精品基于凌阳单片机的温度检测系统设计论文

内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 基于凌阳单片机的温度检测系统 设计 摘要 温度是工业生产 和生活 中最基本的参数之一，在日常生活和工业控制过程中 ， 经常需要进行 对 温度 的 测量，并对温度的结果进行分析，以做出相应的处理 ， 这对于提高生产效率和 生活 质量等都有重要的作用。 本设计 采用 温度传感器，单片机 硬件核心元件，设计了一种具有温度初值设定、温度语音播报、温度显示、手动复位、自动修正误差 等 功能 的新型温度检测系统 。该系统 结构简单、体积小、成本低、现场适应能力强、 检测准确 、可靠性高。 本设计主要完成了温度检测总体方案的设计；完成 了系统的主控硬件流程图；完成了由 电 桥和差分放大电路组成的传感器电路；完成了单片机的最小系统电路、音频输出电路； 完成了系统主程序的软件设计及系统初始化、 A/音 处理等 子 程序 的软件设计。 关键字：凌阳单片机； 音播 放 of is of in in to of in to an to of as as a of is is is is is is s is of s A/D 蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 目 录 摘要 . I .一章 绪论 . 1 言 . 1 内外温度检测技术概述 . 2 度检测技术简介 . 2 度检测技术的发展 . 3 设计的主要内容 . 4 第二章 总体方案设计 . 5 度传感器设计方案选择 . 5 片机选择 . 5 统总体框图 . 6 第三章 硬件电路设 计 . 7 于单片机的温度采集系统 . 7 集系统简介 . 7 度检测电路 . 7 . 8 分放大电路 . 9 . 10 片简介 . 10 统时钟 . 13 相环 荡器 . 14 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） . 14 间基准信号 . 14 小系统 . 15 . 15 频输出电路 . 16 音背景 介绍 . 16 介 . 18 频放大电路 . 18 盘电路 . 19 . 20 码管简介 . 20 示电路 . 22 源电路 . 22 第四章 软件设计 . 24 件结构 . 24 程序流程图 . 24 （毕业 论文 ） 音程序 . 31 音播放过程 . 31 音程 序流程图 . 32 音中断流程图 . 33 第五章 抗干扰分析和系统调试 . 35 干扰分析 . 35 统干扰的基本分析 . 35 扰源及其一般分类 . 35 干扰措施 . 36 统调试 . 38 试环境 . 38 试方法 . 39 第六章 总结 . 40 参考文献 . 41 附录 A 硬件原理图 . 42 附录 B 源程序 . 43 致 谢 . 66 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 第一章 绪论 言 测量是人们认识自然界的一种科学方法。通过各种测量，人们能够从数量上来描述周围的物质世界，揭示自然界存在的规律，推动科学技术的不断前进。 计量学就是研究保证测量统一的理论问题和实际问题的学科，也就是研究提高测量准确度和保证量值统一性的一门学科。随着社会经济的发展，特别是商 品生产的协作规模和商品交换范围的扩大，商品生产已不局限于一个国家，一个地区，而是跨地区、跨国家。现代科学技术的发展已扩大到综合性、多学科。计量工作在国民经济建设中占有十分重要的地位，它同经济建设、国防建设、科学研究和人民生活都有密切关系。加强计量管理、保证国家计量制度的统一和计量器具的一致、保证计量器具的准确度并正确使用它，这对于提高产品质量、保证零部件的互换性、改进工艺、实现标准化、系列化、自动化；对于保障安全生产、提高劳动效率、降低原材料消耗；对于工业生产自动化、实现科学种田和农业机械化、提高科学研究水 平、进行国内外贸易都具有十分重要的作用。 温度计量学或称计温学是计量学的一个重要分支，它在国民经济各领域中占有一定的地位。人们的日常生活、工农业生产和科学实验等许多方面都与温度测量有着十分密切的关系。温度作为一个重要的物理量，是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一。随着时代的进步、社会的发展、科学技术的不断更新，温度的测量范围要求不断扩大，同时温度的测量准确性要求不断提高。对温度测量的要求也越来越高，而且测量范围也越来越大，对温度的检测技术的要求也越来越高。因此，温度检测和温度检测技术的研究也是一个重 要的研究课题 。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 内外温度检测技术概述 度检测技术简介 随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的方法种类繁多，应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法：利用物体热胀冷缩原理制成的温度计 ； 利用热电效应技术制成的温度检测元件 ， 利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方 便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点； 利用热阻效应技术制成的温度计 ； 利用热辐射原理制成的高温计热辐射高温计 通常分为两种。一种是单色辐射高温计，一般称光学高温计；另一种是全辐射高温计，它的原理是物体受热辐射后，视物体本身的性质，能将其吸收、透过或反射。而受热物体放出的辐射能的多少，与它的温度有一定的关系。热辐射式高温计就是根据这种热辐射原理制成 的； 利用声学原理进行温度测量 ； 利用红外 原理进行温度检测 1。 近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用，已经取得了重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化。晶体管温度检测元件半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。半导体的电阻温度系数比金 属大 12 个数量级，二级管和三极管的 电压、电容对温度灵敏度很高。基于上述测温原理已研制了各种温度检测元件。集成电路温度检测元件利用硅晶体管基极一发射极间电压与温度关系（即半导体 的温度特性）进行温度检测，并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成一体，封装于小型管壳内，即构成了集成电路温度检测元件。核磁共振温度检测器所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时，当与静磁场垂直方向加以电磁波，会发生对某频率电磁的吸收现象。利用共振吸收频率随温度上升而减少的原理研制成的温度检测器，称为核磁共振温 度检测器。这种检测器精度极高，可以测量出千分之一开尔文，而且输出的频率信号适于数字化运算处理，故是一种性能十分良内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 好的温度检测器。在常温下，可作理想的标准温度计之用。 特点是：输出噪声电压大小与温度是比例关系 ， 不受压力影响 ，感温元件的阻值几乎不影响测量精确度， 所以它是可以直接读出绝对温度值而不受材料和环境条件限制的温度检测器。光纤温度检测器光纤温度检测器是目前光纤传感器中发展较快的一种，已开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用 型的品种。它是利用双折射光纤的传输光信号滞后量随温度变化的原理制成的双折射光纤温度检测器，检测精度在 1以内，测温范围可以从绝对 0到2000。激光温度检测器 ， 激光测温特别适于远程测量和特殊环境下的温度测量，用氮氖激光源的激光作反射计可测得很高的温度，精度达 1；用激光干涉和散射原理制作的温度检测器可测量更高的温度，上限可达 3000，专门用于核聚变研究，但在工业上应用还需进一步开发和实验。 度检测技术的发展 生产管理一体化、网络化是当今工业自动化控制领域的大趋势，要实现这些功能，必须借助 于工业计算机、现场网络及开放的工业数据库。利用先进技术手段监测各种复杂生产环境的被控参数（如温度、流量及压力等），使生产和管理一体化，可以有效地提高生产和管理的自动化水平。温度追踪测量（也可以称作是温度分布测定技术）是一种利用微机来实现数据采集、数据通讯传输和数据分析处理的一门新技术，是在生产过程中记录和说明热加工产品与空气温度关系的技术，追踪测量得到的数据被显示为图表或数字。这个过程最简单的形式就是它可以告诉生产者所生产的产品的温度、保持这个温度有多长时间以及在什么时间达到了什么温度。通过分析数据，生产人 员可以保证产品达到最好的质量、解决产品存在问题、优化生产工艺路线及节约能耗。无论是在 电子产品的生产、食品加工、其它工业生产，还是在医疗器械生产方面， 在生产过程中温度是重要的控制指标，温度检测（也称追踪）技术就具有非常广阔的应用前景 2。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 设计的主要内容 （ 1）分析市场对 温度检测系统 的功能要求， 概括系统总体方案 设计 。 （ 2）系统硬件设计 ， 完成系统微处理器的选用， 温度 传感器的选用， 检测电路 的选用 ，三极管驱动 示的选用， 并用 ）。 （ 3）系统软件设计 ， 确定系 统 检测 算法，制定软件程序流程图，并根据软件程序流程图，选用合适的编程语言编写源程序，进而进行软件程序调试以及程序优化，最终实现软件 运行 。 （ 4）对设计系统抗干扰分析以及软硬件调试，并进行整机功能演示。 （ 5）根据设计过程与现象，分析和概括设计结论 。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 第二章 总体方案设计 度传感器设计方案选择 方案一： 采用热敏电阻 ， 可满足 40 90 测量范围， 但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差， 对于检测小于 1 的信号是不适用的。 方案二：采用温度传感器 最新单线数字温度传感 器 一线器件 ，其 体积小 、 适用电压宽 、该 数字化 温度传感器 世界上第一片支持一线总线 接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点 使用户可轻松地组建传感器网络 ，为测量系统的构建引入全新概念 。 测量温度范围为 125 ，在 85 范围内 ,精度为 。 精度 偏 差为 2 。 现场温度直接以一线 总线的数字方式传输 ， 大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量 ， 由于 运行 需要自己的驱动程序，编程难 的特点本系统没有采用 3。 方案三：采用温度传感器铂电阻（ 。 铂电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定 ,它能用作工业测温元件 ,且此元件线性较好。在 0100 时，最大非线性偏差小于 。铂电阻与温度关系是 201R t R A t B t ； 其中 t 时的电阻； 时的电阻； A、 片机选择 方案一：此方案可采用 片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。但是 足数据采样。如果系统增加语音播放功能，还需外接语音芯片，对外围电路来说，比较复杂，且其软件实现也较麻烦。另外， 51单片机需要用仿真器来实现软硬件调试，较为繁 琐。 方案二 ： 此方案采用 片机实现，此单片机内置 8路 路 集内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 成开发环境中 配有很多语音播放函数，用 现语音播放极为方便。 (入 )，可以用来进行语音识别、录音等的语音信号输入 ； 8 路 A/D，选其中 1 路进行温度采集，由按键控制温度播 报 并且 该芯片内置在线仿真、编程接口， 可以方便实现在线调试，这大大加快了系统的开发与调试 4。 统 总体框图 本系统总体设计方案框图如图 本系统有四大模块组成：数据显示模块，语音播报模块，信号采集模块，键盘设置模块。显示模块的主要作用是显示设置温度与测量温度。语音模块主要用作语音播放检测温度，并播报整数温度变化。信号采集模块是将电压信号经 A/D 转换后，换算成温度，用于播报和显示。键盘设置模块是用于设置温度按钮和播报开关。 S P C E 0 6 1 b i t C P 显 示滤 波放 大及 其电 流电 压转 换电 路音 频放 大电 路喇 叭键 盘 设 定传 感 器整 形 电 路A / C 1图 于凌阳单片机的温度检测系统 总体框图 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 第三章 硬件电路设计 于单片机的 温度 采集系统 集系统简介 在工业生产和科学技术研究的各行 各 业中，常常利用 度、压力、频率等物理量。现在常用的采集方式是通过数据采集板卡。采用板卡不仅安装麻烦，易受机箱内环境的干扰，而且受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，不可能挂接很多设备。而单片机数据采集系统的出现，很好地解决了以上这些冲突，很容易就能实现低成本、高可靠性、多点的数据采集。单片机数据采集系统是计 算机在工业控制中最为普遍的应用系统。它的任务是采集生产过程中的各种工况参数并经 A/D 转换器送入单片机，单片机再对这些参数、数据进行分析、运算和处理，如数字滤波、工程量变换、仪表误差修正、数字显示、越界报警、打印等。如再配上输出通道就可方便地组成计算机控制系统。 通用数据采集系统通常是由传感器（或变送器 ） 、 信号调理电路、多功能数据采集卡 (通常集成有模拟多路开关、程控放大器、采样 /保持器、定时器、 A/)、计算机及外设等部分组成其中传感器是将被测量为非电量转换成电信号的信号转换元件 , 然 而由于传感器的电气特性 , 其所产生的电信号一般不可能直接输人至 必须进行调理才能被数据采集设备精确、可靠地采集所谓信号调理就是将传感器或变速器所输出的电信号进行放大、隔离、滤波等 , 以便数据采集板实现数据的采集一般而言 , 信号调理是基于 度 检测电路 如图 过两级放大后输出模拟电压信号 接将运放的输出脚接 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） V C 1 0 0R 2 51 50R 2 41 00R 2 22 40R 2 33 30R 2 61 50R 2 7 1 0 8 1 0 06 0 91 00 3 58U 2 3 58R 3 11 0 21 0 32 0 A 传感器采用铂电阻 热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件；且此元件线性较好，在 0100 之间变化时， 最大非线性偏差小于 。 铂热电阻与温度关系为： （ 1） 保持原先设置为 “ 1” 的位 (最高有效位 )仍 为 “ 1” ；否则，该位会被清 “ 0” 。接着，逐次逼近式控制又将下一位试设为 “ 1” ，其余低位依旧设为 “ 0” ，即 1100000000B， 仍保持原先设置位的值，否则便清 “ 0” 该位。这个逐次逼近的过程一直会延续到 10位中的所有位都被测试之后， A/ 当 10位 A/1”。此时，用户通过读取 7014H)或02元可以获得 10位 A/从该单元读取数据后 ，又会使 0”来重新开始进行 A/未读取 7014H) 或02元中的数据， 1，则不会启动下一次的 A/部信号由 7即 6或通道 7输入的模内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 拟信号直接被送入缓冲器 后放大信号经采样 比较器参与 A/后送入 ：每间隔 1次采样执行 18次 。如果想改变采样间隔可以修改 2_1_ 2，注意采样间隔和采样次数要和控制时间相匹配。 是 是 于干扰或者电路噪声的存在，在采样过程当中会出现采样信号与实际信号存在偏差的现象，甚至会出现信号的高低 波动，为了减小这方面原因造成的测量误差，在实际采样时采样 18个点，然后再除去其中偏差较大的两个点，即一个最大值和一个最小值，再对剩余的 16个点取均值，这样得到的 对数值进行滤波操作之后，还要将 用的两种方案为查表法和公式法：查表法比较麻烦，首先要去制定一个表，而且精度也不高，适合于线性化较差的 公式法比较简单，只需要确定比例系数 合于线性化较好的 于 具有硬件乘法器所以实现 该运算比较容易，其 过程为： K。 A/ 后 开中断，读 5位是否为 1，若为 1说明 不等于 1，则继续读 ，则判断是否完成 18次转换，若没完成 18次转换则继续进行 到 转换完毕置转换标志返回。在 断服务 以提供 1 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） D 转 换 子 程 序 入 口选 择 通 道 ,允 许 A / D 转 换读 寄 存 器P _ A D C _ M U X _ C t r 转 换 结 果P _ A D C _ M U X _ D A T 换 结 果 保 存 到 数 组g i A D C _ D a t a S a v e 置 转 换 成 功 标 志判 断 转 换 是 否 完 毕 ?是 否 转 换 完 毕返 回图 ，此显示函数是独立在主程序之外的子函数，在函数的开始首先定义了段码地址和片选地址，然后 进入堆栈取 选地址，取显示的数据地址 ， 送位选码 显示， 当显示到最后一位时置系统寄存器为零。 显示子程序流程图如图 示。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） D _ S h o w 入 口入 栈取 L E D 片 选 地 址取 显 示 数 据 地 址取 小 数 点送 位 选 码更 改 位 码 指 向 下 一 次 显 示是 否 显 示 到 最 后 一 位B p = 0出 栈返 回判 断 L E D _ N o 是 否 为 1本系统 采用 三极 管 9012扩展的 3位共 阴 级 此 电路已被成功地应用到以 系统定义 位和十分位的供电，当相应的端口变成高电平时，驱动相应的三极管导通，这时只要 的高 8位送出数字的显示代码，数码管就能正常显示数字。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 断 28此中断中完成 序流程如图 1 2 8 H 服 务 程 序调 用 显 示 子 函 数清 除 中 断 标 志中 断 返 回图 盘设置流程图 按键扫描程序事实上就是去抖动程序。即先判断是否有按键按下若有则判断本次按键值和上次扫描到的是否相同，如果相同，将扫描计数器加 1；如果不同，扫描计数器赋 1； 保存按键值以便和下次扫描按键值比较。如果没有按键值按下，则认为按键值已经释放。按键扫描程序流程图如 图 4.7(b)所示 ： 键盘 扫描流程图的初始化，去抖动流程，取键值流程图如 图 a）所示 ： 去 抖 子 程 序 入 口去 抖 计 数 器 是 否 为 零 ？去 抖 计 数 器 减 1返 回 值 程 序 入 口取 可 靠 键 值清 可 靠 键 值 缓 冲 区返 回键 盘 初 始 化 入 口R _ D e b o u n c e R e g 清零R _ K e y B u f 清 零R _ D e b o u n c e C n t 赋值返 回图 a)键盘扫描初始化流程、去抖流程和取键值流 程 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 扫 描 子 程 序 入 口读 I O A 口 键 值取 R _ D e b o u n c e R e g 的 键 值两 值 是 否 相 等 ？去 抖 计 数 器 是 否 为 零 ？去 抖 计 数 器 赋 初 值取 R _ K e y S t r o b e 键 值返 回去 抖 计 数 器 赋 初 值图 4.6(b) 键盘扫描程序流程图 音程序 音播放过程 播放过程包括取数据、填充语音队列、解压缩和输出语音队列需要编写程序，分别调用 )、 )和 )函数实现。本系统采用手动播放方式、 调用语音元素必须首先进行语音压缩，录制的语音文件在播放前须转换为 音 压缩可使用凌阳语音压缩工具（ 成。该压缩工具支持 要求压缩语音资源属性为 816位，单声道。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 取 数 据解 压 缩 队 列解 压 缩输 出 队 列D A C 输 出语 音定 时 中 断语 音 资 料图 动播放过程 音程序流程图 语音功能 的设计是 本系统的主要 特色 ， 片机的语音函数使本系统 语音功能的实现变的轻松了很 多 ,本系统的语音播报函数流程图如下图所示 ,首先声明资源表， 获取语音 资源 的起始地址和结束地址有两个函数 n)和m） 构成， 将译码器初始化为 进入填充语音队列循环，判断语音队列是否已满，若没有填满，判断地址是否以超出播放语音的结束地址，如果没有，则从存储器中获取语音资源，填充到语音队列，将地址指针指向下一个地址单元准备继续取资源。如果已经超出结束地址，则退出填充语音队列循环。如果语音队列已满，判断是否还在播放状态，若是，则解码播放， 如果不在播放状态，或者 函数返回 0， 则停止播放，退出语音循环，返回主程序。 中断服务程序流程在 断里，调用 数译码播放。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 开 始获 取 要 播 放 语 音 的 起 始 地 址和 结 束 地 址初 始 化 为 手 动 播 放 方 式初 始 化 语 音 队 列 初 始 化 译 码 器语 音 队 列 是 否 已 满 ？地 址 是 否 超 出 结 束 地 址