基于AVR单片机的温度测试仪的设计

2014-07-01韩颖

江苏理工学院学报 2014年6期

韩颖

(江苏联合职业技术学院常州建设分院，江苏常州 213016)

0 引言

温度监测无论在工业、农业、科研活动还是日常生活中都非常普遍。随着电子技术和温度测控技术的不断发展，人们对温度的检测提出了更高要求[1]。在温度监测系统中，主要采用两种温度传感器:一是数字式温度传感器，将非电模拟量转换到数字信号过程的多个环节集成在单个芯片上，实现了在测量点将温度值数字化，传感器外围电路简单，抗干扰能力较强，降低了对系统的要求[2]，比如，美国Dallas公司的DS18B20，该传感器集成了温度传感器、信号调整电路、A/D采样和转换电路、存储器等部件，但是其温度测量范围为－55～+125℃[3]，不适用于高温的测量，同时转换时间为750ms，相对转换速率较慢;二是模拟式温度传感器，常用的温度测量元件有热电耦、热敏电阻等，具有测量范围广、反应灵敏、结构简单等特点，虽然其外围电路相对复杂[1]，如采用集成有A/D积分功能的单片机即可大大地简化电路，降低成本，通过软件处理可提高测量的精度。

在电子产品的焊接(特别是无铅焊接)过程中，为保证焊接质量和产品工艺，对烙铁头(或锡炉)的温度有着较高的要求，故本文设计了一种基于AVR单片机的温度测试仪，采用K型热电偶(或定制的三角形)传感器，温度测量范围为0～800℃，分辨率为1℃。

1 硬件系统与结构

硬件系统结构如图1所示，主要由主控电路、温度传感器、信号采样调理电路、环境温度检测电路、电源监测电路、按键、显示电路等构成。温度传感器主要用来测量被测对象的温度;信号采样调理电路主要是将温度值转换成电信号后传送给主控电路进行处理，并转换成温度值显示出来;环境温度检测电路主要是检测仪器当前的工作环境和用于修正计算当前温度测量值;系统采用9V干电池供电，电源监测电路主要是提醒用户在电压不足时更换电池;按键主要实现电源的开启和关闭、显示模式转换、最大值保持等功能;显示电路采用HT1621驱动的LCD显示器。

图1 系统硬件结构框图

1.1 信号采样调理电路

信号采样调理电路如图2所示，由温度信号采样和信号处理两部分组成。温度信号采样时通过K型热电偶(或定制的三角形)传感器与固定电阻串联分压获得，将温度值转换成电压信号V i，信号V i通过二极管D1和D2构成的限幅电路使其范围控制在0～0.7V之间，再经过同相输入比例运算电路进行信号放大，输出信号V o，最后调整至满足ATmega8L单片机A/D转换器的电压输入范围。图2中RW1和RW2主要用于调节测试仪的线性度和精度。

考虑到在高温时采集的信号比较微弱，所以同相输入比例运算电路采用的是OP07集成运算放大器。该芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，具有低失调、高开环增益的特性，特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

图2 信号采样调理电路图

图3 电源监测电路

图4 环境温度检测电路

为了保障测试仪正常运行，系统运行时需要监测系统的电源(干电池)电压，电池电压检测电路如图3所示，通过对ADC1点电压进行监测，判断电量是否充足，当电压低于0.5V时，提醒用户更换电池。为了保障测试仪的测量精度，需要对环境温度进行检测，环境温度检测电路如图4所示，主要是通过负温度系数热敏电阻(NTC)与100K的电阻串联分压测量环境温度，通过对ADC2点电压进行检测，判断环境温度是否在－20～40℃之间，如不满足测试仪将不能正常工作。

1.2 主控电路

该系统以Atmel公司的ATmega8L单片机为控制核心。在CMOS器件生产领域，Atmel的设计水平、生产工艺及封装技术一直处于世界领先地位，也使得其单片机具有优秀的品质，在结构、性能等方面具有明显优势[4]。与51系列单片机相比，AVR系列单片机拥有高性能、高速度、低功耗等优点[5]。ATmega8L内部集成有一个10位的逐次逼近型A/D转换器，与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自PC端口的8路单端输入电压进行单次或连续转换;同时，该转换器包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定;另外，该转换器具有专门的时钟，这样可以在ADC工作的时候停止CPU和I/O时钟以降低数字电路产生的噪声，从而提高ADC转换精度。A/D转换过程中单端电压输入以0V(GND)为基准，转换时间为13～260μS[6]。

本测试仪中时钟采用片内RC振荡器提供的固定8.0MHz的时钟，通过编程设定CKSEL[3.0]为0100即可。ATmega8L的PD2、PD3、PD4端口分别与按键 K1(电源)、K2(℃/℉)、K3(最大值保持)相连;PC0、PC1、PC2、端口分别与ADC0(温度测量)、ADC1(电源电量监测)、ADC2(环境温度检测)相连;PD5用于电源的控制，电源的开启自锁和断开控制;PB2用于输出方波信号，作为产生负电压电源用。

图5 主控电路原理图

图6 正电压电源电路图

1.3 电源电路

本测试仪中的电源主要有主控电路使用的正电源、OP07使用的正负电源、还有A/D积分中的基准电压源。正电压电源电路如图6所示，本测试仪中采用HT7550进行降压处理得到正电压为+5V。HT7550为COMS高电流低电压稳压器，允许输入电压可达24V，输出100mA电流5V稳定电压的稳压器件。图6中的POW1与主控电路中的K1(电源)相连，POW2与主控电路中的PD5端口相连。当按键K1按下时，POW1为低电平，Q1饱和导通，系统得电后ATmega8L开始工作，PD5输出高电平，Q4饱和导通，Q1饱和导通，形成自锁，保证电源供电，当ATmega8L单片机正常工作后，若检测到K1(电源)按下，则PD5输出低电平，Q4截止，Q1截止，系统断电。

OP07使用的正电源为主控电路的正电源，其负电源的产生如图7所示，Square与ATmega8L的PB2口相连，PB2口输出的是约600Hz的方波，通过外接两只电解电容和两只二极管产生负电压电源。测试仪中A/D积分的基准电压为2.5V，采用精密可调基准电源TL431构成的2.5V电源电路，如图8所示。

图7 负电压电源电路图

图8 基准电压电路图

2 软件设计

软件设计使用的是嵌入式IAR Embedded Workbench集成开发环境，其提供了一个框架，任何可用的工具都可以完整地嵌入其中，这里工具包括:高度优化的IAR AVR C/C++编译器、AVR IAR汇编器、通用IAR XLINK Linker;IAR XAR库创建器和IAR XLIB Librarian等。通过IAR工具，有效提高用户的工作效率，同时，普通或特定的AVR最优化技术可以产生出高效的机器代码。

本测试仪采用模块化程序，主要有主程序模块，按键处理子程序模块、定时中断处理子程序等。本测试仪的主程序流程图如图9所示，系统初始化的主要内容是ATmega8L单片机的端口配置，初始化定时器，E2PROM等，单片机启动后立即通过PD5端口输出高电平以保证系统正常供电;室温的检测采用的是多次积分后取平均值，通过逐次逼近法计算当前的环境温度;电池电量的监测主要是通过判断积分后的数值只要大于设定值即可;温度测量同样采用取平均值法，不过在计算的过程中要分段处理，将0～800℃分为若干段，假设在某一分段内A/D积分的值(即温度的变化)是线性，通过相关的计算并结合环境温度进行修正和调整方可得到当前测量的温度值。

图9 主程序流程图

为保证测试测量结果的实时性和精度，系统通过采用定时500μs进行一次A/D转换，定时中断服务子程序如图10所示。进入定时中断后首先获取当前积分的通道，取当前积分的值并与先前保存的值相加，若当前通道已经进行了16次的A/D转换，则通过求平均值得到精确的积分值，然后到主程序中进行计算，并准备下一通道的A/D转换;若当前通道A/D转换次数不满16次，则在当前通道准备下一次的积分。