用AD7416+PIC16F84+PC機(jī)構(gòu)建的測溫系統(tǒng)

    摘要：全面系統(tǒng)地介紹帶I2C總線接口的10位數(shù)字溫度傳感器AD7416和RISC型8位單片機(jī)PIC16F84，以及與PC機(jī)通信的硬件接線方法和軟件算法設(shè)計，并且提供完整的PC端C程序和單片機(jī)端匯編語言程序。

    關(guān)鍵詞：AD7416 PIC16F84 I2C總線 單片機(jī)

引言

在測量儀器儀表中，溫度的檢測幾乎成為必不可少的部分。傳統(tǒng)的模擬溫度傳感器，如AD590，因外圍電路復(fù)雜、需調(diào)零等缺點(diǎn)，給應(yīng)用開發(fā)帶來一些麻煩。利用數(shù)字溫度傳感器配合單片機(jī)來設(shè)計各種控制系統(tǒng)，越來越多受到業(yè)內(nèi)人士的推崇。美國模擬器件公司生產(chǎn)的AD7416是一款功能較多的溫度器件，它在一個芯片上集成了I2C總線接口、溫度傳感器、10位數(shù)摸轉(zhuǎn)換器和窗口門限溫度控制器等功能。它與其它數(shù)字溫度傳感器相比具有體積小、編程簡單等優(yōu)點(diǎn)。

    在本文介紹的溫度檢測系統(tǒng)中，其前端溫度檢測應(yīng)用的是AD7416，控制器應(yīng)用的是PIC16F84，將探測到的溫度上傳到上位機(jī)（PC機(jī)）。由于PIC16F84單片機(jī)是一款廉價的低端型號，其內(nèi)部沒有配置I2C接口和UART接口等外圍模塊，因此需要利用虛擬技術(shù)來模擬I2C和UART的功能，分別與下位器件AD7416和上位機(jī)進(jìn)行通信。文后提供了完整的算法設(shè)計和程序清單。在此程序基礎(chǔ)上稍加改動也可以適用于其它PIC單片機(jī)，甚至是其它廠家的單片機(jī)，來實現(xiàn)同樣的功能。故本文具有比較廣泛的啟發(fā)性和實用價值。

1 硬件簡介

硬件接線圖如圖1所示，前端電路主要由1片10位串行數(shù)字溫度傳感器AD7416和1片RISC型PIC16F84微控制器組成，上位機(jī)由PC兼容機(jī)擔(dān)當(dāng)。不過，上位機(jī)不是必須的，圖1中給出了可選的相連PC的串行接口。通過該串口，可把檢測到的現(xiàn)場溫度值上傳到PC機(jī)，以便進(jìn)行實時處理、存儲和監(jiān)控。

    1.1 與PC機(jī)的接口簡介

硬件引腳連接關(guān)系如表1所列，其中列出了各引腳的功能。利用PIC16F84端口A的2條引腳與AD7416連接；利用端口B的3條引腳在前端電路與PC機(jī)之間傳送信息，也可以直接傳輸給LED數(shù)碼管驅(qū)動電路以供顯示。

表1 三者相互連接的對應(yīng)關(guān)系

PIC16F84單片機(jī)與PC機(jī)的通信接口選用并行打印口，通信方式選用串行同步方式。其中，并行打印口既可以是25芯的D型插口，也可以是36芯的Centronics連接器，如圖2所示。串行同步方式通信的信號時序如圖3所示。

1.2 AD7416簡介

AD7416是一個帶有溫度超限功能的10位串行數(shù)字溫度傳感器，采用8引腳的SOIC或μSOIC封裝。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，引腳布局如圖5所示，引腳功能如表2所列。

表2 引腳功能說明

AD7416具有如下特點(diǎn)：10位溫度至數(shù)字轉(zhuǎn)換器；超溫指示端為低電平有效的漏極開路型輸出腳，可以實現(xiàn)“線與”接線方式；I2C兼容的串行接口；可選的串行總線地址，允許在單一總線上連接多達(dá)8個AD7416；低功耗節(jié)電方式（典型2mA）；400ms更新速率；55℃～+125℃溫度測量范圍。

AD7416有5個內(nèi)部寄存器。其中4個是數(shù)字寄存器，一個是地址指針寄存器。地址指針寄存器是一個8位寄存器，用于存放指定4個數(shù)據(jù)寄存器的地址碼。對AD7416每一次串行寫操作的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)是數(shù)據(jù)寄存器的地址碼，這就是隨后的數(shù)據(jù)字節(jié)要寫入的地址。其實，地址指針寄存器只需最低兩位（記作P1和P0）用來選擇數(shù)據(jù)寄存器，如表3所列。

表3 4個數(shù)據(jù)寄存器的地址分配

溫度值寄存器是一個16位只讀寄存器，其高10位以2的補(bǔ)碼格式儲存由模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的10位溫度測量讀數(shù)；配置寄存器是一個8位讀/寫寄存器，用來設(shè)置AD7416的工作方式；THYST回滯溫控點(diǎn)設(shè)置寄存器是一個16位的讀/寫寄存器，其高9位存儲以2的補(bǔ)碼格式表示下限溫控點(diǎn)設(shè)定值；TOTI上限溫控點(diǎn)設(shè)置寄存器一個16位讀/寫寄存器，其高9位存儲以2的補(bǔ)碼格式表示上限溫控點(diǎn)設(shè)定值。AD7416上電時地址指針指向溫度值寄存器，2個溫控點(diǎn)分別指定TOTI=80℃和THYST=75℃。這樣的缺省設(shè)置使得AD7416可以獨(dú)立用作一個恒溫控制器，而不需要與串行總線連接以及受控于其它主控器件。

圖3

    AD7416以10位2的補(bǔ)碼格式表示溫度數(shù)值，在16位溫度值寄存器中的存儲方式如表4所列。表5列出了幾個溫度數(shù)值的編碼示例。

表4 溫度值寄存器16位布局

表5 溫度數(shù)據(jù)格式

為了避免在噪聲環(huán)境下的誤觸發(fā)，AD7416內(nèi)部集成了一個故障排隊計數(shù)器。假若故障排隊值設(shè)定為4，則必須連續(xù)4次（400ms）周期性地測量溫度值大于TOTI或者小于THYST預(yù)定值，OTI端才送出有效電平。該條件只要不滿足，排隊計數(shù)器就會被自動復(fù)位，OTI端也就不會錯誤地輸出有效電平，從而抑制了噪聲干擾。

1.3 PIC16F84簡介

PIC16F84是18引腳CMOS工藝的RISC微控制器，只有35條指令并且全部指令均為統(tǒng)一長度14位。它有1×14KB的片內(nèi)Flash程序存儲器，36×8KB的通用寄存器和64×8KB的E2PROM數(shù)據(jù)存儲器。它有13個通用I/O引腳。每個引腳有吸納25mA或輸出20mA的能力。PIC16F84還有一個8位的定時器/計數(shù)器和一個自帶PC時鐘源的看門狗監(jiān)視器。

    PIC16F84由于具有Flash工藝特性，所以它極適合于那些可能會經(jīng)常改動程序的應(yīng)用。例如，用戶可以隨時改動已經(jīng)出廠產(chǎn)品中的單片機(jī)程序，以增加或調(diào)整產(chǎn)品的功能。另外，它內(nèi)部的E2PROM型數(shù)據(jù)存儲器不僅有掉電保護(hù)數(shù)據(jù)的功能，更重要的是它是由單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行控制操作的，即外部電路無法對其進(jìn)行讀寫。因此，它有極高的數(shù)據(jù)保密性。這使得PIC16F84在加密性產(chǎn)品，如智能IC卡、密碼鎖、電子防盜系統(tǒng)等方面有很廣泛的應(yīng)用。PIC16F84引腳布局如圖6所示。

2 軟件簡介

為本應(yīng)用項目開發(fā)的軟件程序，可以對AD7416內(nèi)部的寄存器編程，以及從這些數(shù)據(jù)寄存器讀取溫度值。PIC16F84扮演著上傳下達(dá)的角色，單片機(jī)端的軟件程序采用了匯編語言。AD7416一側(cè)的通信程序，將利用并行端口RA來模擬I2C總線協(xié)議，控制AD7416的工作方式，并且讀取它的溫度測量值。PC機(jī)一側(cè)的通信程序，將利用并行端口RB來連接PC的并行打印機(jī)口，把所收集到的溫度上傳給PC機(jī)，PC機(jī)端的軟件程序采用的是C語言。

整個軟件采用了模塊化的程序設(shè)計方法。為了實現(xiàn)PIC16F84和AD7416之間I2C協(xié)議之下的串行通信，編寫了一些專用子程序。這些子程序段包括：符號定義、PIC16F84的端口初始化、啟動信號時序產(chǎn)生、停止信號時序產(chǎn)生、發(fā)送字節(jié)、讀取字節(jié)、讀取溫度、向PC機(jī)串行被動發(fā)送等。具體程序見網(wǎng)站www.dpj.com.cn中的程序段0～程序段8。其中兩個比較復(fù)雜的程序段還給出了流程圖，如圖7和圖8所示。

2.1 采集溫度數(shù)據(jù)

在發(fā)送字節(jié)子程序SENDBYTE被調(diào)用以后，AD7416就作好了提供溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。從AD7416中讀取溫度數(shù)據(jù)，既可以1字節(jié)形式，也可以2字節(jié)形式。以2字節(jié)形式會更加精確，在本例中采用的就是2字節(jié)形式。這2個字節(jié)被讀取后，保存到用戶定義的2個寄存器HIHGBYTE和LOWBYTE內(nèi)，之后用戶再轉(zhuǎn)移給其它外部器件或設(shè)備，以便作進(jìn)一步地分析等處理。READBYTE子程序的功能相似于SENDBYE子程序的功能。不過，對于讀取過程，需要檢測SDATA線的狀態(tài)，并且LOWBYTE寄存器也要作相應(yīng)改動。

2個字節(jié)的讀取過程需要主控器（即PIC16F84），在每個字節(jié)的讀取之后分別輸出不同的應(yīng)答（ACK）信號電平。為了利用同一個數(shù)據(jù)讀取程序，提供2種不同的ACK信號電平，需要查看ACKSTAUS寄存器的bit1，由該位的狀態(tài)決定所需ACK信號脈沖的類型。

2.2 通過打印口向PC機(jī)上傳數(shù)據(jù)

PC機(jī)的打印口提供了一種從PIC單片機(jī)到PC機(jī)傳送數(shù)據(jù)的簡易途徑，以便在PC機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄和監(jiān)測等處理。由于對打印機(jī)端口功能的討論超出了本文的關(guān)注范圍，因此文中只涉及一些必要的相關(guān)內(nèi)容。隨后所介紹的僅是一個如何以最少連線（僅需要3條）實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)的簡明范例。單片機(jī)其它的I/O端口引腳還可以留作它用。單片機(jī)向PC機(jī)每次傳送16位的溫度值，并且是以高位（MSB）開始傳送的。PC機(jī)與單片機(jī)之間的三條接口連接，分別定義為SYNC（串行同步）、SDATA（串行數(shù)據(jù)）和SCLK（串行時鐘）。

當(dāng)PIC16F84從AD7416讀取一次溫度測量結(jié)果，它將把SYNC線電平拉低以通知PC機(jī)，并且開始一個計數(shù)器的遞減過程。如果在該計數(shù)器遞減到0之前，還沒有檢測到來自PC機(jī)時鐘的（SCLK）上升沿，則將SYNC電平恢復(fù)到高電平，以中止本次數(shù)據(jù)的發(fā)送。這種設(shè)計方法允許在未連接PC機(jī)，或PC機(jī)端軟件沒有運(yùn)行時，仍然能令PIC16F84繼續(xù)讀取溫度數(shù)據(jù)。

當(dāng)PIC16F84檢測到SCLK的上升沿時，就利用溫度數(shù)據(jù)的最高位（MSB）來設(shè)置SDATA。隨后繼續(xù)監(jiān)視SCLK線，并且當(dāng)該線變低時，一個用戶定義的位計數(shù)器減1。再等待另一個SCLK上升沿，以便繼續(xù)發(fā)送后續(xù)數(shù)據(jù)，直到16位數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢。在發(fā)送完后，將SCLK線拉高以告知PC機(jī)此發(fā)送過程結(jié)束。

圖7和圖8

3 程序清單

程序清單包括完整的單片機(jī)端匯編語言程序和PC機(jī)端的C高級語言程序。詳見網(wǎng)站www.dpj.com.cn。

結(jié)語

可以說，本文提供了一個具有借鑒意義的溫度檢測系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)參考模型。在此基礎(chǔ)上，如果PC機(jī)端軟件利用VB或VC設(shè)計成圖形界面就更方便于用戶操作。如果利用PIC16F84的其它I/O端口引腳再擴(kuò)展幾條I2C總線，并且每條總線上掛接1～8片AD7416，則可以形成一個更加完善的分布式多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)。

總之，采用數(shù)字溫度傳感器，可以使設(shè)計者完全 打破傳統(tǒng)的設(shè)計模式（傳感器+ADC），從而大大簡化了設(shè)計方案，提高了電路的可靠性。