用AD7416+PIC16F84+PC機構建的測溫系統

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

關鍵詞：AD7416 PIC16F84 I2C總線 單片機

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。傳統的模擬溫度傳感器，如AD590，因外圍電路復雜、需調零等缺點，給應用開發帶來一些麻煩。利用數字溫度傳感器配合單片機來設計各種控制系統，越來越多受到業內人士的推崇。美國模擬器件公司生產的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位數摸轉換器和窗口門限溫度控制器等功能。它與其它數字溫度傳感器相比具有體積小、編程簡單等優點。

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

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位串行數字溫度傳感器AD7416和1片RISC型PIC16F84微控制器組成，上位機由PC兼容機擔當。不過，上位機不是必須的，圖1中給出了可選的相連PC的串行接口。通過該串口，可把檢測到的現場溫度值上傳到PC機，以便進行實時處理、存儲和監控。

1.1 與PC機的接口簡介

硬件引腳連接關系如表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機之間傳送信息，也可以直接傳輸給LED數碼管驅動電路以供顯示。

表1 三者相互連接的對應關系

PIC16F84單片機與PC機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位串行數字溫度傳感器，采用8引腳的SOIC或μSOIC封裝。其內部結構如圖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：10位溫度至數字轉換器；超溫指示端為低電平有效的漏極開路型輸出腳，可以實現“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8個AD7416；低功耗節電方式（典型2mA）；400ms更新速率；55℃～+125℃溫度測量范圍。

AD7416有5個內部寄存器。其中4個是數字寄存器，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個數據寄存器的地址碼。對AD7416每一次串行寫操作的第一個數據字節是數據寄存器的地址碼，這就是隨后的數據字節要寫入的地址。其實，地址指針寄存器只需最低兩位（記作P1和P0）用來選擇數據寄存器，如表3所列。

表3 4個數據寄存器的地址分配

溫度值寄存器是一個16位只讀寄存器，其高10位以2的補碼格式儲存由模數轉換器產生的10位溫度測量讀數；配置寄存器是一個8位讀/寫寄存器，用來設置AD7416的工作方式；THYST回滯溫控點設置寄存器是一個16位的讀/寫寄存器，其高9位存儲以2的補碼格式表示下限溫控點設定值；TOTI上限溫控點設置寄存器一個16位讀/寫寄存器，其高9位存儲以2的補碼格式表示上限溫控點設定值。AD7416上電時地址指針指向溫度值寄存器，2個溫控點分別指定TOTI=80℃和THYST=75℃。這樣的缺省設置使得AD7416可以獨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的補碼格式表示溫度數值，在16位溫度值寄存器中的存儲方式如表4所列。表5列出了幾個溫度數值的編碼示例。

表4 溫度值寄存器16位布局

表5 溫度數據格式

為了避免在噪聲環境下的誤觸發，AD7416內部集成了一個故障排隊計數器。假若故障排隊值設定為4，則必須連續4次（400ms）周期性地測量溫度值大于TOTI或者小于THYST預定值，OTI端才送出有效電平。該條件只要不滿足，排隊計數器就會被自動復位，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一長度14位。它有114KB的片內Flash程序存儲器，368KB的通用寄存器和648KB的E2PROM數據存儲器。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/計數器和一個自帶PC時鐘源的看門狗監視器。

PIC16F84由于具有Flash工藝特性，所以它極適合于那些可能會經常改動程序的應用。例如，用戶可以隨時改動已經出廠產品中的單片機程序，以增加或調整產品的功能。另外，它內部的E2PROM型數據存儲器不僅有掉電保護數據的功能，更重要的是它是由單片機內部進行控制操作的，即外部電路無法對其進行讀寫。因此，它有極高的數據保密性。這使得PIC16F84在加密性產品，如智能IC卡、密碼鎖、電子防盜系統等方面有很廣泛的應用。PIC16F84引腳布局如圖6所示。

2 軟件簡介

為本應用項目開發的軟件程序，可以對AD7416內部的寄存器編程，以及從這些數據寄存器讀取溫度值。PIC16F84扮演著上傳下達的角色，單片機端的軟件程序采用了匯編語言。AD7416一側的通信程序，將利用并行端口RA來模擬I2C總線協議，控制AD7416的工作方式，并且讀取它的溫度測量值。PC機一側的通信程序，將利用并行端口RB來連接PC的并行打印機口，把所收集到的溫度上傳給PC機，PC機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計方法。為了實現PIC16F84和AD7416之間I2C協議之下的串行通信，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、啟動信號時序產生、停止信號時序產生、發送字節、讀取字節、讀取溫度、向PC機串行被動發送等。具體程序見網站www.dpj.com.cn中的程序段0～程序段8。其中兩個比較復雜的程序段還給出了流程圖，如圖7和圖8所示。

2.1 采集溫度數據

在發送字節子程序SENDBYTE被調用以后，AD7416就作好了提供溫度數據的準備。從AD7416中讀取溫度數據，既可以1字節形式，也可以2字節形式。以2字節形式會更加精確，在本例中采用的就是2字節形式。這2個字節被讀取后，保存到用戶定義的2個寄存器HIHGBYTE和LOWBYTE內，之后用戶再轉移給其它外部器件或設備，以便作進一步地分析等處理。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，并且LOWBYTE寄存器也要作相應改動。

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

2.2 通過打印口向PC機上傳數據

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

當PIC16F84從AD7416讀取一次溫度測量結果，它將把SYNC線電平拉低以通知PC機，并且開始一個計數器的遞減過程。如果在該計數器遞減到0之前，還沒有檢測到來自PC機時鐘的（SCLK）上升沿，則將SYNC電平恢復到高電平，以中止本次數據的發送。這種設計方法允許在未連接PC機，或PC機端軟件沒有運行時，仍然能令PIC16F84繼續讀取溫度數據。

當PIC16F84檢測到SCLK的上升沿時，就利用溫度數據的最高位（MSB）來設置SDATA。隨后繼續監視SCLK線，并且當該線變低時，一個用戶定義的位計數器減1。再等待另一個SCLK上升沿，以便繼續發送后續數據，直到16位數據全部發送完畢。在發送完后，將SCLK線拉高以告知PC機此發送過程結束。

圖7和圖8

3 程序清單

程序清單包括完整的單片機端匯編語言程序和PC機端的C高級語言程序。詳見網站www.dpj.com.cn。

結語

可以說，本文提供了一個具有借鑒意義的溫度檢測系統的軟硬件開發參考模型。在此基礎上，如果PC機端軟件利用VB或VC設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溫度檢測系統。

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