C8051F单片机的特点及温度采集系统中的应用

摘要：文章简述了C8051F单片机的特点，并采用片内温度传感器，组成小型、廉价的温度采集系统，其测温精度在±0.5℃以内。

关键词：C8051F单片机；温度采集

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2011) 18-0000-01

C8051F MCU Features and Temperature Acquisition System Application

Sun Zhihao

(NO.1 Middle School Affiliated to Central China Normal University,the first,Wuhan 430200,China)

Abstract:This paper outlines the C8051F MCU characteristics,and on-chip temperature sensor,composed of small,inexpensive temperature acquisition system,the temperature measurement accuracy of ±0.5℃ or less.

Keywords:C8051F MCU;Temperature acquisition

一、C8051F单片机简介

MCS-51系列单片机及其衍生产品，在我国乃至全世界范围获得了非常广泛的应用。随着单片机的不断发展，市场上出现了很多高速、高性能的新型单片机，基于标准8051内核的单片机正面临着退出市场的境地。为此，一些半导体公司开始对传统8051内核进行改造，主要是提高速度和增加片内模拟和数字外设，以期大幅度提高单片机的整体性能，其中美国Cygnal公司推出的C8051F系列单片机把80C51系列单片机从MCU时代推向SoC（System on a Chip，系统级芯片）时代，使得以8051为内核的单片机性能得以大幅提升。

C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51微控制器内核，采用流水线结构，单周期指令运行速度是8051的12倍，全指令集运行速度是8051的9.5倍。在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其它功能部件（包括PGA、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/I2C、UART、SPI、定时器、可编程计数器/定时器阵列、内部振荡器、看门狗定时器及电源监视器等）[1]。熟悉MCS-51系列单片机的开发人员可以很容易地掌握C8051F的应用技术并能进行软件的移植，但是不能将8051的程序完全照搬地应用于C8051F单片机中，这是因为两者的内部资源存在较大的差异，必须修改后才能予以使用。其中C8051F020以其功能较全面，应用较广泛的特点成为C8051F系列的代表性产品，其性能价格比在目前应用领域也极具竞争力。

2.C8051F020单片机的特点

C8051F020系列单片机其结构较复杂，但对使用者来说操作却很简便，其特点如下[1]：

1.高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）。2.全速、非侵入式的在线系统调试接口（片内）。3.真正12位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关。4.两路12位DAC，具有可编程数据更新方式。5.64K字节可在系统编程的FLASH存储器。6.4352（4096+256）字节的片内RAM。7.可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口。8.硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口。9.具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列。10.片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。

三、温度采集系统

温度采集系统的典型应用包括系统环境监测、系统过热测试和在基于热电偶的应用中测量冷端温度。本文基于C8051F020单片机实现了小型、廉价的温度采集系统。

C8051F020单片机的片内温度传感器可以产生一个与器件内部温度成正比的电压，该电压可以作为一个单端输入提供给ADC（模/数转换器）的多路选择器。当选择温度传感器作为ADC的一个输入，并且ADC启动一次转换后，可以经过简单数学运算将ADC的输出结果转换成用度数表示的温度，基于此我们可以用来测量环境温度[2]。

（一）设置方法和实施步骤。为了能使用温度传感器，首先它必须得被允许的。ADC及其相关的偏置电路也必须被允许。ADC可以使用内部电压基准，也可以使用外部电压基准，在这里我们使用内部电压基准。ADC转换的结果代码可以选择为左对齐或右对齐。通过将TEMPE（REF0CN.2）设置为1来允许温度传感器工作。模拟偏置发生器和内部电压基准的允许位也位于REF0CN中（分别为REF0CN.1和REF0CN.0），所有这些位可以在一次写操作中被允许。同时必须正确设置位于ADC0CF中的ADCSAR时钟分频系数，特别是ADC转换时钟的周期至少应为500ns。接下来需要选择ADC的增益。在单端方式下，ADC能够接受的最大直流输入电压等于VREF，如果使用内部电压基准，该值大约为2.4V。温度传感器所能产生的最大电压值稍小于1V。因此，可以安全地将ADC的增益设置为2，以提高温度分辨率。其余的ADC配置位位于ADC0 CN，这是一个可以位寻址的寄存器。可以选择任何一种有效的转换启动机制：定时器2或定时器3溢出、向ADBUSY写1或使用外部CNVS TR。此处采用向ADBUSY写1。通过写入下面的控制字，将ADC配置为低功耗跟踪方式，采用向ADBUSY写1作为转换启动信号。一旦转换完成，ADC输出寄存器，即ADC0H和ADC0L中的16位数值包含与器件内部的绝对温度成正比的代码。

（二）自热效应。温度传感器测量的是器件内部的温度，测量值很可能比环境温度值高几度，这是由于器件功率消耗的结果。为了得到环境温度，应从结果中减去因自热产生的温度增加值。这一温度增加值可以通过计算或测量得到。

有很多因素影响器件的自身发热量，其中最主要的是[3]：电源电压、工作频率、封装的热耗散特性、器件在PCB中的安装方式以及封装外壳周围的空气流通情况。温度增加值可以通过将器件的功率消耗乘以封装的热耗散常数来计算。在用这一常数时，假定采用标准的PCB安装方式，所有的引脚都焊到电路板上，封装周围没有气流通过。

（三）用求均值法提高分辨率。为了使温度转换结果中的噪声效应降至最低，一种技术是对数据进行“过采样”，然后求均值。“过采样”意味着ADC的采样频率被设置为高于输出字速率。作为一种经验方法，可以通过将采样频率每增加到原来的4倍而使输出分辨率增加1位。

四、结语

C8051F系列单片机功能强大，使用方便，具有广阔的应用前景。基于C8051F020单片机，本文实现了一个小型、廉价的温度采集系统，在实际测试过程中，与环境真实温度比较，测温精度±0.5℃。

参考文献：

[1]潘琢金,孙德龙.C8051F单片机应用解析[M].夏秀峰.北京航空航天大学出版社,2002

[2]高正中.基于C8051F的高精度温度控制系统设计[J].煤矿机械,2008,9

[3]黄颖绮.C8051F片内温度传感器测量环境温度误差分析[J].甘肃科技,2007,10