基于AVR單片機(jī)的溫度測量系統(tǒng)

1 引言

　　傳統(tǒng)溫度測量系統(tǒng)中，一般選用模擬式溫度傳感器。常用的模擬式溫度傳感器，其中一個(gè)共同特點(diǎn)是輸出為模擬量，因此在測量電路中必須經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換才能成為計(jì)算機(jī)所能處理的數(shù)字量。數(shù)字式溫度傳感器將非電模擬量轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號這一處理過程的多個(gè)環(huán)節(jié)集成在單芯片上，實(shí)現(xiàn)了在測量點(diǎn)將溫度值數(shù)字化，有效解決了傳統(tǒng)溫度傳感器外圍電路復(fù)雜，抗干擾能力差的弊病，降低了對系統(tǒng)的要求。

　　該系統(tǒng)以Atmel公司的ATmega8L單片機(jī)為控制中心，溫度測量使用DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器，采用1602字符型液晶顯示器作為溫度值的顯示輸出。編程使用CodeVision AVR C Compiler編譯器，該編譯軟件自帶了使用器件庫函數(shù)文件，省去了編寫器件驅(qū)動(dòng)程序的步驟，為程序的編寫帶來了極大的方便。

2硬件設(shè)計(jì)

　　圖1給出系統(tǒng)電路圖。ATmega8L單片機(jī)的PB0口線連接DS18B20；PD口連接1602 LCD。DS18B20采用源端連接方式，LCD采用4位總線模式。其中，液晶顯示模塊的連接方式取決于編程軟件Code Vision AVR C Compiler的code wizard avr自動(dòng)程序生成器的設(shè)置。采用這種方法，可直接調(diào)用庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)對液晶顯示器的操作。

 
2.1 ATmega 8L單片機(jī)

　　Atmel公司的EEPROM電可擦除技術(shù)、閃速存儲(chǔ)器技術(shù)是最引人矚目的高質(zhì)量和高可靠性生產(chǎn)技術(shù)。在CMOS器件生產(chǎn)領(lǐng)域，Atmel的設(shè)計(jì)水平、生產(chǎn)工藝及封裝技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先地位。這些技術(shù)使單片機(jī)也具有優(yōu)秀的品質(zhì)，在結(jié)構(gòu)、性能等方面具有明顯優(yōu)勢。

　　ATmega8L單片機(jī)的特點(diǎn)是：8 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512字節(jié)EEPROM，1 KB SRAM，32個(gè)通用I／O口線，32個(gè)通用工作寄存器，3個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，片內(nèi)／外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)的兩線串行接口，10位6路A／D轉(zhuǎn)換器，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI串行端口，以及5種可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。

2.2 DS18B20數(shù)字溫度傳感器

　　1-Wire是Dallas公司的一項(xiàng)專有技術(shù)，與目前多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)通信方式，如SPI／I2C／MICROWIRE不同，它采用單根信號線，既傳輸時(shí)鐘，又傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，因此具有節(jié)省I／O口線資源、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

　　DS18B20的測量溫度范圍是-55～+125℃。該溫度傳感器的輸出溫度數(shù)據(jù)可與攝氏度校準(zhǔn)，使用查找表或轉(zhuǎn)換規(guī)則就可計(jì)算溫度值。在溫度寄存器中溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為一個(gè)16位符號擴(kuò)展的兩個(gè)單元，溫度寄存器格式如圖2所示。符號位S表示溫度的正負(fù)。S=0時(shí)為正；S=1時(shí)為負(fù)。當(dāng)DS18B20的配置為12位分辨率時(shí)(測量精度是0.062 5℃)，溫度寄存器的所有位數(shù)據(jù)都是有效的；當(dāng)DS181320的配置為11位分辨率時(shí)(測量精度是0.125℃)，bit0未定義；當(dāng)DS181320的配置為10位分辨率時(shí)(測量精度是0.25℃)，bit0和bit1未定義的；當(dāng)DS181320的配置為9位分辨率時(shí)(測量精度是.．5℃)，bit0～bit2未定義。

2.3 1602液晶顯示器

　　1602液晶顯示器采用金鵬電子有限公司生產(chǎn)的OCM2×16A。字符點(diǎn)陣系列模塊是一類專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，分4位和8位數(shù)據(jù)傳輸方式，提供5×7點(diǎn)陣+光標(biāo)的顯示模式，設(shè)置有顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)DDRAM、字符發(fā)生器CGROM和字符發(fā)生器CGRAM?？梢允褂肅GRAM來存儲(chǔ)自定義的最多8個(gè)5×8點(diǎn)陣的圖形字符的字模數(shù)據(jù)，并提供設(shè)置、清顯示、光標(biāo)回原點(diǎn)、顯示開／關(guān)、光標(biāo)開／關(guān)、顯示字符閃爍、光標(biāo)移位、顯示移位等豐富的指令。此外，還提供了內(nèi)部上電自動(dòng)復(fù)位電路。當(dāng)外加電源電壓超過+4.5 V時(shí)，可自動(dòng)對模塊初始化操作，將模塊設(shè)置為默認(rèn)的顯示工作狀態(tài)。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1 Code Vision AVR C Compiler

　　Code Vision AVR是C交叉編譯器，具有為Atmel公司的AVR系列單片機(jī)所設(shè)計(jì)的集成開發(fā)環(huán)境和程序自動(dòng)生成器。編譯后的coff目標(biāo)文件可以用于C源代碼級調(diào)試，也可以使用AVR Studio調(diào)試器進(jìn)行調(diào)試。

　　除了標(biāo)準(zhǔn)的C庫函數(shù)，Code Vision AVR C Compiler還具有其他器件的庫函數(shù)，如字母數(shù)字液晶顯示模塊、飛利浦I2C總線、NS公司的LM75溫度傳感器、飛利浦的PCF8563和PCF8583、Dallas公司的DS1302和DS1307實(shí)時(shí)時(shí)鐘器件、以及DS1820／DS1822溫度傳感器等。CodeVision AVR還包含了code wizard avr程序自動(dòng)生成器，使用時(shí)只要添加相關(guān)器件的頭文件就可以在短短幾分鐘內(nèi)生成初始化程序，并可以根據(jù)需要調(diào)用頭文件中包含的功能函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對外圍設(shè)備的操作。

3.2程序設(shè)計(jì)

　　圖3所示給出程序流程。編寫程序時(shí)，先要聲明哪些口線與外圍器件通訊，例如DS18B20單線總線與單片機(jī)PB0口線的連接聲明如下：
 

 
　　然后，把功能函數(shù)的頭文件包含到程序中才能調(diào)用頭文件中的功能函數(shù)，頭文件存放于"..INC"目錄下。該溫度測量系統(tǒng)用到的功能函數(shù)在"ds18b20.h"、"1WIRE.h"、"LCD.h"這3個(gè)頭文件中。

　　在調(diào)用功能函數(shù)對DS18B20進(jìn)行操作時(shí)，由于每片DS18B20都有唯一的代碼(64位產(chǎn)品序列號)，在多點(diǎn)溫度測控系統(tǒng)中，代碼是識(shí)別和操作DS18B20的基礎(chǔ)，無論讀取還是選擇對某一個(gè)傳感器進(jìn)行操作，主機(jī)必須發(fā)送64位代碼。如果只有1個(gè)DS18B20，就不需要ROM碼，指針addr要設(shè)為NULL(0)。如果有多個(gè)器件，首先要讀ROM碼對每一個(gè)器件進(jìn)行識(shí)別，然后才能在調(diào)用時(shí)對需要的器件通過ROM碼進(jìn)行地址匹配。程序先對I／O口初始化操作，然后利用頭文件ds18b20.h中的函數(shù)floatds18b20_temperature(unsigned char*addr)讀取溫度值。由函數(shù)定義可知，該函數(shù)的返回值是浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，提取各個(gè)位的值時(shí)需要進(jìn)行整除和取余操作。由于浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)無法進(jìn)行整除和取余操作，需要先轉(zhuǎn)化為長整型數(shù)據(jù)。浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為長整型數(shù)據(jù)時(shí)，小數(shù)點(diǎn)后的值會(huì)丟失，為了保持小數(shù)點(diǎn)后的數(shù)值不會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)化為長整型后丟失，同時(shí)對浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)乘以1 000，這樣就可以分離出百位、十位、個(gè)位、十分位、百分位、千分位的值。將分離出來的各個(gè)位的值分別轉(zhuǎn)化成LCD的字符碼，即可顯示將LCD的字符碼傳送到LCD，并顯示出來。

 
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為了檢測測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了溫度測量實(shí)驗(yàn)。由于鉑電阻溫度傳感器的精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣，因此，作為一種常用的溫度檢測器，不僅廣泛用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。這里，采用PT1000作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。將DS18B20和PT1000捆綁在一起放入高低溫箱中進(jìn)行測試，通過改變高低溫箱的溫度，待箱中溫度穩(wěn)定后，記錄在液晶顯示器上顯示溫度值；同時(shí)用高精度萬用表測PT1000鉑電阻的具體阻值，然后根據(jù)PT1000的分度表算出溫度值，將兩者數(shù)值對比即可算出系統(tǒng)的誤差。表1給出測試結(jié)果?？梢?，DS18B20與PT1000鉑電阻所測的溫度吻合得很好。這說明該溫度測量系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確可靠。

5結(jié)語

　　該溫度測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡單，充分利用編譯器CodeVisionAVR C Compiler的庫函數(shù)，省去編寫驅(qū)動(dòng)程序的麻煩，大大縮短了開發(fā)周期，并且具有抗干擾能力強(qiáng)，擴(kuò)展方便，廉價(jià)和適用的特點(diǎn)，可以擴(kuò)展進(jìn)行多點(diǎn)測量，而且同樣只占用一個(gè)I／O口，在溫度測量系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。