基于61单片机的温度采集系统.doc

1、本 科 毕 业（设计）论 文 （二 八 届） 题 目： 基于 61 单片机的温度采集系统设计 分院系部： 专 业： 电子信息工程 姓 名： 导师姓名： 导师职称： 二 八 年 六0 1 前言 - - 1 1 前言 1.1 国内外发展现状 随着现代生活水平的提高，自动化技术也在不断发展，与此同时，电子技术与自动化控制理论也紧密结合，此时我们可以把严谨的自动化科学领域和现代化生活有效的结合起来，让现代化生活更有趣，该系统的语音功能就突出了这一特点。 设计的目的和意义 ： 本设计应用性比较强，设计系统可以作为温度监控系统，如果稍微改装可以 作 热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等诸多温度采集系统

2、。课题主要任务是完成环境温度检测，利用单片机实现温度调节并且显示温度数据。设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。 随着“信息时代”的到来，作为获取信息的 手段 ， 传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。 为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一温度监控系统。文中传感器理论 和 单片机实际应用有机结合，

3、详细地讲述了利用热电阻作为温度传感器探测环境温度的过程，以及实现热电转换的原理 过程。 单片机 是 将微处理器、存储器、定时 /计数器、 I/O 接口电路等集成在一个芯片上的大规模集成电路，本身即是一个小型化的微机系统。单片机技术与 传感器 测量技术、信号与系统分析技术、电路设计技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以及数据结构、计算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合，使得单片机的应用非常广泛。同时，单片机具有较强的管理功能。采用单片机对整个测量电路进行管理和控制，使得整个系统

4、智能化 、功耗低、使用电子元件较少、内部配线少、成本低，制造、安装、调试及维修方便。 国内外发展概况 ： 随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化发展，作为高新技术之一的单片机以其体 积 小、功能强、价格低廉、0 1 前言 - - 2 使用灵活等优势，显示出了很强的生命力。进入 21 世纪以来，开发推出单片机的公司很多，各种高性能单片机芯片市场也异常活跃，新技术的不断采用，更加使单片机的种类、性能以及应用领域不断扩大和提高。台湾凌阳科技公司最近推出了一种新型16 位单片机 SPCE061A。该单片机的问世，使得 16 位单片机的科 技含量及应用跃上一个新的台阶。

5、单片机在国内的三大领域中应用得十分广泛：第一是家用电器业，例如全自动洗衣机、智能玩具；第二是通讯业，包括电话、手机和 BP 机等等；第三是仪器仪表和计算机外设制造，例如软盘、硬盘、收银机、电表。除了上述传统领域外，汽车、电子工业在国外也是单片机应用十分广泛的一个领域。它成本低、集成度高、功耗低、控制功能多 ， 能灵活的组装成各种智能控制装置，由它构成的智能仪表解决了长期以来测量仪器中的误差的修正、线性处理等问题。 自从 1976 年 Intel公司推出第一批单片机以来， 80 年代单片机技术进 入快速发展时期，近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、高性能方向发展，从 4 位、 8

6、 位单片机发展到 16 位、 32 位单片机。单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各行各业，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、彩电，单片机都可以大显其能。 1.2 本文的主要研究内容 本系统研发主要包括了系统硬件和系统软件的设计。硬件的设计主要包括了各个功能模块的方案论证 和 电路设计， PCB 板设计和制作， 各 模块的硬件电路调试和总体调试。软件的设计主要包括主程序， LCD 显示，温度采集、语音播报等子程序编制。 本系统针对的是 -50 +150的测温范围，温度显示精度为 0.001；根据此项技术指标，硬件设计工作主要包括了：掌握温度传感器、 LCD 液晶显示屏幕、放大器 等器件的工作

7、原理，并由此设计具体的硬件电路；在软件方面则是利用单片机组成控温系统，编程实现温度数据采集及实现显示的功能。本系统以 SPCE061A 单片机为微处理器，利用传感器与单片机组成测温系统，检测当前温度并通过单片机实现对采集到的温度数据进行 A/D 转换，并通过 扬声器 播报温度，或通过 LCD 液晶显示 。2 系统的组成及工作原理 - - 3 2 系统的组成及工作原理 2.1 系统的设计要求及技术指标 本次毕业设计所研制系统的设计 要求和技术指标： 1.该 系统需要自动对温度进行采集，并对采集到的数据进行显示； 2.数据的采集精度要求为 0.001 ； 3.控温范围为 -55 +150 ； 2.

8、2 系统功能分析 根据研制系统的要求和技术指标，在 分析 整个系统的组成的基础上，采用了单片机作为系统的控制核心，主要实现有两个基本功能，一是对温度数据的采集，另一个是对采集到的温度值的显示。 在实现第一个功能时，通过温度传感器 AD590 采集温度模拟信号，经过 OP07放大后进而由 A/D 转换器转换为数字信号。 实现第二个功能主要是通过单片机将转换出的数字信号经 过 扬声器播报出来 。 2.3 系统组成框图 根据上文所述的各个功能模块，系统硬件组成分为以下几个部分：控制核心部分、温度数据采集部分、显示部分。其中温度数据采集部分又包括有信号前端的采集、信号放大和信号模数转换三个方面，其中

9、61 单片机自带了 10 路 A/D 转换通道，所以这里可以省去信号模数转换电路。 系统原理框图如图 2.1 所示： 2 系统的组成及工作原理 - - 4 数 据 采 集S P C E 0 6 1 AM C U语 音 播 报 结 果L C D 显 示图 2.1 系统组成框图 通过系统组成框图可以看出系统的各个模块及其模块间的关系。按照本课题的设计要求分析组成框图：启动系统后， 首先由温度传感器 AD590 采集数据，经过转换后， 由 61 单片机送到扬声器播报结果。 其中 61 单片机作为整个系统的 MCU，温度数据采集可实现本次设计的基本功能之一 ， 同时扬声器连接并实现了采集部分的直观化。

10、3 系统硬件电路的设计 - - 5 3 系统硬件电路的设计 由于控制过程中各项功能是由几个基本的电路实现的，即采样电路、放大电路、显示电路组成。所以在综合考虑了本设计的基本要求及系统各项功能实现情况后，在一些具体模块中提出几个对比参考方案和功能进行讨论，以实现设计的合理化，最小成本化和实用化。 3.1 方案论证和比较 3.1.1 单片机选择 智能化 仪器 仪表中单片机的选 择原则： 1.字长与速度； 2.单片机的功能与内部资源； 3.开发工具和技术支持状况； 4.性能价格比； 利用凌阳已有的液晶显示模组和 SPCE061A 板本身强大的语音播报功能，并配有K9F1208 外部存储器，声貌并重不

11、仅可以实现，也可以利用软件擦 除 存储器来 实现 动态 存储 ，更重要的 是 ，它的价格将会永远低于 3080 元。 A. SPCE061A 单片机简介 SPCE061A 是凌阳科技开发的采用 nSP 内核的 16 位结构的微控制器，SPCE061A 里内嵌 32K 字的闪存 FLASH ROM。较高的处理速度使 nSP 能够非常容易 地、快速地处理复杂的数字信号。因此，以 nSP 为核心的 SPCE061A 微控制器也适用 于 数字语音识别应用领域。 SPCE061A 在 2.6V 3.6V 工作电压范围内的工作速度范围为 0.32MHz49.152MHz，较高的工作速度使其应用领域更加拓宽

12、。 2K 字 SRAM 和 32K 字闪存ROM 仅占一页存储空间， 32 位可编程的多功能 I/O 端口；两个 16 位定时器 /计数器；32768Hz 实时时钟；低电压复位 /监测功能； 8 通道 10 位模 -数转换输入功能并具有内置自动增益控制功能的麦克风输入方式；双通道 10位 DAC 方式的音频输 出功能。SPCE061A 是数字声音和语音识别产品的一种最经济的应用。主要性能如下： 16 位 mnSP 微处理器； 3 系统硬件电路的设计 - - 6 工作电压： VDD 为 2.43.6V(cpu), VDDH 为 2.45.5V(I/O)； CPU时钟： 32768Hz49.152

13、MHz ； 内置 2K 字 SRAM、内置 32K FLASH； 可编程音频处理； 32 位通用可编程输入 /输出端口； 32768Hz实时时钟，锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号； 2 个 16 位可编程定时器 /计数器 (可自动预置初始计数值 )； 2 个 10 位 DAC(数 -模转换 )输出通道； 7 通道 10 位电压模 -数转换器 (ADC)和单通道语音模 -数转换器； 声音模 -数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制 (AGC)功能； 系统处于备用状态下 (时钟处于停止状态 )耗电小于 2mA3.6V； 14 个中断源：定时器 A / B， 2 个外部时钟源输入，时基，

14、键唤醒等； 具备触键唤醒的功能； 使用凌阳音频编码 SACM_S240 方式 (2.4K 位 /秒 )，能容纳 210 秒的语音数据； 具备异步、同步串行设备接口； 具有低电压复位 (LVR)功能和低电压监测 (LVD)功能； 内 置在线 仿 真电路接口 ICE（ In- Circuit Emulator）； 具有保密能力； 具有 WatchDog 功能（由具体型号决定） 其外围电路如图 3.1 所示： 3 系统硬件电路的设计 - - 7 图 3.1 SPCE061A 外围电路 其具体管脚说明，在后面有介绍。 3.1.2 温度数据采集模块 从系统要求分析，要求对温度和与 温度 有关的参量进行检

15、测，应该考虑用热电阻传感器。按照热电阻的性质可以分为半导体热电阻和金属热电阻两大类，前者通常称为热敏电阻，后者称为热电阻。 方案 1：采用热敏电阻，这种电阻 是 利用对温度 敏感 的半导体材料制成， 其阻值随温度变化有明显的改变。负温度系数热敏电阻器通常是由锰、钴的氧化物烧制成半导体陶瓷制成，其特点是，在工作温度范围内电阻阻值随温度的升高而降低。可满足40 90测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，不 适用 于检测小于1的信号；而且线性度很差，不能直接用于 A/D 转换，应该用软件或硬件对其进行线性度补偿。 方案 2：采用温度传感器铂电阻 pt1000.铂热电阻的 物理 化学性能在高温

16、和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温原件，且此原件线性较好。在 0 100时，最大非线性偏差小于 0.5。铂电阻与 温度的关系是 ： Rt=R0(1+At+Bt t) （ 3-1） 其中 Rt 是温度为 t 摄氏度时的电阻， R0 是温度为 0 摄氏度时的电阻， t 为任意3 系统硬件电路的设计 - - 8 温度值， A、 B 为温度系数。但其成本太贵，不适合做普通设计。 方案 3：采用集成温度传感器，如常用的 AD590 和 LM35。 AD590 是电流型温度传感器。这种 器件 以电流作为输出量指示温度，其典型的电流温度灵敏度是 1uA/K。它是二端器件，使用非常方便，作为一种高阻电流源

17、，它不需要严格考虑传输线上的电压信号损失和噪声干扰问题，因此特别适合作为 远距离测量或控制用。另外， AD590也特别 适用 于多点温度测量系统，而不必考虑选择开关或 CMOS 多路转换开关所引起的附加电阻造成的误差。由于采用了一种独特的电路结构，并利用最新的薄膜电阻激光微调计数校准，使得 AD590 具有很高的精度。并且应用电路简单，便于设计。 方案选择：选择方案 3。理由：电路简单稳定可靠、无需调试，与 A/D 连接方便。 3.1.3 A/D 转换部分 模数 转换器是一种将连续的模拟量转换成离散的数字量的一种电路或 器件 。模拟信号转换为数字信号一般需要经过采样保持和量化编码两个过程。针对

18、不同的采样对象，有不同的 A/D 转换器（ ADC）可供选择，其中有通用的也有专用的。有些 ADC还包含有其他功能，在选择 ADC 器件 时需要考虑多种因素，除了关键参数、分辨率和转换速度以外，还应考虑其他因素，如静态与动态精度、数据接口类型、控制接口与定时、采样保持性能、基本要求、校准能力、通道数量、功耗、使用环境要求、封装形式以及与软件有关的问题。 ADC 按 功能划分，可以分为直接转换和非直接转换两大类，其中非直接转换又有 逐次分级转换、积分式转换等类型。 A/D 转换器在实际应用时，除了要设计适当的采样 /保持电路、基准电路和多路模拟开关等电路外，还 应根据实际选择的具体芯片进行输入模

19、拟信号极性转换等设计。 方案 1：采用分级式转换器，这种转换采用两步或多步进行分辨率的闪烁式转换，进而快速地完成“模拟 -数字”信号的转换，同时可以实现较高的分辨率。例如 ,在利用两步分级完成 N 位转换的过程中，首先完成 M 位的粗转换，然后使用精度至少为M 位的数 /模转换器（ DAC）将此结果转换达到 1/2 的精度并且与输入信号比较。对此信号用一个 K 位转换器（ K+M N）转换，最后将两个输出结果合并。 方案 2：采用双积分型 A/D 转换器，如 ICL7135 等。双积分型 A/D 转换器转换精度高，但是转换速度不太快，若用于温度测量，不能及时地反映当前的温度值，而且多数双积分型

20、 A/D 转换器其输出端都不是二进制码，而 是 直接驱动数码管的。所3 系统硬件电路的设计 - - 9 以，若直接将其输出端接 I/O 接口会给软件设计带来极大的不方便。 方案 3：采用逐次逼近式转换器，对于这种转换方式，通常 是 用一个比较器输入信号与作为基准的 N 位 DAC 输出进行比较，并执行 N 次 1 位转换。这种方法类似于天平上用二进制砝码称量物质。采用逐次逼近寄存器，输入信号仅与最高位（ MSB）比较，确定 DAC 的最高位（ DAC 满量程的一半） 。确定后结果（ 0 或 1）被锁存，同时加到 DAC 上，以决定 DAC 的输出（ 0 或 1/2）。 逐次逼近型 A/D 转换

21、器，如 ADC0809、 AD574 等，其特点是转换速度快，精度也比较高，输出为二进制码，直接接 I/O 口，软件设计方便。 ADC0809 芯片内包含 8位模 /数转换器、 8 通道多路转换器微控制器兼容的控制逻辑。 8 通道多路转换器能直接连同 8 个单端输入信号中的任何一个。由于 ADC0809 设计时考虑到若干种模 /数转换技术的优点，所以该芯片非常适合于过程控制、微控制器输入通道的结合口电路、只能仪器和机床控制等应用场合，并且价 格低廉，降低设计成本。 方案选择：选择方案 3。理由：用 61 单片机采样速度快，配合温度传感应用方便，成本低，在 SPCE061A 芯片内部的 ADC 内，由 DAC0 和逐次逼近式寄存器 SAR组成逐次逼近式模 -数转换器。 3.1.4 数字显示部分 在实际应用种由很多显示 器件 ，常用显示 器件 有 LED 数码管显示器， CRT 显示器以及 LCD 液晶显示器等。根据本课题的实际显示需要，设计了一些开机界面，这就需要显示 器件 进行汉字和字符的显示。据此，设计了三种方案： 方案一：常用的数码管显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管 ag控制七个笔画 （段）的亮或暗，另一个控制一个小数点的亮和暗，这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少，字符的形式有些失真，但控制简单，使用方便。如图 3.2所示： 图 3.2 数码管显示器