基于STC89C58数字温度计的设计与实现

引 言
    随着时代的发展，数字化控制无疑是人们追求的目标之一，它给人们带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，它在信息、电子、物流等许多领域都有广泛的应用。随着人们对它的要求越来越高，为现代人工作、科研、生活提供更好、更方便的设施，就需要从单片机技术人手，朝着数字化、智能化控制方向发展。
    这里介绍一种数字温度计的设计制作方案。该设计控制器使用单片机STC89C58，测温传感器使用LM94022，用FM1602C液晶显示实现温度显示，设计制作了宽量程高精度多功能数字温度计能准确达到各种要求。本文设计研制的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确的特点，其输出温度和时间采用数字显示，该数字温度计不仅分辨率高，还可以设置报警温度上下限，当温度达到高、低限温控制点发出声光报警。该设备主要用于对测温比较准确的场所或科研实验室。

1 系统设计方案的论证与比较
1．1 运用LED数码管显示与运用LCD液晶显示温度及时间
    运用LED显示，提供的信息较少，界面不美观，显示时间和温度极不方便，所占体积也大，且在要表达较多信息时(如两路温度值时和时间)，需要大量的LED和占用较多的引脚，软件设计也相对复杂。
    LCD可以提供较强的页面显示功能，功率小，页面相对于LED显示更直观，更明了；在显示信息较多时，比LED所占的空间小，性价比更高。
    很容易看出，在本设计中采用LCD作为显示更好。

2．2 灵敏度选择端GS0及GS1
    LM94022根据对GS0，GS1施加的不同电平有4种灵敏度供用户选择，如表2所示。用户可根据测温范围及接口电路的工作电压条件合理选择。灵敏度由GS0及GS1的电平确定，高电平要求VDD>1．5 V；低电平要求VDD<0．5 V。

2．3 LM94022的输出特性
    LM94022的输出特性如图2所示，这是测量温度与输出电压在不同灵敏度时的特性。由于输出电压随温度升高而下降，其灵敏度为负值。在VDD=5 V时，不同灵敏度下几个特定温度值的输出电压如表2所示(典型值)。

    数字温度计电路设计的总体方案如图3所示。采用STC89C58单片机作为主控器件；LCD采用FM1602，单片机中的P0作为其接口，并由P2．5～P2．7控制，用以驱动LCD的显示；时钟芯片采用DS1302，用脚P2．2～P2．4作为时钟芯片控制引脚；LM94022作为温度传感芯片，并用TLC2543将其转化成数字信号，用P3．2～P3．6作为ADC的控制引脚；P1口作为键盘的输人口，用以接收由键盘输出的信号；用P2．1和P2．0分别作为温度过高和温度过低的报警控制引脚，P3．7作为蜂鸣器的控制引脚。

3．1 温度采样
    LM94022采用“10”模式，在0～100℃范围内，用转化公式：
    T=(1 568-V)×0．122 699 38
    对输出电压采样(用运放LM2015作电压跟随器)并用ADC转化，由单片机提取，计算并转化成温度。
3．2 时钟电路
    时钟采用备用电池，在第一次设定时间后，所储存的信息不会丢失，待下一次电路启动的时候，无需再次设定时间，方便使用。
3．3 人机交换电路
    系统由键盘作为人机交换器，4×4结构如图4所示。其中，Time用于时间设定；L-tem和H-tem分别用于低温和高温设定；Return用于返回主界面。

3．4 复位功能
    当按下复位键时，对系统初始化，系统的低温设置为0．0℃，高温设置为90．0℃。
3．5 显示界面
    第一行显示时间，第二行显示第一路和第二路的温度，当出现紧急情况时，第二行显示原因，第一行显示第几路出错，并将有蜂鸣器鸣叫和LED灯提示。
3．6 数据存储
    硬件存储功能没有实现，由于分工出现一些小的问题，导致软硬件结合不当，设计脱节，最终没能实现存储功能。

4 系统软件设计
    系统的软件由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。
4．1 主程序流程
    系统上电复位后，进行初始化：选择T0中断(工作方式1)并设置定时器初值，温度测试电路初始化，显示电路初始化。若有按键按下，禁止T0中断，显示处理相应事件的界面。处理完事件后，按下Return键，T0中断重新开启，回到正常的温度显示界面；没有按键按下时，如果T0中断，则更新温度值，如图5所示。

4．2 显示更新程序流程
    图6为显示更新程序流程图。如果T0中断，读取温度值并更新温度值，温度更新时间为50 ms。对新读取的温度值进行处理，如果高于或低于设定温度值，发出警报，相应二极管发光。最终读取并显示温度信息及时间。

5 测试与结果分析
5．1 系统调试参数分析
    测试仪器：万用表，加热仪器。
    采用程序模拟，事先在电脑软件上将其模拟好后再下载到单片机中，由于时间有限，有部分硬件程序并未实现。下面就测试结果做大概描述：
    表3给出了用万用表测量LM94022在“10”模式下的电压输出值和PDF上的温度值。

    由表3得出显示温度比LM94022输出所代表的温度小0．46℃，于是将线性公式加以修正：
    Tem=Tem+0．46
    原因分析：可能是与限流电阻的压降作用有关，由于限流电阻的作用是必不可少的，而且LM94022输出电压波动不大，故用一修正值来弥补这一压降，以达到较高精度。
5．2 系统实现的功能
    (1)能数字显示被测温度，测量温度范围为0～100℃；
    (2)分辨率不低于0．5℃；
    (3)提高温度测量精度，使分辨率不低于0．1℃；
    (4)带有计时和时间显示功能；
    (5)至少有高、低两路限温控制输出接口控制外部电路，实际制作时可用发光二极管模拟显示其控制状态输出；
    (6)高、低两路限温控制点可在0～100℃范围内独立设置；
    (7)当温度达到高、低限温控制点发出声光报警；
    (8)自动顺时测量温度值；
    (9)多路温度巡检(至少两路)。
    另外，温度传感器可通过导线连接而移动，方便测量不同地点的温度，切实达到多路测量可移动的效果，改变测量地点时操作方便。

6 结 语
    该文报道的温度计采用了高分辨率的温度测控芯片LM94022，用FM1602C液晶显示实现温度显示，以STC89C58单片机为控制中心，设计制作了宽量程、高精度、多功能数字温度计能准确达到各种要求。与传统的温度计相比，该数字温度计具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度和时间采用数字显示的特点，不仅分辨率高，还可以设置报警温度上下限，当温度达到高、低限温控制点发出声光报警，在实际温度控制系统中有广泛的应用。