基于SPI接口的溫度測(cè)量系統(tǒng)

摘要 設(shè)計(jì)了基于SPI接口的溫度測(cè)量系統(tǒng)，采用ATmega16單片機(jī)控制，TC72溫度傳感器采集溫度，以及1602液晶屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。系統(tǒng)主要由溫度傳感器電路、LCD液晶顯示模塊電路、矩陣式鍵盤(pán)電路、報(bào)警電路和ATmega16單片機(jī)控制電路5個(gè)模塊組成。ATmega16單片機(jī)根據(jù)TC72溫度傳感器檢測(cè)到的溫度，經(jīng)一定的控制算法給出控制信號(hào)，通過(guò)LCD顯示出檢測(cè)溫度的大?。痪仃囨I盤(pán)可以設(shè)定上限和下限溫度，當(dāng)實(shí)時(shí)溫度超出設(shè)定范圍時(shí)，報(bào)警電路會(huì)發(fā)出警報(bào)，達(dá)到溫度測(cè)量和控制的目的。
關(guān)鍵詞 單片機(jī)；SPI接口；溫度測(cè)量

    在當(dāng)今農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度作為一個(gè)基本物理量起著越來(lái)越重要的作用。隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)溫度測(cè)量的要求是越來(lái)越高，對(duì)溫度測(cè)量的范圍也越來(lái)越廣。因此，溫度測(cè)量和控制技術(shù)具有一定的必要性。

1 硬件電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件電路分為：控制電路、鍵盤(pán)電路、傳感器電路、顯示電路和報(bào)警電路。AVR單片機(jī)接收到TC72溫度傳感器檢測(cè)到的溫度信號(hào)后，經(jīng)過(guò)控制運(yùn)算給出控制信號(hào)，通過(guò)LCD顯示檢測(cè)溫度的大??；矩陣鍵盤(pán)可以設(shè)定溫度上下限值，當(dāng)溫度超出設(shè)定范圍時(shí)，報(bào)警電路會(huì)發(fā)出警報(bào)，達(dá)到溫度測(cè)量和控制的目的。SPI溫控系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

1．1 控制電路模塊
    AVR單片機(jī)由Atmel公司利用Flash新技術(shù)，研制的RISC精簡(jiǎn)指令集的高速8位單片機(jī)，與51系列單片機(jī)相比，在內(nèi)部資源和接口方面，AVR系列單片機(jī)更為豐富和強(qiáng)大。ATmega16單片機(jī)是AVR單片機(jī)系列中的一種。
    ATmega16單片機(jī)是ATmega系列中一種高性能、低功耗的8位AVR RISC微處理器。它支持131條指令，并且大多數(shù)指令只需要單時(shí)鐘周期就能執(zhí)行完成。因此，ATmega16單片機(jī)的數(shù)據(jù)吞吐率可達(dá)1 MI／S·MHz，從而使系統(tǒng)在處理速度與功耗之間的矛盾得到了有效緩減。另外，AT mega16單片機(jī)的內(nèi)核不但指令集豐富而且它的通用工作寄存器達(dá)32個(gè)。其中運(yùn)算邏輯單元與所有寄存器相連，這樣一條指令在一個(gè)時(shí)鐘的周期內(nèi)就可以同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立寄存器。這種結(jié)構(gòu)形式不僅提高了代碼效率，而且其數(shù)據(jù)吞吐率比普通的CISC微控制器高10倍。
1．2 鍵盤(pán)電路模塊
    矩陣式鍵盤(pán)，由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上，行、列分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端，列線通過(guò)上拉電阻接到高電平。無(wú)按鍵動(dòng)作時(shí)，列線處于高電平狀態(tài)；有按鍵按下時(shí)，交點(diǎn)的行線和列線接通，列線電平狀態(tài)將由與此列線相連的行線電平?jīng)Q定。行線電平如果為低，則列線電平為低；行線電平如果為高，則列線電平也為高。這一點(diǎn)是識(shí)別矩陣鍵盤(pán)按鍵是否被按下的關(guān)鍵。由于矩陣鍵盤(pán)中行、列線為多鍵公用，各按鍵均影響該鍵所在行、列的電平，所以必須將行、列線信號(hào)配合適當(dāng)處理，才能確定閉合鍵所在的位置。矩陣式鍵盤(pán)節(jié)省了大量I／O接口，適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合。本系統(tǒng)矩陣式鍵盤(pán)功能設(shè)計(jì)如圖2所示。

    16鍵解碼芯片74C922采用CMOS工藝技術(shù)制造，工作電壓為3～15 V，具有二鍵鎖定功能，編碼為三態(tài)輸出，可與單片機(jī)直接連接，內(nèi)部振蕩器完成4×4鍵盤(pán)矩陣掃描，外接電容用于消抖，鍵盤(pán)矩陣的4行分別連接解碼芯片X1～X4引腳，4列分別連接Y1～Y4引腳。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，解碼芯片的DA引腳向連接單片機(jī)的引腳輸出高電平，同時(shí)封鎖其他按鍵，片內(nèi)鎖存器將保持當(dāng)前按鍵的4位編碼。單片機(jī)與74C922的硬件連接圖如圖3所示。

1．3 溫度傳感器模塊
    設(shè)計(jì)使用的TC72溫度傳感器是一個(gè)數(shù)字溫度傳感器，溫度測(cè)量范圍為-55～+125℃。該傳感器具有一個(gè)4線串行接口，通過(guò)這個(gè)串行接口與單片機(jī)或其他外圍設(shè)備進(jìn)行通信，并且該TC72接口與SPI協(xié)議兼容。同時(shí)在使用TC72時(shí)不需要附加外部電路，它可以工作于連續(xù)的溫度轉(zhuǎn)換模式(Continuous Conversion Mode)或單次轉(zhuǎn)換模式(One-Short Mode)。在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，TC72約每隔150 ms進(jìn)行一次溫度轉(zhuǎn)換，并將獲取的數(shù)據(jù)保存于溫度寄存器中，后者在一次轉(zhuǎn)化后即進(jìn)入省電模式。TC72寄存器地址如表1所示。

    TC72溫度傳感器2 Byte溫度數(shù)據(jù)寄存器格式如表2所示。

1．4 LCD1602顯示模塊
    系統(tǒng)中由于要對(duì)實(shí)時(shí)溫度和報(bào)警溫度進(jìn)行顯示，因而選擇LCD1602顯示屏作為輸出器件。LCD1602字符型液晶顯示屏有16條或14條引腳線，多的2條引腳線用于接背光電源正負(fù)極，平時(shí)使用較少。LCD1602可以顯示兩行且每行16個(gè)字即32個(gè)字符，而且LCD1602價(jià)格便宜，其外圍電路的配置簡(jiǎn)單，具有較高的性價(jià)比。LCD1602內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器存儲(chǔ)了包括英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號(hào)及阿拉伯?dāng)?shù)字等160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，其中每一個(gè)字符都對(duì)應(yīng)著一個(gè)固定的代碼，例如“B”的代碼是01000010B(42H)，顯示時(shí)模塊把地址42H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，這樣就能夠看到字母“B”。單片機(jī)與LCD1602顯示屏的硬件連接如圖4所示。

2 軟件設(shè)計(jì)
    在單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)之所以處于核心地位，最重要的原因在于單片機(jī)上能夠運(yùn)行強(qiáng)大的軟件。因此可以說(shuō)，硬件是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，軟件是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。只有軟硬件協(xié)調(diào)配合，應(yīng)用系統(tǒng)才能良好的工作。
2．1 系統(tǒng)總流程圖
    流程圖分析：當(dāng)電源上電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，啟動(dòng)TC72溫度傳感器并讀取溫度；若此時(shí)溫度沒(méi)有超出設(shè)置的報(bào)警溫度，則液晶正常顯示；若超出報(bào)警溫度，則蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警，按ESC鍵可退出報(bào)警。液晶正常顯示后，系統(tǒng)程序?qū)︽I盤(pán)進(jìn)行掃描，若有設(shè)置鍵按下，則開(kāi)始對(duì)報(bào)警溫度進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后重新讀取溫度并顯示。系統(tǒng)總流程圖如圖5所示。

2．2 鍵盤(pán)程序流程圖
    流程圖分析：若有設(shè)置鍵按下，則進(jìn)入設(shè)置溫度模式；若無(wú)按鍵按下，則讀取溫度數(shù)據(jù)送入液晶屏顯示。在設(shè)置模式下設(shè)置溫度，完成后再送數(shù)據(jù)到液晶屏顯示。鍵盤(pán)程序流程圖如圖6所示。

2．3 LCD顯示程序流程圖
    流程圖分析：首先對(duì)1602顯示屏進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行忙信號(hào)檢查，如果BF=0，則開(kāi)始讀取溫度并寫(xiě)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；如果BF=1，則表示模塊正在進(jìn)行內(nèi)部操作，暫時(shí)不會(huì)接收任何數(shù)據(jù)及外部指令，直到BF=0為止。LCD顯示程序流程圖如圖7所示。

3 仿真與調(diào)試
    單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試主要從軟件調(diào)試和硬件調(diào)試兩方面入手。兩種調(diào)試過(guò)程緊密相關(guān)，而并非分開(kāi)或孤立的，在基于SPI接口的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，用到了AVR Studio 4+Win AVR和Proteus ISIS軟件。
    模擬調(diào)試：首先運(yùn)行AVR Studio軟件，在新建項(xiàng)目窗口中輸入設(shè)計(jì)所用的程序，輸入完成后進(jìn)行編譯、運(yùn)行、保存。然后在Proteus ISIS軟件中畫(huà)出硬件電路圖并進(jìn)行電氣規(guī)則檢查；如果電路設(shè)計(jì)無(wú)誤，選中單片機(jī)ATmega16并雙擊，在對(duì)話框中點(diǎn)擊Program File按鈕，找到經(jīng)過(guò)AVR Studio軟件編譯生成的hex文件，載入后點(diǎn)擊OK按鈕。完成后在Proteus ISIS的Debug菜單中選擇Execute，即可運(yùn)行程序。
    實(shí)現(xiàn)功能的具體方法：按高溫設(shè)置鍵，可調(diào)整當(dāng)前溫度的最高值，按0～9鍵，輸入溫度最高值的大小，按Enter鍵完成設(shè)置；按低溫設(shè)置鍵，可調(diào)整當(dāng)前溫度最低值，按0～9鍵，可輸入溫度最低值大小，按Enter鍵完成設(shè)置；在進(jìn)行高低溫設(shè)置的過(guò)程中，可使用鍵盤(pán)中的ESC、Backspace鍵進(jìn)行返回和刪除操作。高低溫設(shè)置完成后，可通過(guò)調(diào)節(jié)TC72溫度傳感器上的加減鍵進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度調(diào)節(jié)；此時(shí)，如果調(diào)節(jié)的溫度超出設(shè)置的溫度范圍，就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。

4 結(jié)束語(yǔ)
    設(shè)計(jì)了一種基于SPI接口的溫度測(cè)量系統(tǒng)，介紹了如何利用AVR單片機(jī)控制TC72溫度傳感器的新型設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)利用單片機(jī)C語(yǔ)言，以AVR單片機(jī)為控制核心，通過(guò)使用具有SPI接口功能的TC72溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示和報(bào)警功能。