基于TSIC506的高精度溫度檢測系統的設計

摘 要： 以ATmega16單片機為控制核心， 利用數字化溫度傳感器TSIC506實現高精度溫度檢測系統。論述了該系統的硬件組成和軟件設計， 給出了系統總體結構及相應的ATmega16單片機溫度測量程序。實際應用表明， 該溫度檢測系統具有結構簡單、成本低、穩定實用等特點， 可根據不同需要應用于多種工農業溫度檢測領域。

關鍵詞： 溫度測量； TSIC506； ATmega16； 串行通信

中圖分類號： TN911?34； TP216+.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）13?0134?04

Design of high?precision temperature detecting system based on TSIC506

DUAN Ying?hong1， LIU Xiu?hong1， TANG Shao?jie2， GAO Ming?hui3

（1. Tianjin University of Science and Technology， Tianjin 300222， China； 2. Tianjin CRT New Sources of Energy Co.， Ltd.， Tianjin 300402， China；

3. Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， CAS， Changchun 130033， China）

Abstract： A high precision temperature detecting system was designed by using the digital temperature sensor TSIC506 by taking ATmega16 as its control core. The hardware composition and software design of the system are discussed. The system overall structure and corresponding temperature measuring program of ATmega16 are provided. The practical application indicate that the temperature detecting system has strong characteristics of simple structure， low cost high reliability， stable performance and practicality， it could be applied in various industrial and agricultural temperature measuring area in accordance with different requirements.

Keywords： temperature measurement； TSIC506； ATmega16； serial communication

0 引 言

溫度是反映物體冷熱狀態的物理參數[1]，在工農業生產、國防、科研等領域常常需要對溫度進行檢測和控制[2]。特別是在工農業生產中，為保證產品的質量，往往對溫度檢測的精確度和可靠性要求更高[3]。而常用的溫度傳感器如熱電阻、熱電偶、熱敏電阻等傳感器則很難達到高精度這一要求[4]。針對這種情況，本文利用單總線式數字溫度傳感器TSIC506設計了一個高精度溫度檢測系統。實驗結果表明，該檢測系統可以達到0.1 ℃檢測精度。

1 硬件設計

1.1 系統結構原理

系統的基本組成如圖1所示，由系統參數輸入模塊、LCD顯示模塊和溫度測量模塊、報警模塊、串行通信等部分組成。其中，系統參數輸入模塊主要用來接收用戶設定溫度閾值，測量方式選擇，測量時間間隔等參數的設計，主要由鍵盤電路組成[5]。主控單元由AVR單片機中的ATmega16及外圍電路組成，主要用來接收系統參數的設定，并對設定的參數并進行處理[6]。ATmega16向溫度測量網絡發送控制指令并接收溫度測量網絡的數據，同時根據用戶要求，將處理結果發送到LCD顯示器件或者報警器件，一旦系統出現工作異常，出現預置值與輸出值偏差過大，用戶可以根據該信息予以處理。采集數據還可以通過RS 232接口傳到上位計算機。系統采用單片機作為主要控制部件，使用的芯片較少，這樣可以減低成本，也便于系統功能的擴展，易于實現智能化控制[7]。

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圖1 溫度檢測系統基本結構

1.2 溫度測量電路

溫度測量網絡由TSIC506組成， TSIC506是德國ZMD公司生產的一款高分辨率、高精度、實現溫度信號采集的芯片，具有不同的精度等級，在不同測量范圍內對應的精度見表1 [8]。

為了使溫度讀取更加靈活，在本系統中，由ATmega16單片機主動控制TSIC506的工作狀態以及啟動溫度讀取。由于TSIC506的功耗極低，因此采用單片機的一個普通I/O口做為TSIC506電源端。當需要讀取溫度時，該I/O口輸出高電平，啟動TSIC506工作，65～85 ms后ATmega16單片機就可以得到溫度值。單片機還可以拉低該引腳，關閉TSIC506的溫度讀取。同時為保證TSIC506的測量精度和工作穩定性，避免引入單片機的電源噪聲，TSIC506電源引腳采用了RC濾波電路。本系統可以實現單點溫度檢測或者多點溫度檢測。當進行多點溫度檢測時，啟動多個溫度傳感器組成的網絡。

表1 TSIC506的溫度測量范圍及對應的精度

[測量范圍 /℃＼精度 /℃＼5～45＼<±0.1＼-5～55＼<+0.2

>-0.1＼-10～60＼<+0.3

>-0.1＼]

TSIC506引腳功能見表2。

表2 TSIC506引腳功能

[引腳＼名稱＼說明＼1＼V+＼電源電壓＼2＼Signal＼溫度輸出信號＼4＼GND＼地＼]

TSIC506 與單片機的外圍連接電路如圖2所示。

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圖2 TSIC506接線方法

1.3 主控模塊電路圖

主控電路如圖3所示。系統采用ATmega16作為核心處理器件， 把經過TSIC506現場實時采集到的溫度數據，存入ATmega16的內部數據存儲器，送到液晶屏顯示，同時將實時溫度值與預先設定的初始值進行比較，通過比較結果確定單片機的輸出信號。當系統發生突發故障時，系統報警電路驅動報警燈閃亮、蜂鳴器長鳴。

1.4 串行通信模塊電路[9]

為將溫度檢測的數據傳往上位機，采用了串行通信模塊電路。由于電腦串口RS 232電平是-10 V、+10 V，而一般的單片機應用系統的信號電壓是TTL電平0～+5 V，因此串行通信模塊由MAX232芯片及外圍電路組成。MAX232包含2驅動器、2接收器和一個電壓發生器電路提供TIA/EIA?232?F電平。該器件符合TIA/EIA?232?F標準，每一個接收器將TIA/EIA?232?F電平轉換成5 V TTL/CMOS電平。每一個發送器將TTL/CMOS電平轉換成TIA/EIA?232?F電平，其電路圖如圖4所示。

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圖4 串行通信模塊電路

1.5 參數輸入模塊

參數輸入模塊電路如圖5所示，主要通過按鍵輸入溫度的初始值，也可以對讀取溫度進行控制。本系統配有16個按鍵，可根據需要設定每一按鍵具體功能。

1.6 顯示模塊及報警模塊

系統配有LCD顯示模塊，采用LCD1602進行顯示。LCD1602具有微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的諸多優點，使用該芯片可以縮小本系統體積。芯片的工作電壓為4.5～5.5 V，能顯示兩行，每行顯示16個字符，字符的大小[10]為2.95 mm×4.35 mm。LCD1602接線方法如圖6所示。

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圖5 參數輸入模塊電路

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圖6 LCD顯示模塊電路

報警電路如圖7所示。

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圖7 報警電路

2 軟件設計

2.1 系統流程

軟件設計程序主要有：主程序、初始值設定子程序、溫度讀取子程序、液晶顯示子程序和輸出控制子程序等。初始值設定子程序完成對溫度初值進行設定并將溫度數據保存，溫度讀取子程序完成對溫度傳感器TSIC506數據的讀取，液晶顯示子程序將從TSIC506中讀取的數據通過液晶顯示器LCD1602顯示三位溫度值[11?12]；輸出控制子程序則根據實時檢測的溫度數值完成向上位機傳送。

系統軟件采用ICC AVR編制，具體軟件程序流程圖如圖8所示。

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圖8 系統程序流程圖

2.2 TSIC506的通信協議

TSIC506采用ZAC線通信協議，ZAC總線是一種單總線雙向通信協議。位編碼類似于時鐘信號嵌入信號中的曼徹斯特編碼（發生標準時鐘信號下降沿）。TSIC506提供11位溫度數據方案，一次完整的溫度數據傳輸包括2 B包。第一個字節包為高3位溫度信息，第二個字節包為低8位溫度信息。每一個字節包都包含1個起始位、8個數據位和1個奇偶位。在結束第一個字節包的傳輸，開始第二個字節包的傳輸時，有一個單位寬的常高，即結束位。11位二進制溫度數據與十進制溫度（單位：℃）的轉換公式為：

溫度=數字量/2 047×70 -10

TSIC506 的位編碼格式采用的占空比如圖9所示。

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圖9 TSIC506編碼格式

2.3 溫度檢測子程序

TSIC506溫度檢測子程序中TSIC506電源引腳接在PA0，信號輸出接在PA1，程序中所用的晶振波頻率為8 MHz，源程序如下：

/***************TSIC506初始化程序*****************/

void TSIC_INIT（）

{

DDRA|=BIT（0）； //將PA0口設置為輸出

PORTA=～BIT（0）； //設置PA0口為0

DDRA=～BIT（1）； //輸入

}

#define TSIC_ON（） PORTA|=BIT（0）

#define TSIC_OFF（） PORTA=～BIT（0）

#define TSIC_SIGNAL（）（PINA 0X02）

/**************************************************

* FUNCTION MACROS

**************************************************/

unsigned long int getTSicTemp （temp_value16）

{

temp_value1 = 0；

temp_value2 = 0；

TSIC_ON（）；

while （TSIC_SIGNAL（））； //wait until start bit starts

while （TSIC_SIGNAL（） == 0x00）； //first data byte

for （i1 = 0； i1 < 9； i1++） //read 8 data bits and 1 parity bit

{

while （TSIC_SIGNAL（））； //wait for falling edge

delay_nus（22.96876）； //call delay

if （TSIC_SIGNAL（））

temp_value1 |= 1 << （8-i1）； //get the bit

else

while （TSIC_SIGNAL（） == 0x00）；

//wait until line comes high again

}

//second byte

while （TSIC_SIGNAL（））； //wait， TStrobe

while （TSIC_SIGNAL（） == 0x00）；

//read 8 data bits and 1 parity bit

for （ii=0；ii<9； ii++）

{

while （TSIC_SIGNAL（））； //wait for falling edge

delay_nus（22.96876）；

if （TSIC_SIGNAL（））

temp_value2 |= 1 << （8-ii）； //get the bit

else

while （TSIC_SIGNAL（） == 0x00）；

//wait until line comes high again

}

TSIC_OFF（）；

3 結 論

測溫系統采用了集成度高、功耗低的ATmega16作為核心微處理器，通過傳感器TSIC506實現對溫度測量，并進行存儲和顯示。本檢測系統已成功應用于水果保鮮庫環境溫度的檢測，實際應用表明：當外界溫度試驗的范圍設定在-5～50 ℃，可確保測量誤差不超過0.1 ℃，另外，在該系統的基礎上也可以擴展其他信號，如濕度、壓力等。

參考文獻

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