基于PIC單片機(jī)的檔案保存?zhèn)}儲運輸領(lǐng)域的溫度記錄儀設(shè)計

桂林市房產(chǎn)檔案館 歐肇成

基于PIC單片機(jī)的檔案保存?zhèn)}儲運輸領(lǐng)域的溫度記錄儀設(shè)計

桂林市房產(chǎn)檔案館 歐肇成

隨著大數(shù)據(jù)概念的提出，近年來，各類數(shù)據(jù)如何精確采集與處理，成為了熱點課題，在檔案保存、食品藥品的倉儲運輸?shù)阮I(lǐng)域也不例外。在檔案保存、食品藥品領(lǐng)域，溫度數(shù)據(jù)是一個十分重要的數(shù)據(jù)，它直接影響著檔案防蟲、紙張變質(zhì)、食品藥品的安全。因此開發(fā)出一種低成本，高精度，自由的設(shè)置記錄溫度時間間隔，且能快速方便的用計算機(jī)讀出數(shù)據(jù)的環(huán)境溫度記錄產(chǎn)品是很有必要的。而PIC單片機(jī)作為一種功能強，穩(wěn)定，低功耗的單片機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了電子產(chǎn)品的設(shè)計當(dāng)中，所以本設(shè)計以PIC單片機(jī)，LCD驅(qū)動，AD轉(zhuǎn)換，SPI協(xié)議，串口通信等技術(shù)為基礎(chǔ)的溫度記錄儀設(shè)計。

溫度記錄；PIC單片機(jī)；AD轉(zhuǎn)換；SPI協(xié)議

根據(jù)紙質(zhì)檔案保存原則與查閱的便利性以及經(jīng)過成本計算后，經(jīng)常查閱的紙質(zhì)檔案應(yīng)當(dāng)保存在溫度14℃-24℃之間，濕度在45%-60%。這一類溫度測試記錄，對精度要求不是特別高，而對測試長時間的穩(wěn)定性，因為測試時間長，幾個月到幾年都有可能，如1小時差10秒，一年之后可能差1天，所以時間的精確度要求較高。為了真實準(zhǔn)確的記錄面積較大檔案室中各個位置的數(shù)據(jù)，且能快速查看當(dāng)前溫度要求測試儀體積小，帶LCD顯示。根據(jù)以上實際情況，制定以下技術(shù)規(guī)格：溫度測試范圍：-30℃～ 70℃。其中-20℃ ～ 40℃范圍內(nèi)±0.5℃，其他±1.0℃。記錄數(shù)據(jù)最大量為：32000個。記錄間隔：10秒至24小時可設(shè)置，分辨率1秒。時間精度：每1000秒，±3秒。根據(jù)以上描初期設(shè)計的參數(shù)指標(biāo)，經(jīng)過一系列的方案驗證，為了實現(xiàn)集LCD驅(qū)動，AD轉(zhuǎn)換，SPI，串口通信各種功能于一體的的溫度記錄儀且體積小大小接近U盤。這里選用了PICLF1939單片機(jī)，這款單片機(jī)低功耗，自帶LCD驅(qū)動，片內(nèi)64K EEPROM，10位AD轉(zhuǎn)換，有SPI接口和串口接口。完全滿足設(shè)計要求。此外，為了實現(xiàn)USB接口與電腦通訊，需要CH340USB串口翻譯芯片，512K的片外EEPROM M95512存儲溫度數(shù)據(jù)以及電源管理芯片等。

一、溫度采集計算

在溫度精度要求不高的情況下，這里采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，圖1是各個溫度的誤差百分比。從圖上不難看出，該熱敏電阻在-30℃-40℃誤差小，其中20℃左右誤差最小，是符合被測試環(huán)境要求的。

圖1

電路采用與10K高精度電阻串聯(lián)分壓后連接PICLF1939模擬輸入端，在熱敏電阻于GND之間并聯(lián)104電容，過濾干擾信號，PICLF1939的 模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為該信號的 10 位二進(jìn)制表示。該器件使用模擬輸入，這些輸入通過多路開關(guān)連接到一個采樣保持電路。采樣保持電路的輸出與轉(zhuǎn)換器的輸入相連。該轉(zhuǎn)換器通過逐次逼近法生成 10 位二進(jìn)制數(shù)并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲到ADC 結(jié)果寄存器（ADRESH:ADRESL寄存器對）。與AD轉(zhuǎn)換相關(guān)的寄存器：TRISA：端口PORTA的方向寄存器，把被轉(zhuǎn)換的電壓連接的模擬輸入口設(shè)置為輸入。

ADCON0，

CHS<4:0＞：模擬通道選擇，選擇通道0,00000 = AN0。

GO/DONW：1 = A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。將該位置 1 可啟動A/ D轉(zhuǎn)換周期。 當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換完成以后，該位由硬件自動清零。 0 = A/D轉(zhuǎn)換完成 /未進(jìn)行。

ADON：ADC使能位，1=ADC被使能，0=ADC 被禁止且不消耗工作電流。為了節(jié)能，只用在AD轉(zhuǎn)換時才開啟。結(jié)束后關(guān)閉。

ADCON1，

ADFM：1 =右對齊。

ADCS<2:0＞：AD轉(zhuǎn)換時鐘選擇位。本次選擇111=FRC由專用RC振蕩器提供時鐘。FRC在睡眠模式依然可以工作。

ADNREF：0 = VREF- 與VSS 連接。

ADPREF：00 = VREF+與VDD 連接。

ANSELA：PORTA 模擬選擇寄存器，設(shè)置為0x03把RA0，RA1設(shè)置為模擬輸入位。

這里在溫度采樣時，標(biāo)準(zhǔn)電壓與系統(tǒng)的電源和GND相連。因為計時與通訊模塊都需要用到中斷，而AD轉(zhuǎn)換是定時進(jìn)行不存在不確定突發(fā)事件，所以本次INTCON PIE1 PIR1等寄存器關(guān)于AD轉(zhuǎn)換的中斷，全部關(guān)閉，采用查詢修改GO/DONW位來控制和判斷AD的狀態(tài)。

二、溫度的計算方法

如下圖2所示阻值與溫度的關(guān)系，是非線性的，為了綜合考慮精確度和程序空間利用微分原理，把該曲線每5攝氏度分段，每段用一個直線方程表示。

圖2

程序中，把AD轉(zhuǎn)換的值轉(zhuǎn)換成電阻值代入直線方程救可得出溫度值。

例如：

11℃的中心阻值是19500Ω，15℃的中心阻值15600Ω。假設(shè)直線方程為Y=KX+B X=11,15；Y=19500,15600；計算結(jié)果不需要小數(shù)，所以放大10倍以后，得出的直線方程為：X=（30225-Y）/98

ADCON1=0b11110000;//右對齊，F(xiàn)RC為AD時鐘。

ADCON0=0b00000000;//模擬通道0；標(biāo)準(zhǔn)電壓連接電壓與GND。

FVRCON=0b00000000;//內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)電壓關(guān)閉。

ANSELA = 0x03; //RA0，RA1，設(shè)為模擬通道

ADCON0bits.ADON=1; //使能AD轉(zhuǎn)換

DelayUs(100);

ADCON0bits.GO_nDONE=1;//GO_nDONE置1，AD開始

DelayUs(50);

if(!ADCON0bits.GO_nDONE)//查詢GO_nDONE，為0時AD轉(zhuǎn)換結(jié)束

{short Advaule;

unsigned long Adteko,Adfx;

gTestH=ADRES; //取出AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果

Adteko=gTestH*10000;

Adteko=Adteko/(1023-gTestH);//還原阻值。

if((Adteko<19500)&&(Adteko＞=15600))//例：還原阻值后，阻值代入直線方程

{ Adfx=30225-Adteko;

Advaule=Adfx/98;

Advaule+=gSet.Ver; //得出溫度值，加減校準(zhǔn)值進(jìn)一步調(diào)整

…… 以下省略

return Advaule; }

三、溫度驗證與校對方法

（1）根據(jù)《JJF 1366-2012溫度數(shù)據(jù)采集儀校準(zhǔn)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)的要求，選用標(biāo)準(zhǔn)恒溫箱與標(biāo)準(zhǔn)溫度計進(jìn)行驗證，對實驗環(huán)境的要求如下：a) 環(huán)境溫度 (20 土 5)t；b) 相對濕度=不超過 85 Yo；c) 當(dāng)電測儀器對環(huán)境條件另有要求時，應(yīng)滿足其規(guī)定要求。

主要檢測設(shè)備

測溫設(shè)備：標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計，技術(shù)要求二等；

恒溫設(shè)備：恒溫槽，溫度均勻性不超過 0.01 ℃，溫度波動性不超過 0.02 ℃/10 min；

專用恒溫箱：溫度范圍為( -50～+150)℃溫度均勻度不超過0.05 ℃，溫度波動度不超過士 0.02 ℃/10 min 。

把代校準(zhǔn)待測試的溫度記錄儀和標(biāo)準(zhǔn)的鉑電阻溫度計的測溫部分一同放在專用恒溫箱中，用標(biāo)準(zhǔn)溫度計的讀書與溫度記錄儀的讀數(shù)作比較，經(jīng)過多個產(chǎn)品多次測試校準(zhǔn)，利用直方圖，散布圖以及工程能力計算等手段，把程序中各條溫度計算曲線調(diào)到最接近測試結(jié)果中心值的狀態(tài)。

（2）與保證時間精度一樣，因為每一個熱敏電阻都有個體誤差，為保證每個溫度記錄儀的溫度準(zhǔn)確，需要在恒溫箱中，測出被測產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)溫度計某一點的溫差，再利用上位PC機(jī)把溫差換算成補償溫度值，由USB發(fā)給產(chǎn)品的單片機(jī)，單片機(jī)把補償值記錄在片內(nèi)的EEPROM中，程序上每次測試溫度都要跳出補償值加在結(jié)果上。

四、溫度數(shù)據(jù)的保存

因為溫度數(shù)據(jù)是一個-300至+700的有符號數(shù)據(jù)，所以每一個溫度數(shù)據(jù)都要2個字節(jié)保存，想要存到32000個數(shù)據(jù)片內(nèi)EEPROM是不夠的，這里利用512Kbit的片外EEPROM M95512，不需要串口通信控制，利用SPI總線就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。512Kbit 64K字節(jié)，符合32000個數(shù)據(jù)，保存空間需要64000個字節(jié)的要求的。SPI總線，SPI 總線可以允許有一個主器件和一個或多個從器件同時工作。這里單片機(jī)作為主器件，只需要一個從器件M95512就足夠保存數(shù)據(jù)了。M95512的工作方式，由主器件發(fā)出命令，從器件做出相應(yīng)的回答，所以只用控制主器件的發(fā)射接收。控制方式主要有兩種第一種設(shè)置SSPCON1、SSPSTAT等寄存器，對SSPBUF進(jìn)行讀寫來與從器件通訊。第二種不設(shè)置寄存器，可以用任何I/O口來實現(xiàn)S位選，SCK時鐘，SDO輸出數(shù)據(jù)，SDI輸入數(shù)據(jù)。發(fā)送方法如下：

for(tmp=0;tmp<8;tmp++)//根據(jù)發(fā)送長度，改變循環(huán)次數(shù)或調(diào)用次數(shù)

{if(cmd &0x80)// 把發(fā)送內(nèi)容存入cmd

SDO_H; //判斷最高位，最高位為1輸出置1

Else

SDO_L; //最高位為0輸出置0

SCK_H; //時鐘高

DelayUS(1); //延時

SCK_L; //時鐘低把當(dāng)前位數(shù)據(jù)發(fā)向從器件

cmd <<= 1; } //左移，判斷下一位

接收方法如下：

for(tmp=0;tmp<8;tmp++)

{ SCK_H; //時鐘高再低讀回一位數(shù)據(jù)

DelayUS(1);

SCK_L;

if(!SDI)

readout &= 0xFE;//輸入數(shù)據(jù)存入中間變量

else

readout |= 0x01;

if(tmp != 7) readout <<=1;}

return readout; //返回數(shù)據(jù)

例如要在0x0001地址中寫入 0x55數(shù)據(jù)，流程是片選S置0選中該存儲器，時鐘和輸出都置0，向存儲器發(fā)送0x06寫使能命令，再發(fā)送0x02寫操作命令，接下來先發(fā)地址0x0001，再發(fā)數(shù)據(jù)0x55，就把0x55寫入到了0x0001地址中。同樣為了節(jié)能SPI的片選使能都是平時關(guān)閉，要用時開啟。

五、液晶顯示

PIC16LF1939器件中，該模塊最多能驅(qū)動 4 個公共端和 24段的面板。可以直接驅(qū)動液晶模塊不需要液晶自帶驅(qū)動和操作程序，這樣就大大降低的顯示的成本，原來幾十上百的液晶驅(qū)動模塊現(xiàn)在加上接觸用的斑馬條只需要2塊錢左右。通過設(shè)置LCDCON LCDCST LCDPS LCDREF LCDRL LCDSE等寄存器就可以驅(qū)動LCD，通過給LCDDATA賦值，就可改變LCD顯示。平時關(guān)閉LCDEN=0，以降低能耗。

六、用戶界面

把溫度記錄儀插上PC USB接口，可以立即讀取記錄儀的記錄數(shù)據(jù)，并生成時間溫度的曲線圖。還可以將數(shù)據(jù)用Execl文件形式導(dǎo)出。用戶界面中可以設(shè)置溫度測量的時間間隔，報警上下限延時啟動時間，同步時間等等。都是通過PC與單片機(jī)之間的自制串口協(xié)議進(jìn)行通訊的。

七、結(jié)語

在各種信息數(shù)據(jù)大爆炸的物聯(lián)網(wǎng)時代，人們更關(guān)心數(shù)據(jù)的多樣性與準(zhǔn)確性，以及通過數(shù)據(jù)分析出的對生活生產(chǎn)有價值的結(jié)果。而單片機(jī)也在飛速發(fā)展，集成度越來越高，體積越來越小，專用通用的各種功能越來越強。因此單片機(jī)勢必會在數(shù)據(jù)采集的末端大放異彩。

[1]《PIC16F1939 data sheet》．

[2]《JJF 1366-2012溫度數(shù)據(jù)采集儀校準(zhǔn)規(guī)范》．

[3]《M95512 data sheet》．

[4]《CH340 data sheet》．