基于ATmega16A的低功耗高精度橋式溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈丹鳳 ，來(lái)瑞俊，孔英會(huì) ，田 川

（1.華北電力大學(xué)電子與通信工程系，河北 保定 071003；2.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

基于ATmega16A的低功耗高精度橋式溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈丹鳳1，來(lái)瑞俊1，孔英會(huì)1，田 川2

（1.華北電力大學(xué)電子與通信工程系，河北 保定 071003；2.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

當(dāng)前溫度測(cè)量應(yīng)用越來(lái)越廣泛，針對(duì)工農(nóng)業(yè)及科研領(lǐng)域?qū)Φ凸募案呔葴y(cè)溫的要求，系統(tǒng)描述了一個(gè)橋式測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與工作原理。系統(tǒng)采用低功耗AVR單片機(jī)作為控制芯片，通過(guò)單臂分壓將熱敏電阻分壓后的電壓信號(hào)傳入A/D轉(zhuǎn)換芯片，再將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入單片機(jī)計(jì)算，從而得到熱敏電阻阻值，最后通過(guò)曲線(xiàn)擬合算出所測(cè)溫度值。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)低功耗、高精度測(cè)溫。

低功耗；高精度；溫度測(cè)量

目前，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中，溫度測(cè)量技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，這使得測(cè)溫系統(tǒng)的高精度、低功耗成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度以及低功耗成為測(cè)溫領(lǐng)域的主要問(wèn)題。

橋式測(cè)溫原理作為常見(jiàn)的測(cè)溫技術(shù)，因其成本低、精度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。本文利用AT-mega16A單片機(jī)及其外擴(kuò)的AD轉(zhuǎn)換芯片，F(xiàn)lash存儲(chǔ)芯片以及時(shí)鐘芯片等設(shè)計(jì)了一個(gè)高精度低功耗的橋式溫度測(cè)量系統(tǒng)，能測(cè)量-2～50°C之間的溫度值，可廣泛應(yīng)用于海水溫度測(cè)量等這些需要高精度測(cè)溫的領(lǐng)域。

1 工作原理及系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)采用Atmel公司的ATmega16A作為控制芯片，主要分為AD電壓采集部分、時(shí)鐘定時(shí)控制部分以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分。ATmega16A為超低功耗單片機(jī)[1]，我們采用3.686 4 MHz晶振，從而使得系統(tǒng)功耗大大減小。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)由一節(jié)鋰亞電池供電，單片機(jī)通過(guò)I2C總線(xiàn)將系統(tǒng)時(shí)間，采樣間隔等常數(shù)寫(xiě)入時(shí)鐘芯片PCF8583中，PCF8583能實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能，它根據(jù)采樣間隔控制開(kāi)關(guān)電路，從而使得電池對(duì)系統(tǒng)間歇供電，大大降低了功耗。測(cè)溫電橋[2]將熱敏電阻隨所測(cè)溫度變化的電壓信號(hào)輸出，經(jīng)過(guò)放大電路[3]放大送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，得出熱敏電阻的阻值，最后將熱敏電阻的阻值存入大容量存儲(chǔ)器中。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)時(shí)工作電流在8 mA以下，待機(jī)電流在80 μA左右。本系統(tǒng)采用間斷采樣測(cè)溫方式，采集一個(gè)有效數(shù)據(jù)需要1 s時(shí)間，因此在實(shí)際工作過(guò)程中，真正消耗8 mA的時(shí)間是很有限的。溫度測(cè)量誤差小于0.01℃，完全符合高精度低功耗的測(cè)溫要求。

2 系統(tǒng)各組成部分具體設(shè)計(jì)

2.1 A/D電壓采集部分

采用凌特公司生產(chǎn)的A/D轉(zhuǎn)換芯片LTC2411I。LTC2411I是一2.7～5.5 V供電電壓的24位的A/D轉(zhuǎn)換芯片。工作溫度在-40～85℃之間。它的輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍為-VREF/2～VREF/2，在本系統(tǒng)中即為-1.5～1.5 V，由于一般A/D支持正電源輸入，因此系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)范圍為0～1.5 V。該24位A/D芯片轉(zhuǎn)換速度比較慢，轉(zhuǎn)換時(shí)間為160 ms，因此十分適合用作高精度測(cè)量方面。

A/D模塊硬件連接圖如圖2所示。

測(cè)溫電橋?qū)崦綦娮鑂T隨所測(cè)溫度變化的電壓信號(hào)經(jīng)放大器放大后輸入A/D。系統(tǒng)用美信公司生產(chǎn)的高精度基準(zhǔn)電壓源MAX6163為測(cè)溫電橋和A/D轉(zhuǎn)換器提供基準(zhǔn)電壓，這樣就形成了比值測(cè)量系統(tǒng),因?yàn)楸戎倒ぷ?所以消除測(cè)量系統(tǒng)中的漂移誤差,電壓源變化不降低系統(tǒng)性能。

圖2 A/D電壓采集轉(zhuǎn)換模塊

單片機(jī)的SPI口[4]與A/D和存儲(chǔ)器相連，當(dāng)A/D要將轉(zhuǎn)換后的電壓值傳入單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)通過(guò)片選[5]選通A/D，關(guān)斷存儲(chǔ)器，當(dāng)單片機(jī)要將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器時(shí)就通過(guò)片選選通存儲(chǔ)器，關(guān)斷A/D。當(dāng)LTC2411I接收到單片機(jī)傳來(lái)的時(shí)鐘信號(hào)SCK時(shí)，就將轉(zhuǎn)化好的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI口傳入單片機(jī)。LTC2411I輸出為32位數(shù)據(jù)，位31在第一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿傳出，位30在第一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的下降沿傳出，這里由于A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為160 ms，速率比較低，因此從單片機(jī)傳來(lái)的時(shí)鐘必須比較小，SPI才能接收到數(shù)據(jù)，這里對(duì)振蕩器頻率fosc進(jìn)行128分頻，從而能正確接收A/D出來(lái)的電壓值。

2.2 時(shí)鐘芯片控制部分

系統(tǒng)采用帶有I2C總線(xiàn)接口的PCF8583作為時(shí)鐘控制芯片，該芯片具有極低的功耗，同時(shí)它還有256字節(jié)的靜態(tài)RAM，在系統(tǒng)中起到了很大的作用。RAM的前16個(gè)字節(jié)為可尋址的專(zhuān)用功能寄存器，用來(lái)設(shè)定系統(tǒng)時(shí)間等，后240個(gè)字節(jié)為自由空間，可用來(lái)存放數(shù)據(jù)及其他標(biāo)志位或采樣間隔等常數(shù)。單片機(jī)通過(guò)I2C總線(xiàn)與PCF8583相連，從而將系統(tǒng)時(shí)間，采樣間隔以及一些標(biāo)志位寫(xiě)入相應(yīng)寄存器中。

圖3 PCF8583時(shí)鐘控制模塊

PCF8583時(shí)鐘控制部分硬件連接圖如圖3所示。

電池通過(guò)一個(gè)小開(kāi)關(guān)給整個(gè)系統(tǒng)供電，PCF8583作為日歷時(shí)鐘可自動(dòng)計(jì)時(shí)。單片機(jī)通過(guò)I2C總線(xiàn)給PCF8583設(shè)定一個(gè)固定時(shí)間，即采樣間隔，當(dāng)PCF8583定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出時(shí)，產(chǎn)生定時(shí)器溢出中斷，即7腳輸出低電平，打開(kāi)所連的開(kāi)關(guān)電路，開(kāi)關(guān)電路連接的為L(zhǎng)TC1844的/SHDN腳，開(kāi)關(guān)電路打開(kāi)使/SHDN腳為高電平，LTC1844開(kāi)始工作，從而給整個(gè)系統(tǒng)供電；當(dāng)再次給PCF8583設(shè)定定時(shí)時(shí)間時(shí)，7腳出高電平，開(kāi)關(guān)電路關(guān)斷，/SHDN腳為低電平，LTC1844關(guān)斷，即整個(gè)系統(tǒng)不工作，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的間歇工作。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分

系統(tǒng)采用Atmel公司生產(chǎn)的AT45DB321D存儲(chǔ)芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它具有32兆位的容量，它的主存儲(chǔ)器有8192頁(yè)，每頁(yè)有528個(gè)字節(jié)，另外它具有2個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)有528個(gè)字節(jié)，該存儲(chǔ)芯片有十分靈活的擦寫(xiě)功能，因此能很好的實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)，為長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量提供了很大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，同時(shí)它低功率損耗的特性也十分適合在低功耗系統(tǒng)中使用。這里單片機(jī)通過(guò)SPI將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，當(dāng)A/D采樣結(jié)束后，單片機(jī)通過(guò)片選斷開(kāi)A/D，選中存儲(chǔ)器，然后將數(shù)據(jù)傳入存儲(chǔ)器。

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，由于主存只能定位于某一頁(yè)并不能定位一頁(yè)上的具體某一字節(jié)，因此，系統(tǒng)間歇工作時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)存儲(chǔ)。對(duì)此，我們充分利用PCF8583的240字節(jié)的靜態(tài)RAM，將計(jì)算的電阻值先存入PCF8583的RAM中，存滿(mǎn)168個(gè)字節(jié)后轉(zhuǎn)入AT45DB321D的主存中，這樣，3次就存了504個(gè)字節(jié)，加上系統(tǒng)時(shí)間，采樣間隔等固定常數(shù)24個(gè)字節(jié),為528個(gè)字節(jié)（一頁(yè)），這樣就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整頁(yè)存儲(chǔ)了。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)置，A/D的采集，電阻值的計(jì)算，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及定時(shí)供電的功能，主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程

4 測(cè)溫系統(tǒng)的精度標(biāo)定

測(cè)溫系統(tǒng)在恒溫槽中進(jìn)行標(biāo)定，恒溫槽的溫度精度是0.005℃，經(jīng)過(guò)2次測(cè)量標(biāo)定當(dāng)恒溫槽溫度從50℃變化到-2℃時(shí)，測(cè)得0℃,5℃,15℃,25℃,35℃這5個(gè)點(diǎn)的熱敏電阻值分別如表1和表2所示。

表1 所測(cè)熱敏電阻值

表2 所測(cè)熱敏電阻值

由電阻值求溫度的公式為：

由表1數(shù)據(jù)擬合得出系數(shù)A,B,C,D分別為：

根據(jù)這些系數(shù)以及表2所測(cè)得的熱敏電阻值，計(jì)算表2各熱敏電阻值所對(duì)應(yīng)的溫度以及該溫度與測(cè)量所得的溫度之間的誤差，如表3所示。

表3 所測(cè)溫度值與誤差

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析可得所測(cè)溫度誤差均在0.01℃之內(nèi)，因此本測(cè)溫系統(tǒng)達(dá)到了高精度的測(cè)溫要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用模塊化的方法介紹了橋式測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及工作原理，其性能可靠，功耗小，存儲(chǔ)容量大，并且具有很高的精度，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]楊正忠,耿德根.AVR單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)指南及實(shí)例精解[M].北京：中國(guó)電力出版社,2008:123-278.

[2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].北京：高等教育出版社,1999.

[3]馬潮.高檔8位單片機(jī)ATmega128原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用指南（上）[M]．北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2004.

[4]童詩(shī)白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]席德勛.現(xiàn)代電子技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，1997.

Design of Low Power and High-precision Bridge Temperature Measurement System Based on ATmega16A

SHEN Dan-feng1,LAI Rui-jun1,KONG Ying-hui1,TIAN Chuan2
(1.Department of Electronics and Communication Engineering,North China Electric Power University,Baoding Hebei 071003,China;2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

At present,temperature measurement is used widely to meet the low power and high-precision requirements of the industrial,agricultural and scientific research fields.The design of a bridge temperature measurement system and its working was described.A low-power AVR microcontroller was used as the control chip,which input the voltage signal to the A/D converter chip by the partial pressure arm,then input the digital signal of the A/D converter to SCM to get the thermal resistance.Finally,the temperature values were calculated by curve fitting.It can realize low power consumption,high precision temperature measurement.

low power consumption;high-precision;temperature measurement

TP342.3

B

1003-2029（2012）01-0058-04

2011-06-07

沈丹鳳（1988-），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)。