1 系统总体设计方案

基于I2C总线的锅炉温度测量系统结构如图1所示，系统主要由温度传感器及信号调节电路、A/D转换器、微控制器、液晶显示、报警电路、存储器电路等组成。系统首先通过温度传感器获得锅炉温度值，调节电路把传感器的输出信号转换为0~5 V的电压值，标准电压值送入A/D转换器转换为数字信号，并送入单片机数据处理，单片机将接收到的锅炉温度值存储到非易失性的E2PROM，液晶显示器1602将显示锅炉的实时温度，单片机还将当前锅炉温度与预先设定的温度范围进行比较。当温度高于设定温度最大值或小于温度极小值时，系统将自动报警。

锅炉温度测量系统是基于I2C总线标准设计的，主要通信部件之间只需要两条总线，一条是双向串行数据线SDA，另一条是串行时钟线SCL。AT89S51不具备I2C总线接口，本设计使用了两个普通I/O口来模拟I2C标准中SDA和SCL的工作，图2是测量系统I2C总线串行通信线路图，系统的多个I2C器件全部通过SDA和SCL连接并进行数据交换，不同器件之间通过总线竞争获得数据交换的权利。


2 硬件电路设计

微控制器模块使用AT89S51单片机，主要实现数据的采集、处理和控制显示等功能，单片机最小系统包括时钟电路和复位电路。设计使用单片机的P1.0产生I2C总线中的SCL时钟信号，P1.1模拟SDA数据信号线，进行数据的双向传递。SCL和SDA引脚内部漏极开路，设计时要外加约5 ?赘的上拉电阻。系统的硬件电路如图3所示。

A/D转换模块采用具有I2C接口的8 bit CMOS可编程转换器PCF8591，该芯片同时集成了A/D转换和D/A转换功能，这里使用其逐次比较型A/D转换功能。与传统的ADC0809转换输出需要8根并口数据线相比，PCF8591为系统节省了6根数据线。典型的I2C总线接口器件的总线地址由器件地址、引脚地址、方向位组成[1]。在锅炉温度测量系统中，为简化设计把PCF8591的A0、A1、A2三个地址引脚接地。根据其硬件设计，确定PCF8591的总线地址为91H，根据系统所需功能，确定其控制寄存器的值为00H，单片机从PCF8591中读取A/D转换值。通道输入的模拟电压U和转换结果D之间的关系为D=255U/5。在使用I2C总线的系统中，主控器发出的第一个字节信息为器件地址信息，控制寄存器信息是主控器对PCF8591访问时发出的第二个字节信息。

存储器模块采用ATMEL公司推出低功耗CMOS串行带I2C接口的E2PROM芯片AT24C01[2]，主要实现温度值的存储。单片机从PCF8591读取A/D转换结果后，把温度值存储到E2PROM。此时，AT24C01地址为A0H，当系统需要从E2PROM读取温度值时，AT24C01地址为A1H。与一般存储器扩展相比，采用AT24C01为系统节省了6根数据线及大量的地址线，使得系统结构更简化，测量过程的干扰因素也大大减少。

系统工作时，AT89S51发出地址信息，PCF8591和AT24C01把自身的地址与接收到的地址信息进行比较，相同则为被访问器件，并准备数据的发送和接收。

温度传感器采用恒流源输出的AD590，不需进行冷端补偿，可进行远距离传送，有较好的抗干扰能力。信号调节电路模块将AD590输出的电流信号转换为0~5 V的电压信号，为A/D转换做准备。

显示模块使用液晶显示屏LCD1602，可以显示16×2个字符，1602的三个功能控制引脚RS、RW、E由单片机的P0.5、P0.6、P0.7三个I/O控制，数据接口D0~D7则由P2口的8 bit来控制。与采用LED显示器相比，液晶显示器的硬件连线更少，电路焊接因此变得简单。

声光报警模块由LED、蜂鸣器和电阻组成。光、声音报警分别由单片机的P1.2和P1.3控制，为提高驱动能力，发光二极管和蜂鸣器均由NPN三极管驱动。

3 系统软件设计实现

本系统的软件设计部分采用C语言编程实现，使用的软件是KeiluVision3，从功能上看，系统软件主要包括主程序、数据处理子程序、读A/D转换结果、温度比较及报警输出子程序、读写E2PROM子程序、显示子程序等，系统主程序流程图如图4所示。

系统主程序主要完成系统的初始化，及各功能模块函数的调用、等待中断。采样时间选择500 ms，使用单片机内部定时器T0实现，因此要对T0的工作方式、计时初值、中断允许、开始计时等进行初始化，T0每50 ms中断一次，中断10次即开始一次温度采样。

数据处理子程序对采集到单片机内的锅炉温度值进行处理，包括四次均值滤波和标度变换部分。
I2C总线通信的编程是系统软件设计的关键，AT89S51不具有I2C接口，I2C总线信号将通过两个独立I/O进行软件模拟。这部分总线数据通信程序编写思路为：先由单片机发出起始信号，接着通过SDA发出I2C器件的总线地址。与该地址相同的器件发出应答，应答正确后，再由单片机通过SDA向应答器件写数据或从应答器件中读取对应地址的数据，一次数据通信结束时要由单片机发出结束信号。

起始信号程序如下：
Start( )
{ SDA=1；
_NOP_( )；
SCL=1； //I2C启动总线时，SCL维持高电平
FOR(I=0；I++；I<5)
_NOP_( )；
SDA=0； //I2C启动总线时，SDA产生高电平到
低电平的跳变
FOR(I=0；I++；I<4)
_NOP_( )；
SCL=0；//准备发送或接收数据
_NOP_( )；
}
结束信号程序如下：
Stop( )
{CLR SDA；
_NOP_( )；
_NOP_( )；
SCL=1； //I2C总线停止时，SCL维持高电平
FOR(I=0；I++；I<5)
_NOP_( )；
SDA=1； //I2C总线停止时，SDA产生低电平到
高电平的跳变
FOR(I=0；I++；I<4)
_NOP_( )；
}

编写读取PCF8591的A/D转换结果子程序时，流程为：启动起始信号，发器件地址，PCF8591应答，正确则接着发送控制字节，PCF8591应答，正确则传送A/D转换后的数字量，数据传送完则发出结束信号。

本文提出了一种基于日趋流行的I2C总线的锅炉温度测量系统设计方法，经过实际测试，系统运行良好，开发周期缩短。与其他传统设计方法相比，该系统具有简化硬件设计、节省控制器I/O资源、扩展方便、便于实现等优势，提高了测量系统的抗干扰能力和测量精度，具有一定的实用价值。