基于SPI接口的温度测量系统

摘要 设计了基于SPI接口的温度测量系统，采用ATmega16单片机控制，TC72温度传感器采集温度，以及1602液晶屏进行数据显示。系统主要由温度传感器电路、LCD液晶显示模块电路、矩阵式键盘电路、报警电路和ATmega16单片机控制电路5个模块组成。ATmega16单片机根据TC72温度传感器检测到的温度，经一定的控制算法给出控制信号，通过LCD显示出检测温度的大小；矩阵键盘可以设定上限和下限温度，当实时温度超出设定范围时，报警电路会发出警报，达到温度测量和控制的目的。
关键词 单片机；SPI接口；温度测量

    在当今农业和工业生产过程中，温度作为一个基本物理量起着越来越重要的作用。随着科技的发展，人们对温度测量的要求是越来越高，对温度测量的范围也越来越广。因此，温度测量和控制技术具有一定的必要性。

1 硬件电路设计
    系统设计硬件电路分为：控制电路、键盘电路、传感器电路、显示电路和报警电路。AVR单片机接收到TC72温度传感器检测到的温度信号后，经过控制运算给出控制信号，通过LCD显示检测温度的大小；矩阵键盘可以设定温度上下限值，当温度超出设定范围时，报警电路会发出警报，达到温度测量和控制的目的。SPI温控系统的工作原理如图1所示。

1．1 控制电路模块
    AVR单片机由Atmel公司利用Flash新技术，研制的RISC精简指令集的高速8位单片机，与51系列单片机相比，在内部资源和接口方面，AVR系列单片机更为丰富和强大。ATmega16单片机是AVR单片机系列中的一种。
    ATmega16单片机是ATmega系列中一种高性能、低功耗的8位AVR RISC微处理器。它支持131条指令，并且大多数指令只需要单时钟周期就能执行完成。因此，ATmega16单片机的数据吞吐率可达1 MI／S·MHz，从而使系统在处理速度与功耗之间的矛盾得到了有效缓减。另外，AT mega16单片机的内核不但指令集丰富而且它的通用工作寄存器达32个。其中运算逻辑单元与所有寄存器相连，这样一条指令在一个时钟的周期内就可以同时访问两个独立寄存器。这种结构形式不仅提高了代码效率，而且其数据吞吐率比普通的CISC微控制器高10倍。
1．2 键盘电路模块
    矩阵式键盘，由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，行、列分别连接到按键开关的两端，列线通过上拉电阻接到高电平。无按键动作时，列线处于高电平状态；有按键按下时，交点的行线和列线接通，列线电平状态将由与此列线相连的行线电平决定。行线电平如果为低，则列线电平为低；行线电平如果为高，则列线电平也为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否被按下的关键。由于矩阵键盘中行、列线为多键公用，各按键均影响该键所在行、列的电平，所以必须将行、列线信号配合适当处理，才能确定闭合键所在的位置。矩阵式键盘节省了大量I／O接口，适用于按键数量较多的场合。本系统矩阵式键盘功能设计如图2所示。

    16键解码芯片74C922采用CMOS工艺技术制造，工作电压为3～15 V，具有二键锁定功能，编码为三态输出，可与单片机直接连接，内部振荡器完成4×4键盘矩阵扫描，外接电容用于消抖，键盘矩阵的4行分别连接解码芯片X1～X4引脚，4列分别连接Y1～Y4引脚。当有按键按下时，解码芯片的DA引脚向连接单片机的引脚输出高电平，同时封锁其他按键，片内锁存器将保持当前按键的4位编码。单片机与74C922的硬件连接图如图3所示。

1．3 温度传感器模块
    设计使用的TC72温度传感器是一个数字温度传感器，温度测量范围为-55～+125℃。该传感器具有一个4线串行接口，通过这个串行接口与单片机或其他外围设备进行通信，并且该TC72接口与SPI协议兼容。同时在使用TC72时不需要附加外部电路，它可以工作于连续的温度转换模式(Continuous Conversion Mode)或单次转换模式(One-Short Mode)。在连续转换模式下，TC72约每隔150 ms进行一次温度转换，并将获取的数据保存于温度寄存器中，后者在一次转化后即进入省电模式。TC72寄存器地址如表1所示。

    TC72温度传感器2 Byte温度数据寄存器格式如表2所示。

1．4 LCD1602显示模块
    系统中由于要对实时温度和报警温度进行显示，因而选择LCD1602显示屏作为输出器件。LCD1602字符型液晶显示屏有16条或14条引脚线，多的2条引脚线用于接背光电源正负极，平时使用较少。LCD1602可以显示两行且每行16个字即32个字符，而且LCD1602价格便宜，其外围电路的配置简单，具有较高的性价比。LCD1602内部的字符发生存储器存储了包括英文字母的大小写、常用的符号及阿拉伯数字等160个不同的点阵字符图形，其中每一个字符都对应着一个固定的代码，例如“B”的代码是01000010B(42H)，显示时模块把地址42H中的点阵字符图形显示出来，这样就能够看到字母“B”。单片机与LCD1602显示屏的硬件连接如图4所示。

2 软件设计
    在单片机系统中，单片机之所以处于核心地位，最重要的原因在于单片机上能够运行强大的软件。因此可以说，硬件是设计的基础，软件是设计的关键。只有软硬件协调配合，应用系统才能良好的工作。
2．1 系统总流程图
    流程图分析：当电源上电后，系统进行初始化，系统开始运行，启动TC72温度传感器并读取温度；若此时温度没有超出设置的报警温度，则液晶正常显示；若超出报警温度，则蜂鸣器开始报警，按ESC键可退出报警。液晶正常显示后，系统程序对键盘进行扫描，若有设置键按下，则开始对报警温度进行设置，设置完成后重新读取温度并显示。系统总流程图如图5所示。

2．2 键盘程序流程图
    流程图分析：若有设置键按下，则进入设置温度模式；若无按键按下，则读取温度数据送入液晶屏显示。在设置模式下设置温度，完成后再送数据到液晶屏显示。键盘程序流程图如图6所示。

2．3 LCD显示程序流程图
    流程图分析：首先对1602显示屏进行初始化，然后进行忙信号检查，如果BF=0，则开始读取温度并写入相应的数据进行显示；如果BF=1，则表示模块正在进行内部操作，暂时不会接收任何数据及外部指令，直到BF=0为止。LCD显示程序流程图如图7所示。

3 仿真与调试
    单片机应用系统的调试主要从软件调试和硬件调试两方面入手。两种调试过程紧密相关，而并非分开或孤立的，在基于SPI接口的温度测量系统设计中，用到了AVR Studio 4+Win AVR和Proteus ISIS软件。
    模拟调试：首先运行AVR Studio软件，在新建项目窗口中输入设计所用的程序，输入完成后进行编译、运行、保存。然后在Proteus ISIS软件中画出硬件电路图并进行电气规则检查；如果电路设计无误，选中单片机ATmega16并双击，在对话框中点击Program File按钮，找到经过AVR Studio软件编译生成的hex文件，载入后点击OK按钮。完成后在Proteus ISIS的Debug菜单中选择Execute，即可运行程序。
    实现功能的具体方法：按高温设置键，可调整当前温度的最高值，按0～9键，输入温度最高值的大小，按Enter键完成设置；按低温设置键，可调整当前温度最低值，按0～9键，可输入温度最低值大小，按Enter键完成设置；在进行高低温设置的过程中，可使用键盘中的ESC、Backspace键进行返回和删除操作。高低温设置完成后，可通过调节TC72温度传感器上的加减键进行实时温度调节；此时，如果调节的温度超出设置的温度范围，就会产生报警。

4 结束语
    设计了一种基于SPI接口的温度测量系统，介绍了如何利用AVR单片机控制TC72温度传感器的新型设计方法。该设计利用单片机C语言，以AVR单片机为控制核心，通过使用具有SPI接口功能的TC72温度传感器，实现对温度进行实时监控显示和报警功能。