、超限报警、数据保存曲线恢复及联网等诸多功能。

硬件设计

硬件结构如图1 所示。

本系统采用PHILIPS 公司的51LPC 系列单片机P87LPC764 作为主控CPU，来完成多路温度巡检；采用了11 路串行A/D 转换器件TLV2543，分辨率达12bit；采用128×64 中文点阵液晶显示器，实现了多级菜单设计，界面友好且功耗低；小键盘采用了4 键模式，与显示器结合，可以完成有关参数的设置；采用了充电电池和外部电源两种供电方式，在外部电源突然断电的情况下，能实现电源的热切换；I2C 总线上挂接PCF8563 时钟芯片，给整个系统提供时间基准，并巧妙地利用其秒信号作为中断触发信号，能将CPU 从低功耗状态唤醒；I2C总线上挂接串行E2PROM 芯片CSI24WC256，具有32K 字节的存储空间，既可完成设定参数和所测数据的实时存储，从而为温度的曲线恢复提供基础，也可作为编程空间的一种有效扩充；采用了继电器的常开和常闭触点来实现信号报警，给用户以极大的方便，而且可以用来控制加热器、空调等反馈装置，从而完成闭环控制系统该，该功能在电池供电时自动屏蔽掉，以节约电能；具有串行接口，能完成上、下位机的信息交换，可方便构成集散测控系统；上、下位机采用了研华协议，并采用组态软件来完成数据显示和曲线显示，编程简单直观。

软件设计

系统要完成的功能较多，除了要正确采集温度外，还要完成各项参数的设置，并送液晶屏幕显示等等。因此，软件设计采用了模块化技术，以使程序结构清晰，修改简单，可读性强。整个软件可分为如下的模块，即显示模块、键盘处理模块、串行通信模块、数据存储模

块、数据采集处理模块和主程序模块等。

主程序流程图见图2。其设计思想是这样的：系统上电后，首先进行初始化和自检，自检完毕，屏幕出现自检结果，此时系统处于等待状态，一旦用户按下“确定”键，系统将进入主工作界面，接着使能各级中断，然后程序置位IDL，使系统进入低功耗模式，CPU 将由中断唤醒。

本设计中主要使用了下面三种中断方式：

（1）外部中断1 处理程序流程图见图3，主要思想是：根据设定的采样间隔，完成数据的采集和处理，然后根据采样数据进行报警越限的判断、串行发送数据的更新，并送屏幕显示。

（2）键盘中断处理程序流程图见4。在中断处理程序中，首先清除键盘中断标志位，接着读取键值并判断是否为“设置”键，如果为“设置”键，进入设置状态，否则返回。

（3）串行中断程序流程图见图5，主要完成的任务是：接收上位机发送的命令。

技术要点

（1）低功耗设计

本仪器的低功耗设计贯穿整个设计的方方面面。首先是CPU 的选择上，51LPC 系列的CPU具有较宽的操作电压（2.7～6.0V），而其晶振也分为高、中、低三档，并且可以选择内部晶振，在选择合适的电压和晶振的情况下，其功耗可以降到微安级（如工作电压为3.3V，工作频率为20～100kHz 时，功耗范围为9～44μA[1]）；由于可以选择内部晶振和内部复位，其外围器件减少，功耗自然可以降低；即使使用了较高的晶振频率，由于CPU 内部有一个特殊功能寄存器DIVM 可以对时钟分频，从而达到节电目的.

由于P87LPC764 还具有空闲和掉电两种省电模式。本设计中用到了空闲模式，在初始化和自检过后，仪器进入空闲模式，并设计了两个中断对其唤醒，一个中断为键盘中断，另一个为时钟中断，时钟中断信号来自于PCF8563。中断发生事处理中断，中断处理完毕又进入空闲状态。

在显示方式上采用了128×64 点阵的OCMJ 中文模块系列液晶图文显示器，它内含 GB2312 16*16 点阵国标一级简体汉字和ASCII8*8 及8*16 点阵英文字库，用户输入区位码或ASCII 码即可实现文本显示。众所周知，液晶显示采用的是被动显示，与主动发光的器件相比，其正常的耗电量是极低的。

在其他元器件的选用上，尽量采用低功耗器件，例如时钟芯片PCF8563，其典型值为0.25μA（VDD=3.0V,Tamb=25oC）；而存储芯片CSI24WC256 是一个256K 串行CMOS 的E²PROM，只有8 个管脚的小封装结构比同类的并行芯片耗电量降低；而逻辑器件一律采用CMOS 器件。

（2）双电源供电与热切换

该模块主要是为整个系统提供电源支持，采用的是双电源供电模式。在图6 中，外部供电电源VDD 电压为6V。BT1 外接4 节1.2V 的充电电池。在外部VDD 供电时，VDD 通过D1 和D2 对外部整个系统供电，同时经过R7 和D3 为BT1 提供约25mA 的充电电流；当外部VDD 掉电后，P1.5 口线被拉低，系统将自动切换进入内部供电状态，由充电电池BT1 通过D4 为整个系统供电，屏幕上会自动进行“外部供电”与“内部供电”显示字样的转换。这种双电源供电模式，实现了供电电源的热切换，从而保证了温度采集的连续性，并通过关闭液晶背光电源和报警状态等一些耗电的操作，延长了电池使用寿命。

注：二极管D1、D2、D3 的压降为0.7V，D4 为0.3V；

（3）I2C 总线接口、串口与温度曲线恢复

要实现温度的曲线恢复，必须具备两个条件：一个是要有严格按时间存储的有效数据；另一个是具有将数据调出的硬件接口与协议。在本系统中，第一个条件是由具有I2C 总线接口的芯片PCF8563（时钟保证）和CSI24WC256（数据存储）来保证的；第二个条件是该系统具有RS-232 接口及相应的协议来完成的。

I2C 总线是PHILIPS 公司推出的芯片间串行数据传输总线，2 根线（SDA、SCL）即可实现完善的全双工同步数据传送，能够十分方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。I2C 器件是把I2C 的协议植入器件的I/O 接口，使用时器件直接挂到I2C 总线上,这一特点给设计应用系统带来了极大的便利。I2C 器件无须片选信号，是否选中是由主器件发出的I2C 从地址决定的，而I2C 器件的从地址是由I2C 总线委员会实行统一发配。PHILIPS 公司在其产品P87LPC764 中集成了I2C 总线接口，可以和所有具有I2C 总线接口的其他元器件方便相连，这对于只具有20 管脚的CPU 的系统扩展提供了方便。在该系统中，时钟芯片PCF8563 和CSI24WC256 都是具有I2C 总线接口的芯片，并使用了周立功公司提供的I2C 软件包，故其编程非常简单。

时钟芯片PCF8563

PCF8563 是PHILIPS 公司推出的一款工业级的内含I²C 总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。它具有多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断功能，它的两线制I²C 总线通讯方式，使外围电路极其简洁，实用。

PCF8563 的特性：

宽电压范围1.0～5.5V,复位电压标准值Vlow=0.9V； 超低功耗：典型值为0.25μA,VDD=3.0V,Tamb=25oC； 可编程时钟输出频率为：32/768KHz、1024Hz、32Hz、1Hz； 四种报警功能和定时器功能； 内含复位电路、振荡器电容和掉电检测电路； 开漏中断输出； 400kHzI2C 总线（VDD=1.8-5.5V）。其从地址：读0A3H，写0A2H。

电路在系统中的连接方式如图7 所示。

图中，32.768K 的晶振是标准晶振，作为芯片定时基准；SCL 和SDA 分别与P87LPC764的对应脚连接，而其第7 脚CLKOUT 经过初始化设置使其输出频率为1Hz 的时钟作为中断触发条件，可以唤醒低功耗状态，经判断后进入温度采集、判断、显示、存储等处理。

CSI24WC256

该芯片是一个256K 串行CMOS 的E²PROM。内部含有32768 个字节。CATALYST 公司的先进CMOS 技术实际上减少了器件的功耗。CSI24WC256 有一个64 字节的页写缓冲器。该芯片与CPU 的连接非常简单，如图8 所示。

该芯片在系统中具有两大功能：首先是对于系统运行过程中的一些重要数据，如采样时间，显示方式等参数进行存储，而在每次上电时都会调出这些参数，并根据这些参数运行程序；其次是所测温度值的存储，由于I²C 总线同时挂接时钟芯片PCF8563，将采样时间和采样数据对应存储，这些存储的数据可以通过串口被上位机调用，从而可以实现温度曲线恢复功能。

串行接口

为实现系统与上位机之间的串行通信，在硬件结构上采用了单电源转换芯片ICL232，ICL232 是一个双组驱动/接收器，它内含一个电容性电压发生器，可在单5V 电源供电时提供EIA/TIA-232-E 电平，如图9 所示。该芯片的第2 脚输出大约+9V 左右的电压，该条件在基准电压的获取上将使用。

（4）模数转换模块

由于P87LPC764 管脚少，无总线系统，若采用并行的A/D 转换显然是不合适的；考虑温度是缓变量，同时兼顾兼顾接口方便和转换精度，在本系统中采用了具有11 路模拟输入接口，分辨率为12 位，接口方式为串行的逐次逼近式模数转换器TLV2543。TLV2543 和微处理器之间只有4 根I/O 口线连接，即图中网络标号为/CS、CLK、DTAI 和DTAO 的4 个管脚分别与CPU 的P0.2、P0.3、P0.5 和P0.6 相连，这对提高P87LPC767 管脚的利用率非常重要。

TLV2543 各管脚定义如下：

▪AIN0～AIN10 （1～9，11，12）:11 路模拟信号输入端

▪ /CS （15）： 片选端

▪ DATA INPUT (17)： 串行数据输入端

▪ DATA OUT （16）： 三态串行输出端，用于A/D 转换结果输出

▪ EOC （19）： 转换结束端

▪ GND （10）： 地

▪ I/O CLOCK （18）： 输入、输出时钟端

▪ REF+端 （14）： 正基准电压端

▪ REF-端 （13）： 负基准电压端

▪ VCC 端 （20）： 正电源端

（5）“窃电”技术与基准电源的获得

要提高A/D 的转换精度，必须为TLV2543 提供精密的基准电压，为了达到这一目的，不增加硬件成本的同时，成功运用了“窃电”技术。由于单电源芯片ICL232 内部具有泵压电路，在其第2 脚输出了稳定的+9V 左右的电压，利用该电压，与TL431 组成了精密的稳压电路，其输出的+5V 电压为TLV2543 模数转换器提供了可靠的基准电压，从而在最大程度上保证了模数转换器的转换精度，这样既充分利用了系统本身的资源，又没有增加额外器件。实践证明，由于TLV2543 转换时基准所需电流极小，不会影响正常的串口通信。

TL431 的输出电压由它两端外接的两个电阻决定的，计算公式为：

V0=（1+R2/R3）Vref=(1+1K/1K)×2.5V=5V （公式1）

图11 中的R2 和R3 均为阻值为1K 的高精度、低温漂电阻，TL431 的第1 脚输出电压标准的2.5V 电压，即为公式1 中的Vref =2.5V。