樹莓派通過模數轉換芯片ADC0832讀取LM35溫度傳感器數據
今天和小朋友一起玩樹莓派，打算來做一個測量室溫的小實驗。經過幾個小時的研究和測試，終於能夠成功讀取LM35傳感器的溫度數據了。本文主要記錄一些這個實驗的過程。
使用的材料
Raspberry PI 3B
這個就不用多介紹了，超級流行的一塊開發版。我安裝的操作系統是Ubuntu for Arm Server v19.10
ADC0832模數轉換芯片
ADC0832 是美國國家半導體公司生產的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉換芯片。由於它體積小，兼容性強，性價比高而深受單片機愛好者及企業歡迎，其目前已經有很高的普及率。ADC083X是市面上常見的串行模—數轉換器件系列。ADC0831、ADC0832、ADC0834、ADC0838是具有多路轉換開關的8位串行I/O模—數轉換器，轉換速度較高（轉換時間32uS），單電源供電，功耗低（15mW），適用於各種便攜式智能儀表。本章以ADC0832為例，介紹其使用方法。
ADC0832是8腳雙列直插式雙通道A/D轉換器，能分別對兩路模擬信號實現模—數轉換，可以用在單端輸入方式和差分方式下工作。ADC0832采用串行通信方式，通過DI 數據輸入端進行通道選擇、數據采集及數據傳送。8位的分辨率（最高分辨可達256級），可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。具有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。
ADC0832 具有以下特點：
- 8位分辨率；
- 雙通道A/D轉換；
- 輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；
- 5V電源供電時輸入電壓在0~5V之間；
- 工作頻率為250KHZ，轉換時間為32μS；
- 一般功耗僅為15mW；
- 8P、14P—DIP（雙列直插）、PICC 多種封裝；
- 商用級芯片溫寬為0°C to +70°C，工業級芯片溫寬為-40°C to +85°C。
- 在5V電源的情況下，每個梯度19.5mV
上圖是芯片引腳的圖示。
- VCC是電源供電端口，正常工作使用5V電源，
- CLK為外部時鍾引腳
- DO輸出端口
- DI控制輸入端口
- CS使能端口，低電平芯片使能
- CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用
- CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用
- GND 芯片參考零電位（地）
LM35模擬量溫度傳感器
LM35是National SEMIconductor所生產的溫度傳感器，它具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，LM35比按絕對溫標校准的線性溫度傳感器優越行較好。因而，從使用角度來說，LM35無需外部校准或微調，可以提供±1／4℃的常用溫度精度。
- 工作電壓：直流4～30 V；
- 工作電流：小於133μA；
- 輸出電壓：-1．0～+6 V；
- 輸出阻抗：1 mA負載時0．1 Ω；
- 精度：0．5℃精度(在+25℃時)；
- 漏泄電流：低功耗，小於60μA；
- 比例因數：線性+10.0mV／℃；
- 非線性值：±1／4℃；
- 校准方式：直接用攝氏溫度校准；
- 封裝：密封TO-46晶體管封裝或塑料T0～92晶體管封裝；
- 使用溫度范圍：-55～+150℃額定范圍。
樹莓派和ADC0832連接
實驗具體工作原理
正常情況下ADC0832 與單片機的接口應為4條數據線，分別是CS、CLK、DO、DI。本實驗中用GPIO18作為CLK時鍾信號，GPIO23連接ADC0832的輸出口DO，GPIO24連接控制信號輸入口DI，GPIO25連接CS使能口。
CS作為使能端，在高點平下芯片處於停止狀態，在低電平時處於工作狀態。
模擬信號取樣流程：
-
CS端口置於低電平，開始工作
-
向CLK發出第一個時鍾脈沖，在脈沖上升沿之前，DI需要得到一個高電平，確認開始工作。
-
向CLK發出第二個和第三個時鍾脈沖，在這個兩個脈沖上升沿之前DI需要給出兩個控制信號的電位，選取模擬信號輸入模式。模式如下圖所示。ADC0832不支持負電壓讀取。
-
發出第4個脈沖到第18個脈沖，每個脈沖的下降沿讀取一個二進制位（0，1）。最后形成這樣的序列
[0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0]
總共15個二進制位，前8位是碼位從高位到低位排列000010001，后8位是同樣的數值從低位到高位反向排列用於校驗。
Python源代碼
import RPi.GPIO as GPIO #先要導入模塊
import time
##BCM 對應 GPIO numbers , BOARD 對應 physical numbers。
GPIO.setmode(GPIO.BCM) #選擇 GPIO numbers 編號系統
GPIO.setup(24,GPIO.OUT) #DI
GPIO.setup(23,GPIO.IN) #DO
GPIO.setup(25,GPIO.OUT) #CS
GPIO.setup(18,GPIO.OUT) #時鍾GPIO.setup(18,GPIO.OUT) #時鍾
#GPIO.setup(18,GPIO.IN)
#GPIO.output(23,True)
GPIO.output(24,True)
GPIO.output(25,True)
GPIO.output(18,True)
data = []
j = 0
#開始工作
GPIO.output(25,False)
GPIO.output(18,False)
time.sleep(0.02)
GPIO.output(24,True)
GPIO.output(18,True) #時鍾高電平
time.sleep(0.02)
GPIO.output(18,False)
time.sleep(0.02)
GPIO.output(24,True)
GPIO.output(18,True) #時鍾高電平
time.sleep(0.02)
GPIO.output(18,False)
time.sleep(0.02)
GPIO.output(24,True)
GPIO.output(18,True) #時鍾高電平
time.sleep(0.02)
GPIO.output(18,False)
time.sleep(0.02)
while j < 15:
GPIO.output(18,True) #時鍾高電平
time.sleep(0.02)
GPIO.output(18,False)
time.sleep(0.02)
if GPIO.input(23) == GPIO.HIGH:
data.append(1)
else:
data.append(0)
j +=1
print(data) #打印輸出的數據
GPIO.output(25,True) #使能位重置
GPIO.cleanup()
運行這個腳本后，輸出的內容如下：
[0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0]，總共是15位數值，前八位是從高位到低位輸出的二進制數值，后八位從低位到高位再輸出一遍，中間八位二進制值是公用的。如這個數值所示中間的1是公用的。其實分成了兩個部分：[0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1]和[1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0]。這兩部分的二進制碼順序互反，用來做校驗。
以上基本完成了這個實驗，不過只是輸出了二進制編碼，我們還需要把二進制的數值轉換成實際的十進制數✖19.4mV➗10mV，就得到溫度值。
不過由於ADC0832只有8位精度，所以其實其每一個單位差不多有20mV，說以最后溫度的誤差還是比較大的。但是這個實驗還是成功的，我們通過AD轉換芯片獲取到了模擬設備的數值。
后續工作
以上只是完成了初步的工作，如果要做一個完整的IOT溫度監控系統，我們還要做成一個實時取樣，轉化成數值並存入數據庫，通過監控系統實時讀出並能夠顯示出來。