郭卉 张志利 张莹 郭肖鹏 天津中德职业技术学院 300350
摘 要 介绍了基于32位ARM Cortex M0的MCU-LPC11C14微处理器和数字温度传感器DS18B20的基本特性，结合4位段型液晶显示模块LCM046和升压型DC-DC变换器MAX1674，设计了一个小型测温终端，并基于集成开发环境Keil给出了主要的C函数，利用CAN总线，可实现与其他设备实时进行可靠的通讯。
关键词 测温系统 LCP-1114 DS18B20 C语言
A Mini-Temperature Detecting Terminal based on the LPC-11C14
Microcontroller and DS18B20
Guo Hui， Zhang Zhi-li，Zhang Ying，Guo Xiao-peng
（TianJin Sino-German Vocational Technical College, Tian-Jin 300350）
Abstract: The characteristic of the microcontroller MCU-LPC11C14 based on 32 bits ARM Cortex M0 and the digital temperature sensor DS18B20 is introduced. A mini-temperature detecting terminal is designed combining the 4 bits segmented LCD module LCM046 and the DC-DC converter MAX1674. Some primary C functions are presented in the Keil Workbench. A real-time communication can be realized by using CAN bus.
Key words: temperature detecting system; LCP-1114; DS18B20; C;
温度的测量和控制，在电子设备仓储、智能空调控制及其他科学研究中应用广泛。温度检测的传统方法，是使用诸如热电偶、热电阻、半导体PN结（如AD590）之类的模拟传感器，经信号取样电路、放大电路和模数转换电路处理，获取表示温度值的数字信号，再交由微处理器或DSP处理。被测温度信号，从敏感元件接收的非电模拟量开始，到转换为微处理器可处理的数字信号之间，设计者须考虑的线路环节较多，相应测温装置中元器件数量难以下降，随之影响产品的可靠性及体积微小化。由此会造成整个检测系统有较大的偏差，稳定性和抗干扰性能都较差。
本文设计一种基于数字温度传感器 DS18B20 的小型测温系统，主控芯片采用以Cortex－M0为内核的ARM LPC-11C14，数字温度传感器通过单总线与ARM连接，系统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境下进行现场温度测量，可应用于电子设备仓储测温、智能空调控制和生产过程监控等领域。
1 测温系统硬件构成
该系统主控芯片采用NXP公司的一款基于ARM Cortex－M0内核的32位微处理器LPC11C14，温度检测采用数字温度传感器DS18B20，温度显示单元采用4位段型液晶显示模块LCM046，电源部分采用升压型DC-DC电源模块MAX1674。整个系统采用3.3 V供电，功耗低，结构简单。系统电路图如图1所示。
2 功能单元介绍
2.1 LPC-1114微处理器
LPC-11C14是NXP公司推出的一款ARM Cortex-M0内核的高性能、低功耗32位微处理器，它是市场上定价最低的32位微处理器解决方案[1]。其性能特点如下：
（1）单电源供电范围：1.8V-3.6V；
（2）主频最大可达50MHz；
（3）内部集成时钟产生单元，不用外部晶振也可以工作；
（4）内部集成32KB的Flash程序存储器，8K的SRAM数据存储器；
（5）带有一个快速I2C接口，一个RS485/EIA385 UART，两个SSP特征的SPI接口；
（6）内部4个通用定时器和一个系统定时器，一个带窗口功能的看门口定时器；
（7）一个功耗管理模块、一个ADC模块和42个GPIO[1]。
2.2 数字温度传感器DS18B20
DS18B20 是美国 DALLAS 公司生产的单总线数字测温芯片[2][3]，具有线路简单、体积小的特点。只需要一个I／O口即可实现通讯，提高了抗干扰能力和测量精度。一根通讯线上就可以挂载很多这样的芯片，可用于多点分布式的测温系统。每一个DS18B20内部存储器中都有独一无二的64位序列号，在实际的应用中不需要任何元器件即可实现测温。可以采用外部供电方式（如图1所示），也可以采用寄生电源方式，即从数据线上获得电源，电压适用范围宽（3.0～5.5V）。用户还可以通过编程实现9～12位的温度读数，即具有可调的温度分辨率，将12位的温度值转化为数字量所需时间不超过750ms，其实用性和可靠性比同类产品更高。
DS18B20 有 3 脚 TO-92 封装，形如三极管；同时也有 8 脚 SOIC 封装。测温范围为−55～ +125℃ ，在 −10～+85 ℃ 范围内，精度为 ± 0.5 ℃。每一个 DS18B20 芯片的 ROM 中存放一个64位 ID 号：前 8 位是产品类型编号，随后 48 位是该器件的自身序号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码。另外，用户还可根据实际情况，自设定非易失性温度报警上下限值 TH 和TL（掉电后依然保存）。DS18B20 检测到的温度值，经转换为数字量后，自动存入存储器中，并与设定值 TH 或 TL 进行比较，当测量温度超出给定范围时，就输出报警信号，并自动识别是高温超限还是低温超限。由于DS18B20是在一根I／O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求，从而保证各位数据传输的正确性和完整性。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接受，数据和命令的传输都是低位在先。
2.3 温度显示单元
温度显示单元采用北京青云创新科技发展有限公司的4位多功能通用型8段式液晶显示模块LCM046。内含看门狗/时钟发生器，2种频率的蜂鸣驱动电路，内置显示RAM，可显示3个小数点以及任意字段笔划，3～4线串行接口，低功耗。显示清晰，稳定可靠，编程简单，非常适合电池供电的仪器仪表[4]。
2.4 电源模块
电源变换芯片采用 MAXIM 公司生产的升压型 DC-DC 变换器 MAX1674，其常态下工作效率可达 94 %，输入电压范围较宽（0.7～Vout ：其中 Vout 可以设定为 3.3 V、5 V 或可变的输出电压），输出电压 Vout 设定为 3.3 V，给整个系统供电，允许的输出电流达到 500 mA，完全满足设计要求。值得注意的是，实际使用过程中，外围元件采用接插件较好，使用贴片式芯片，反而容易引起电源纹波。具体连接电路，可参考芯片的 DATA SHEET。
2.5 CAN总线
CAN（Controller Area Networks）总线是德国BOSCH公司开发的，是目前国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络，采取多主竞争式的总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。与许多RS－485基于R线构建的分布式控制系统相比，基于CAN总线的分布式控制系统各网络节点之间的数据通讯实时性强，开发周期短，性价比高，已形成国际标准。其总线波特率可编程，最高可达1Mbit/s，总线通讯距离与波特率有关，在0-10km之间，报文不包含源地址或目标地址，仅用ID来指示功能信息、优先级信息，可根据报文的ID决定接收或屏蔽报文。CAN总线包含了强大的侦错功能，具备CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with collision Detect）功能，采用非破坏性总线仲裁技术，大大节省了总线冲突的仲裁时间，发送的信息遭到破坏后，可自动重发，节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能。
3 系统软件设计
本系统采用 C 语言进行程序设计，大大提高了开发调试工作的效率；同时，所产生的文档资料也容易理解，便于移植。
LPC1110系列微处理器 C 语言编译环境可以利用Keil Software公司出品的集成开发系统Keil C51。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，生成目标代码效率非常高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
该测温终端程序包括主程序、DS18B20 温度检测转换子程序和显示子程序，流程图如图 2。
由于 DS18B20 采用的是独特的单总线方式传输数据，对时序的要求较严格。虽然硬件连接变得方便了，但导致软件的编制变得异常复杂。同时对LCP1114的控制操作不同于 51 系列，其I/O口有方向控制及输入输出寄存器，对于读写操作就要分别对待，稍有不慎，就容易出错。
下面就以DS18B20为例，给出在LCP-1114微处理器编译环境Keil下的几个主要 C 函数，由于篇幅所限，未列出详细代码。
unsigned char Initial_DS18B20(void) {} /*初始化函数：检测DS18B20是否已经准备好*/
void Wr-By (unsigned char data) { }/*写函数：每次调用执行写一字节*/
unsigned char Rd-By (void){ } /*读函数：每次调用执行读一字节*/
float Rd-Temp (void) { } /*读温度值函数：读取温度寄存器的值并进行数据转换*/
typedef struct_CAND{}CAND; /*调用API函数，包含CAN初始化，CAN中断，CAN接收等*／
4 结束语
本文基于32位ARM Cortex M0的MCU-LPC1114微处理器和数字温度传感器 DS18B20 设计了一个小型测温终端，并给出了主要的 C 函数。由于LCP-1114的超低功耗以及 DS18B20 的单线接口方式，使得整个系统功耗极低，结构简单，性能稳定，适合于电子设备仓储测温、智能空调控制和生产过程监控等领域，有很好的实用价值。
参考文献
[1] LCP11C14 Data Sheet[S]. NXP Semiconductors, 2012
[2] DS18B20 Data Sheet[S]. DALLAS semiconductor Corp, 2000
[3] 冯国珍. 基于数字温度传感器DS18B20的分布式测温系统的设计[J].吉林化工学院学报，2003，20(3)：46-49.
[4] 韩佩富，高振天.液晶显示模块LCM046的原理及C语言编程[J].电子器件，2005，Vol.28 No.3:648-650
作者简介：郭卉（1984－）性别：女，天津市中德职业技术学院教师，助理工程师，主要研究方向：自动控制技术应用。
论文作者:郭卉 张志利 张莹 郭肖鹏
论文发表刊物:《中国科技教育·理论版》2016年第2期
论文发表时间:2016/4/29
标签：测温论文; 总线论文; 温度论文; 微处理器论文; 系统论文; 数字论文; 函数论文; 《中国科技教育·理论版》2016年第2期论文;