基于AVR單片機的溫度測試儀的設計

韓 穎

(江蘇聯合職業技術學院常州建設分院，江蘇 常州 213016)

0 引言

溫度監測無論在工業、農業、科研活動還是日常生活中都非常普遍。隨著電子技術和溫度測控技術的不斷發展，人們對溫度的檢測提出了更高要求[1]。在溫度監測系統中，主要采用兩種溫度傳感器:一是數字式溫度傳感器，將非電模擬量轉換到數字信號過程的多個環節集成在單個芯片上，實現了在測量點將溫度值數字化，傳感器外圍電路簡單，抗干擾能力較強，降低了對系統的要求[2]，比如，美國Dallas公司的DS18B20，該傳感器集成了溫度傳感器、信號調整電路、A/D采樣和轉換電路、存儲器等部件，但是其溫度測量范圍為－55～+125℃[3]，不適用于高溫的測量，同時轉換時間為750ms，相對轉換速率較慢;二是模擬式溫度傳感器，常用的溫度測量元件有熱電耦、熱敏電阻等，具有測量范圍廣、反應靈敏、結構簡單等特點，雖然其外圍電路相對復雜[1]，如采用集成有A/D積分功能的單片機即可大大地簡化電路，降低成本，通過軟件處理可提高測量的精度。

在電子產品的焊接(特別是無鉛焊接)過程中，為保證焊接質量和產品工藝，對烙鐵頭(或錫爐)的溫度有著較高的要求，故本文設計了一種基于AVR單片機的溫度測試儀，采用K型熱電偶(或定制的三角形)傳感器，溫度測量范圍為0～800℃，分辨率為1℃。

1 硬件系統與結構

硬件系統結構如圖1所示，主要由主控電路、溫度傳感器、信號采樣調理電路、環境溫度檢測電路、電源監測電路、按鍵、顯示電路等構成。溫度傳感器主要用來測量被測對象的溫度;信號采樣調理電路主要是將溫度值轉換成電信號后傳送給主控電路進行處理，并轉換成溫度值顯示出來;環境溫度檢測電路主要是檢測儀器當前的工作環境和用于修正計算當前溫度測量值;系統采用9V干電池供電，電源監測電路主要是提醒用戶在電壓不足時更換電池;按鍵主要實現電源的開啟和關閉、顯示模式轉換、最大值保持等功能;顯示電路采用HT1621驅動的LCD顯示器。

圖1 系統硬件結構框圖

1.1 信號采樣調理電路

信號采樣調理電路如圖2所示，由溫度信號采樣和信號處理兩部分組成。溫度信號采樣時通過K型熱電偶(或定制的三角形)傳感器與固定電阻串聯分壓獲得，將溫度值轉換成電壓信號V i，信號V i通過二極管D1和D2構成的限幅電路使其范圍控制在0～0.7V之間，再經過同相輸入比例運算電路進行信號放大，輸出信號V o，最后調整至滿足ATmega8L單片機A/D轉換器的電壓輸入范圍。圖2中RW1和RW2主要用于調節測試儀的線性度和精度。

考慮到在高溫時采集的信號比較微弱，所以同相輸入比例運算電路采用的是OP07集成運算放大器。該芯片是一種低噪聲，非斬波穩零的雙極性運算放大器集成電路，具有低失調、高開環增益的特性，特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。

圖2 信號采樣調理電路圖

圖3 電源監測電路

圖4 環境溫度檢測電路

為了保障測試儀正常運行，系統運行時需要監測系統的電源(干電池)電壓，電池電壓檢測電路如圖3所示，通過對ADC1點電壓進行監測，判斷電量是否充足，當電壓低于0.5V時，提醒用戶更換電池。為了保障測試儀的測量精度，需要對環境溫度進行檢測，環境溫度檢測電路如圖4所示，主要是通過負溫度系數熱敏電阻(NTC)與100K的電阻串聯分壓測量環境溫度，通過對ADC2點電壓進行檢測，判斷環境溫度是否在－20～40℃之間，如不滿足測試儀將不能正常工作。

1.2 主控電路

該系統以Atmel公司的ATmega8L單片機為控制核心。在CMOS器件生產領域，Atmel的設計水平、生產工藝及封裝技術一直處于世界領先地位，也使得其單片機具有優秀的品質，在結構、性能等方面具有明顯優勢[4]。與51系列單片機相比，AVR系列單片機擁有高性能、高速度、低功耗等優點[5]。ATmega8L內部集成有一個10位的逐次逼近型A/D轉換器，與一個8通道的模擬多路復用器連接，能對來自PC端口的8路單端輸入電壓進行單次或連續轉換;同時，該轉換器包括一個采樣保持電路，以確保在轉換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定;另外，該轉換器具有專門的時鐘，這樣可以在ADC工作的時候停止CPU和I/O時鐘以降低數字電路產生的噪聲，從而提高ADC轉換精度。A/D轉換過程中單端電壓輸入以0V(GND)為基準，轉換時間為13～260μS[6]。

本測試儀中時鐘采用片內RC振蕩器提供的固定8.0MHz的時鐘，通過編程設定CKSEL[3.0]為0100即可。ATmega8L的PD2、PD3、PD4端口分別與按鍵 K1(電源)、K2(℃/℉)、K3(最大值保持)相連;PC0、PC1、PC2、端口分別與ADC0(溫度測量)、ADC1(電源電量監測)、ADC2(環境溫度檢測)相連;PD5用于電源的控制，電源的開啟自鎖和斷開控制;PB2用于輸出方波信號，作為產生負電壓電源用。

圖5 主控電路原理圖

圖6 正電壓電源電路圖

1.3 電源電路

本測試儀中的電源主要有主控電路使用的正電源、OP07使用的正負電源、還有A/D積分中的基準電壓源。正電壓電源電路如圖6所示，本測試儀中采用HT7550進行降壓處理得到正電壓為+5V。HT7550為COMS高電流低電壓穩壓器，允許輸入電壓可達24V，輸出100mA電流5V穩定電壓的穩壓器件。圖6中的POW1與主控電路中的K1(電源)相連，POW2與主控電路中的PD5端口相連。當按鍵K1按下時，POW1為低電平，Q1飽和導通，系統得電后ATmega8L開始工作，PD5輸出高電平，Q4飽和導通，Q1飽和導通，形成自鎖，保證電源供電，當ATmega8L單片機正常工作后，若檢測到K1(電源)按下，則PD5輸出低電平，Q4截止，Q1截止，系統斷電。

OP07使用的正電源為主控電路的正電源，其負電源的產生如圖7所示，Square與ATmega8L的PB2口相連，PB2口輸出的是約600Hz的方波，通過外接兩只電解電容和兩只二極管產生負電壓電源。測試儀中A/D積分的基準電壓為2.5V，采用精密可調基準電源TL431構成的2.5V電源電路，如圖8所示。

圖7 負電壓電源電路圖

圖8 基準電壓電路圖

2 軟件設計

軟件設計使用的是嵌入式IAR Embedded Workbench集成開發環境，其提供了一個框架，任何可用的工具都可以完整地嵌入其中，這里工具包括:高度優化的IAR AVR C/C++編譯器、AVR IAR匯編器、通用IAR XLINK Linker;IAR XAR庫創建器和IAR XLIB Librarian等。通過IAR工具，有效提高用戶的工作效率，同時，普通或特定的AVR最優化技術可以產生出高效的機器代碼。

本測試儀采用模塊化程序，主要有主程序模塊，按鍵處理子程序模塊、定時中斷處理子程序等。本測試儀的主程序流程圖如圖9所示，系統初始化的主要內容是ATmega8L單片機的端口配置，初始化定時器，E2PROM等，單片機啟動后立即通過PD5端口輸出高電平以保證系統正常供電;室溫的檢測采用的是多次積分后取平均值，通過逐次逼近法計算當前的環境溫度;電池電量的監測主要是通過判斷積分后的數值只要大于設定值即可;溫度測量同樣采用取平均值法，不過在計算的過程中要分段處理，將0～800℃分為若干段，假設在某一分段內A/D積分的值(即溫度的變化)是線性，通過相關的計算并結合環境溫度進行修正和調整方可得到當前測量的溫度值。

圖9 主程序流程圖

為保證測試測量結果的實時性和精度，系統通過采用定時500μs進行一次A/D轉換，定時中斷服務子程序如圖10所示。進入定時中斷后首先獲取當前積分的通道，取當前積分的值并與先前保存的值相加，若當前通道已經進行了16次的A/D轉換，則通過求平均值得到精確的積分值，然后到主程序中進行計算，并準備下一通道的A/D轉換;若當前通道A/D轉換次數不滿16次，則在當前通道準備下一次的積分。

圖10 定時中斷服務子程序

3 實驗結果

在確定了本測試儀的方案之后，為了系統設計的可行性和有效性，制作了基于AVR單片機的溫度測試儀樣機一只，實物如圖11所示。通過對電焊臺進行了相關溫度測試實驗，實驗數據如表1所示。從表1中數據可見，在100℃到400℃這個區間，測量精度較高，在低溫區和高溫區誤差相對較大，測量結果滿足設計的精度要求。

圖11 溫度測試儀電路板

表1 實驗數據分析表

4 結語

本文設計了一種基于ATmega8L單片機的溫度測試儀，采用K型熱電偶(或定制的三角形)傳感器對電焊臺、焊錫爐等焊接設備焊接溫度進行檢測和校準。實驗表明，該測試儀具有使用方便、運行穩定、結構簡單、成本低、精度較高等特點，在其他溫度測量系統中也具有很好的推廣和應用價值。

[1]陳柱，聶立波，常浩.基于AVR單片機的溫度測量與控制系統設計[J].湖南工業大學學報，2012(03):76－81.

[2]李龍飄，王嵐，萬傳松，等.基于 AVR單片機的溫度測量系統[J].國外電子元器件，2008(08):40－42.

[3]于克龍，畢小龍，邱立峻.數字溫度傳感器DS18B20的應用[J].機械制造與自動化，2004，33(2):47－49.

[4]耿德根，宋建國，馬潮，等.AVR高速嵌入式單片機原理與應用[M].北京:北京航空航天大學出版社，2001.

[5]陳忠平，高金定.基于ATmega16與DS18B20的智能溫控系統的設計[J].現代電子技術，2011(04):175－177.

[6]張軍，宋濤.AVR單片機C語言程序設計實例精粹[M].北京:電子工業出版社，2009.