实践项目3：温度采集系统

一、功能说明

基于AVR单片机设计一温度采集系统。该系统由一个主机和一个从机构成，能够实时检测并显示现场温度，当温度超过预置温度时，进行声光报警。

二、具体要求

1、主机与从机之间采用串口通信；

2、从机采集温度并通过串口发送给主机；

3、主机接收从机信息并显示，当温度超过上下限温度时进行声光报警；

4、当温度再次回归正常范围时，报警自动解除；

5、报警时按下“复位”键后关闭声音；

6、上下限温度可通过按键设定并查询；

7、具有故障检测报警功能；

三、实验报告

摘要：本系统以ATmega16为处理器，基于AVR单片机设计一温度采集系统；该系统由一个主机和一个从机构成，主机与从机之间采用串口通信，从机的实时采集温度传感器的数据，通过串口将检测到数据发送给主机，主机将现场温度显示在七段共阳极数码管上；通过按键设置温度阈值，当温度超过预置温度时，进行声光报警。通过编写中断处理程序及ADC采集等程序，实现对温度的测量；通过编写串口通讯程序，主机能够接收从机信息并显示；当温度超过上下限温度时主机进行声光报警，以及检测到温度传感器断线后进行报警。测试结果表明本系统稳定可靠，实现了题目要求。

1 设计要求

该系统要求以AVR单片机核心设计一温度采集系统。系统主要由一个主机和一个从机构成，主机与从机之间采用串口通信，从机能够实时检测并显示现场温度，主机接收从机信息并显示，当温度超过上下限温度时进行声光报警，并且具有故障检测报警功能，报警时按下“复位”键后关闭声音。

2 总体设计

2.1 系统组成及工作原理

本系统主要由温度传感器模块、单片机处理模块、数码管显示模块、声光报警模块，按键调节模块等五部分组成，如图1所示。

图1 系统构成

（1）温度传感器模块：使用PTC热敏电阻与1K电阻串联到电路，由于热敏电阻阻值与温度成正比例关系，通过采集热敏电阻的电压信号来间接测量温度，并将电压信号输入给从机。

（2）单片机处理模块：通过单片机处理模块，编写相应中断函数，串口通信模块，AD模数采集模块，从而实现对电压采集，以及主从机之间数据传送。

（3）显示模块：使用7段共阳数码管实时显示现场温度值(℃)、设定的温度阈值(℃)。

（4）报警模块：当系统发生故障、温度超过上下限温度时，进行声光报警；当温度再次回归正常范围时，报警自动解除；报警时按下“复位”键后关闭声音。

（5）按键调节模块：通过按键可以调节温度上下阈值，以及关闭报警声音。

上述为本系统总体方案及各个模块的功能介绍，接下来将详细的讲述各个部分的设计计算。

2.2 温度测量原理

温度检测原理如图2所示，在本系统中，使用一个PTC热敏电阻与1K电阻串联；PTC热敏电阻的基本电气特性是它们随其温度变化而改变电阻.随着温度升高，即随着温度升高，RT两端电压增加。

图2 温度检测原理图

将RT输出端口与单片机IO口连接，单片机中的ADC模块对电压进行采样，将其转化为数字量,将低8位存放在ADCL中，高2位存放到ADCH中；同时计算出数字量的电压值，以及换算的温度值。

计算温度步骤如下：

（1）热敏电阻两端电压计算公式，电压记为V，电阻计为R，电源电压5V。

(2) 计算数字量的电压值，计为V1。

(3)将数字量的电压值转化为温度值,单位（℃）。

至此，实现了对温度的测量及读取。

3 硬件设计

3.1 硬件组成

本系统硬件原理如图3所示，输入设备有按键输入和温度输入，其中温度输入为模拟量，需要进行模数转换；处理器分为主机和从机，主从机间采用串口通讯；输出设备为7段共阳极数码管和LED以及蜂鸣器。

图3 硬件原理图

3.2 单片机核心模块

ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐量高达1 MIPS/MHz，图四为ATmega16的最小系统。

图4 ATmega16最小系统图

ATmega16的最小系统包括电源、时钟电路、复位电路。X1为高速外部时钟；电源供电5V；晶振频率为8MHZ，与两个电容并联接地；复位电路为电阻与电容串联接地。

3.3 检测电路

RT1为PTC热敏电阻，一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度（居里温度）时，它的电阻值随着温度的升高呈接近线性的增高；在不同输入的温度情况下，AD0点的电压会随温度升高线性变化；将AD0接入到单片机中，通过测量电压即可间接检测温度值。检测电路原理图见图5。

图5 温度检测电路

3.4显示电路

如图6所示，本设计所选用是一个通用的七段六位共阳极数码管,要实现动态显示,必须将位码(1-6)轮流通低电位,段码控制数码管的显示.其中位码接PC0~PC7引脚，段码接到PB0~PB5。

图6 显示电路原理图

3.5按键输入电路

如图7所示，三个功能按键，SW1接到主机PD2, SW1接到主机PD3,RESET接到主机PA0;当检测到SW1按键按下后，主机提高温度的阈值上限；当检测到SW2按键按下后，主机降低温度的阈值下限；当检测到RESET按键按下后，关闭报警声音提示。

图7 按键电路

3.6声光报警电路

图8中，用到一个PNP三极管（2N2905）来驱动蜂鸣器与LED。当PB.8输出高电平的时候，蜂鸣器将发声，当 PD8 输出低电平的时候，蜂鸣器停止发声同时LED常亮。

图8 声光报警电路

4 程序设计

4.1 主程序设计

（1）主机主程序流程图

主机主程序流程图如图9所示，首先初始化各个模块，当检测到PD2、PD3电平发生跳变后，即进入中断，改变设定温度阈值的上限和下限，通过七段共阳极数码管显示阈值；同时串口接受从机发送过来温度值，通过七段共阳极数码管显示温度值；若温度值低于阈值的下限或高于阈值的上限，则进行声光报警；若发生断线，串口接收到断线标志位0（代表断线），则进行声光报警。

图9 主程序流程图

（2）从机主程序流程图

从机主程序流程图如图10所示，由于采集的电压为模拟量，需要用到处理内部的ADC模块，首先配置PA0的AD采集通道，将模拟转变为数字量，同时对数字量进行处理，计算出相对应的温度值，并且设置断线标志。然后将数据通过串口传送给主机。

图10 从机程序流程图

4.2 子程序设计

（1）串口程序设计

首先开启串口时钟以及设置相应I/O模式，接下来设置波特率为9600，数据位长度为8位，无奇偶校验位。设置PD0为串口的发送数据，PD1为串口的接收数据。当从机发送数据时，产生的中断告诉主机接收数据，把UCSRA寄存器数据送入status,把UDR寄存器数据送入r_data；主机对发送的r_data进行处理。

图11 从机串口程序流程图

图12 主机串口程序流程图

（2）声光报警程序设计

如图13所示，当温度值data大于温度上限cc，或小于温度下限dd；或者发生断线故障，则触发报警，使PD7置高电平，LED常亮，蜂鸣器工作。

5 调试及结果

对各个功能进行逐项验证。

从机采集温度并通过串口发送给主机；

如图14所示，系统检测到当前温度为30℃，从机通过串口将温度发送给主机，主机将温度在数码管显示，显示测量的温度为30℃，温度上限初始80℃；图15左侧显示测量温度为30℃，右侧温度下限初始为30℃。

图14 温度及上限值显示图

图15 温度及下限值显示图

设置温度上下限阈值，检测声光报警；

如图16所示，系统检测到当前温度为30℃，通过调节DOWN按键，将温度下限设置为35℃；如图17所示，通过调节UP按键，将温度上限设置为85℃；系统检测到温度低于设定下限，LED点亮，蜂鸣器工作。

图16 温度及下限值显示图

图17 温度及上限值显示图

当温度再次回归正常范围时，报警自动解除；

如图18所示，系统检测到当前温度为30℃，将温度下限从35℃设定在25℃时，系统自动取消报警。

图18 温度及下限值显示图

报警时按下“复位”键后关闭声音；

如图19所示，系统检测到当前温度为30℃，温度下限为35℃，当RESER按键按下后，报警声音被关闭。

图19 温度及下限值显示图

具有故障检测报警功能；

如图20所示，当断开AD0输入信号（break-line）时，LED常量且蜂鸣器工作。

图20 故障显示图

通过设置温度上下限值，验证在不同输入温度情况下，系统检测到温度值以及是否声光报警，测量十次的结果如表1和表2所示。

表1 测试情况表

温度上限（75℃）下限（35℃）测试情况
输入（℃）	显示（℃）	温度上限（℃）	温度下限（℃）	声光报警
30	30	75	35	是
50	50	75	35	否
60	60	75	35	否
70	70	75	35	否
80	80	75	35	是

表2 测试情况表

温度上限（85℃）下限（25℃）测试情况
输入（℃）	显示（℃）	温度上限（℃）	温度下限（℃）	声光报警
30	30	85	25	否
50	50	85	25	否
60	60	85	25	否
70	70	85	25	否
80	80	85	25	否