基于AVR單片機(jī)捕獲中斷和熱敏電阻的溫度測(cè)量

溫度測(cè)量常采用熱敏電阻做傳感器，測(cè)量的方法有R-V轉(zhuǎn)換電壓測(cè)量法和R-F轉(zhuǎn)換頻率測(cè)量法。這兩種方法的電路復(fù)雜成本高，并且電路中很多元器件直接影響測(cè)量精度。本文介紹一種類R-F轉(zhuǎn)換頻率測(cè)量溫度的方法。

1 負(fù)溫?zé)崦綦娮?/p>

PSB型負(fù)溫?zé)崦綦娮栌蒀o，Mn，Ni等過渡金屬元素的氧化物組成，經(jīng)高溫?zé)砂胩沾桑冒雽?dǎo)體毫微米的精密加工工藝，采用玻璃管封裝，耐溫性好，可靠性高，反應(yīng)速度快、靈敏度高。他采用軸向型結(jié)構(gòu)，便于安裝，能承受更高溫度，且玻璃封裝耐高低溫(-50～350℃)。PT-25E2熱敏電阻溫度阻值變化曲線圖如圖1所示。

2 AVR單片機(jī)測(cè)溫原理

溫度測(cè)量電路如圖2所示，標(biāo)準(zhǔn)電阻Rp，熱敏電阻Rt，電容C1與AVR單片機(jī)三個(gè)引腳相連。其中PC0，PC1為一般普通IO引腳，CP1為捕獲觸發(fā)輸入引腳，可以設(shè)定上升沿觸發(fā)捕獲中斷。

Rp為100 kΩ的精密電阻；Rt為100 kΩ精度為1％的熱敏電阻；C1為0.1μF的瓷片電容。

其工作原理為：

先將PC0，PC1，CP1都設(shè)為低電平輸出，使C1完全放電。

接著將PC1，CP1設(shè)置為輸入狀態(tài)，PC0設(shè)為高電平輸出，通過Rp電阻對(duì)C1充電，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器從零開始計(jì)時(shí)。電容實(shí)際充電曲線如圖3所示，當(dāng)C1上的電壓逐步升高到Vh，CP1檢測(cè)出電壓達(dá)到單片機(jī)高電平輸入門檻電壓時(shí)，將定時(shí)器計(jì)數(shù)值捕獲，從而測(cè)出從開始充電到CP1轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖降臅r(shí)間Tp。

再次將PC0，PC1，CP1都設(shè)為低電平輸出，使C1完全放電。

隨后將PC0，CP1設(shè)置為輸人狀態(tài)，PC1設(shè)為高電平輸出，通過Rt電阻對(duì)C1充電，過程同上，得到時(shí)間Tt。

通過單片機(jī)計(jì)算得到熱敏電阻Rt的阻值，并通過查表法可以得到溫度值。

從上述可以看出，該測(cè)溫電路的誤差來源于這幾個(gè)方面：?jiǎn)纹瑱C(jī)的定時(shí)器精度，精密電阻Rp的精度，熱敏電阻Rt的精度，而與單片機(jī)的輸出電壓值、門檻電壓值、電容精度無關(guān)。因此，適當(dāng)選取熱敏電阻Rt和精密電阻Rp的精度，單片機(jī)的工作頻率夠高，就可以得到較好的測(cè)溫精度。

3 AVR捕獲

本文以AVR系列中高性價(jià)比的ATmage88為例，利用16位時(shí)鐘單元T／C1的捕獲中斷來實(shí)現(xiàn)電容充電時(shí)間的測(cè)量，單片機(jī)時(shí)鐘選擇8 MHz。輸入捕獲單元方框圖如圖4所示。當(dāng)引腳ICP1上的邏輯電平(事件)發(fā)生了變化，并且這個(gè)電平變化為邊沿檢測(cè)器所證實(shí)，輸入捕捉被激發(fā)：16位的TCNT1數(shù)據(jù)被復(fù)制到輸入捕捉寄存器ICR1，同時(shí)輸入捕捉標(biāo)志位ICF1置位。如果此時(shí)ICIE1為1，輸入捕捉標(biāo)志將產(chǎn)生輸入捕獲中斷。

ATmega88在3.3 V供電時(shí)，當(dāng)電容電壓上升到1.84 V時(shí)，如圖3所示，發(fā)生捕獲中斷。

4 軟件設(shè)計(jì)

基于ATmage88捕獲中斷測(cè)溫程序流程圖如圖5所示，包括主程序流程圖，捕獲中斷流程圖和定時(shí)溢出中斷流程圖。

ATmage88定時(shí)器初始化涉及TCCR1B，TIMSK1控制寄存器的配置，介紹如下：

ICNC1：輸入捕捉噪聲抑制器，“1”啟用；

ICES1：捕捉觸發(fā)沿選擇，“1”上升沿，“0”下降沿；

CS1[2：0]：時(shí)鐘選擇，有多種預(yù)分頻時(shí)鐘可供選擇；

ICIE1：T／C1輸入捕捉中斷使能；

TOIE1：T／C1溢出中斷使能。

定時(shí)器T1初始化代碼如下(AVR-GCC)：

其中宏定義Tp=0；Tt=1；需要定義數(shù)組：

uint16_t timeL[2]，timeH[2]，counter[2]

當(dāng)測(cè)量時(shí)間超過定時(shí)器最長(zhǎng)計(jì)時(shí)時(shí)，定時(shí)器會(huì)溢出，定時(shí)器T1溢出中斷函數(shù)代碼如下：

最后通過查表法就可以得到測(cè)量的溫度。查表溫度間隔一般為1℃，如果忽略熱敏電阻1℃以內(nèi)的非線性誤差，可以將兩攝氏度之間取線性計(jì)算，這樣可以得到0.1℃的分辨率。

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者應(yīng)用該方法已設(shè)計(jì)出一款溫度計(jì)，在范圍-10～80℃時(shí)，分辨率達(dá)到0.1℃，誤差在0.5℃以內(nèi)。本文充分利用了AVR的捕獲功能，使得電路簡(jiǎn)潔，成本低廉。