基于HT47系列RISC单片机的智能化仪表设计

摘 要： 介绍了以HT47系列单片机为部件的常见智能化仪表的设计过程。
关键词： RISC单片机；R-F型A/D转换；分段线性插值法

HT47系列MCU是盛群(Holtek)半导体公司近年推出的8位精简指令系统(RISC)单片机，它除了具有RISC类单片机特有的指令数量少、易记忆、采用流水线式指令执行方式、运行速度快等优点外，其片内的两通道R-F型A/D转换电路，动态LCD液晶驱动电路以及软件狗定时器等硬件资源，为设计小型乃至便携式智能化仪器仪表提供了极大的方便，全部硬件由传感器+HT47C20+液晶片+少量阻容元件构成。

R-F型A/D
      给出了HT47C20的两通道R-F型A/D转换电路的结构。

     Timer A和Timer B是两个16 位可编程计数器，其计数初值可以由程序设定。Timer A对系统时钟(System Clock)或系统时钟4分频信号(System Clock/4)或实时时钟的溢出信号(RTC Output)计数；Timer B对通道1或通道2的RC振荡电路产生的脉冲信号计数。下面我们以利用通道1构成的温度仪表为例，对其温度测量原理和设计方法作一介绍。

可以清晰地说明R-F型A/D转换过程：
1.Timer B对参考电阻Rs、参考电容Cs组成的振荡电路产生的振荡脉冲计数，Timer A对系统时钟计数。通过置位有关特殊功能寄存器相关位可使 Timer A、Timer B同时启动。Timer B由初值0000H-NS计数到0000H(溢出)；Timer A由初值0000H计到m，两者同时停止计数。NS的数值要保证Timer B先溢出，这段时间即为闸门时间。

      2.Timer A初值改为0000H-m, Timer B初值改为0000H。Timer B对传感器(NTC热敏电阻)电阻Rt、参考电容Cs组成的振荡电路产生的振荡脉冲计数，Timer A还是对系统时钟计数。再次同时启动，当Timer A溢出时两者同时停止计数且申请中断。可以看出两次计数的闸门时间相等，此时Timer B的计数值为Nt。
从上述过程可以看出：NS·(1 /fs)=Nt·(1/ft)
所以 Nt=NS·ft/fs (1)
而 fs=1/(ks·Rs·Cs)
ft=1/(kt·Rt·Cs)
式中ks和kt是和电源电压、环境温度以及RsCs或RtCs乘积有关的常数(一般取 1.9~2.3)，此处可看作近似相等，故有：
ft/fs=Rs/Rt
将此式代入上述Nt的表达式中，可得：
Nt=NS·Rs/Rt (2)

      从上文可知，NS是Timer B在规定的闸门时间内对参考电阻Rs、参考电容Cs组成的振荡电路产生的振荡脉冲的计数值，和Rs一样，都是事先设定的常数。式(2)表示了计数值Nt和传感器电阻Rt近似成反比。


      用分段线性插值法对被测温度和计数值Nt之间的关系曲线进行处理，即可从计数值Nt计算出对应的被测温度。

      q-Nt关系曲线分成若干段，每段曲线用一段对应的折线来代替。相对于每一段折线，可求出q-N的线性函数：
q = a· Nt+b
式中：a为该段折线的斜率，b为截距。

      值得指出的是，利用HT47C20片内的两个通道R-F型A/D转换电路作温度测量，Timer B对外部RC振荡电路的两次计数，使用同一个振荡电容Cs(即参考电容)。从式(2)可以看出：计数值Nt和电容Cs没有直接关系，因此当电容量受环境温度变化时不会影响测温结果。这一点对提高仪器的系统测量是非常有意义的。

R-F型A/D转换构成温度测量仪表的软件流程
      利用HT47C20的片内R-F型A/D转换电路构成温度测量仪表的软件流程。

      HT47C20片内动态液晶显示电路包含显示缓冲区和驱动输出电路两部分。显示缓冲区占用内部RAM 40H~53H单元地址(在系统不使用液晶显示电路时可作为普通RAM单元使用)，任何用间接寻址方式写入显示缓冲区的字形码都将直接(经驱动输出电路)使液晶显示屏显示相应的字符。显示缓冲区的布局以及各存储单元和芯片外部相关引脚的对应关系。
 
      可以看出，显示缓冲区各存储单元仅低4位有效，整个显示电路经芯片内部掩膜选择可外接20*2、20*3或19*4(即1/2duty、1/3duty或1/4duty)的C型液晶显示器。

      用HT47C20为部件构成的非常简单的仪表硬件电路，仅画出一个测量通道In0,如果把另一个测量通道In1也利用起来，不需要增加外电路就可以同时测量两路模拟量。可以看出其性价比非一般单片机电路可比。

结语
      HT47系列除了HT47C20外，和它结构、功能相同的还有HT47C20L(掩膜/低功耗版)，HT47R20(OTP版)。值得指出的是盛群半导体公司推出的新品HT47C10在结构上作了不少简化，如片内程序存储器，数据存储器容量，液晶显示电路的驱动笔划数量适当减少，R-F型A/D转换通道减少为一个，但在某些应用场合其性价比却更高一些。