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毕业设计
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单片机红外遥控系统设计资料,毕业设计
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天津工程师范学院 2007 届本科生毕业设计 3 1 引言 一篇完整的毕业设计或论文通常由题目、 摘要 、 目录 、引言、 正文 、结论、 参考文献 、 附录 、 致谢 等几部分构成， 除外语类专业外 一律 采用汉语撰写。 本科毕业说明书的总篇幅包括图表在内（附录除外）一般以 1-1.5 万字为宜，最多不要超过 2 万字；毕业论文的总篇幅一般在 1 万字左右。 1.1 智能家居的现状 1.2 微控制 器的发展及其应用 我国开始使用单片机是在 1982 年，短短五年时间里 发展极为迅速 ， 1986 年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会，那是全国形成的第一次高潮。 2003 年 7 月， 91（ 91 猎头网）在上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中，单片机人才的需求量位居第一。纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能 IC 卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些 东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用， 元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单 片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。 所以， 单片机 的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。据统计，我国的单片机年容量已达 1 3 亿片，且每年以大约 16%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到 1%。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。 nts天津工程师范学院 2007 届本科生毕业设计 3 1.3 通信技术的发展及其前景 2 系统原理和部分方案比较 2.1 系统原理综述 2.2 系统总体要求 2.3 系统各部分方案比较 2.3.1 控制方式比较 2.3.2 信号处理方案 2.3.3 微处理器的选择 nts天津工程师范学院 2007 届本科生毕业设计 3 3 系统硬件设计方案 3.1 系统工作原理流程 3.2 系统主控制器选择 3.3 信号的发射接收电路 3.4 遥控键盘电路 3.5 数码显示电路 3.6 继电器控制家电输出电路 4 程序控制 5 开发环境及程序下载 6 系统测试及数据记录 7 客体相关技术发展前景 nts 单片机 红外 遥控系统设计 摘要： 本文 设计 了 一种 基于 AT89S52单片机的红外遥控系统， 可用于控制 多种 电器 的 开关，交流电机的转速及启停等方面 。 阐述了发射部分和接收部分的 设计原理和工作过程 ， 介绍了 一种 红外遥控解码程序的 实现方法 ，并用流程图表示了程序的设计过程 。 1 引言 红外线波长远小于无线电波的波长，所以红外遥控不会干扰其他无线设备的工作；其次其无法穿透墙壁，故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰；再次红外线电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需任何调试即可投入工作，并且 编解码容易，可进行多路遥控；另外红外遥控器作为控制系统的输入设备，具有成本低、灵活方便的特点。 红外遥控 的这些优点 可 为用户提供方便的操控手段 ， 因此该技术被 广泛应用于各种家电产品、 娱乐设施 、现代化仪器仪表 和工业控制中 ，为 现代 家居和生产 生活 增添了一丝亮色 。 单片机 集 CPU， RAM,ROM,I/O口、中断和定时器于一体，具有体积小，重量轻，控制灵活方便，价格低廉等优点 ，广泛应用于工业自动化、仪器仪表、家用电器、信息和通信产品以及军事装备等方面 。 采用单片机进行红外遥控系统设计，具有编程灵活多样，操作码数可随意设定等优 点。 单片机经过不断地更新换代，其性能也在不断的提升，其中 ATMEL公司生产的闪速存储器单片机芯片 AT89S52是一种低功耗，高性能的 CMOS8位微控制器 ， 本设计以 AT89S52单片机为核心，附以相nts应的外围电路，构成基于单片机控制 的红 外遥控 系统 。 2 系统硬件设计 本文所设计的红外遥控系统 分为两个部分：即遥控发射部分和接收控制部分（整个系统原理框图如图，图所示）。整个系统需要解决的关键问题是实现红外信号的有效发射与接收，本设计将采用脉冲个数编码，和单片机软件解码的方式来实现红外遥控器对继电器 的开 和 关 ，从而控制电器设备 。 图 ： 遥控 发射部分框图 图：接收控制 部分 电路 遥控发射部分 （其 电路原理图如图 ）： 主要由 AT89S52单片机、矩阵式操作键盘、红外发射电路和电源部分组成。实现一旦有键按下，单片机进行键盘查询，并由查询的键单片机（ 2） AT89S52 继电器 控制 电路 红外接收 电路 电源电路 数码显示 电路 单片机（） AT89S52 矩阵 键盘 电路 红外 发射 电路 电源电路 nts号控制红外发射管发射相应的脉冲。 AT89S52单片机 遥控电路的 核心控制芯片采用 AT89S52单片机，它 具备 8KB可重编程 Flash存储器， 1000次擦写周期， 32个可编程 I/O口线， 3个 16位定时器 /计数器， 8个中断源，看门狗定时器， 2个数据指针， 另外， AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2种软件可选择节电模式 。 空闲模式下， CPU停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 矩阵式键盘 矩阵式键盘即行列式键盘，用线组成行、列结构，按键设置在行列的交电 上，行列线分别连接到按键开关的两图 3: 遥控发射部分的电路原理图 端，按键中有无按键按下是由列线送入扫描字，行线读入行线状态来nts判断的。本设计中的矩阵键盘扫描时 先 经位输出口向位列线输出低电平，然后再输入位行线的状态，若行线状态皆为高电平则表明无键按下，若行线状态有低电平则表明有键被按下。 红外发射电路 遥控信息码由单片机的 定时器 0调制成 38KHZ的 红外线载波 信号，由 .4口输出， 经三极管 9013放大后由红外发射管发射出去。 2 2接收控制部分 （ 电路原理图如图 4）： 主要由 AT89S52单片机、红外接收电路、数码显示电路、继电器控制电路和电源电路组成。遥控器发射的信号经红外接收处理传递给单片机，单片机根据不同的信息码进行相应的继电器的控制，并完成相应的现实功能。 2 AT89S52单片机 AT89S52(2)单片机为控制核心，外加 12MHZ的晶振。 2红外接收电路 红外光波不可见，峰值波长 940nm 左右，属红外波段。红外接收管将接收到的红外线光波转换成电信号，黑色的树脂封装将 700nm 以下波长的光线滤除。红外一体化接收头是由红外接收管和放大电路组成的，能够接收 脉冲编码调制的红外光信号，具有体积小，密封性好，灵敏度高，价格低廉等优点。本设计采用 SM0038 一体化接收头，其解调频率为 38KHZ，当接收到 38KHZ 的红外脉冲信号时输出为低电平，反之输出高电平。经其解调后的信号输入单片机的中断和串行接收口。通过单片机的中断查询可进行下一步操作。 2数码显示电路 为方便识别发射的按键号码，以及显示受控制的电路，在接收部nts分设置数码显示电路。显示电路主要由显示驱动器 4511 和数码管 LED组成。 CD4511 是 7 段译码器，与其它驱动器不同的是，它显示数码 6和 9时没有拖尾现象，它所驱动对象是共阴 极 LED 数码管。CD4511 的四个信号输入端用单片机 P1 端口中的四位来实现。 2继电器控制电路 继电器控制电路可由单片机的 P0 和 P2 口输出，一共可以有 16个支路，即可以控制 16 个电器，而这 16 个支路的电路形式完全相同，在本次设计模型中，可选择其中的一个或几个支路来演示。以 P2.1口为例，将其连接到继电控制电路中三极管 9012 的基极，三极管的射极接继电器 ，使整个控制部分接到交流电器中。当 P2.1 输出低电平时，三极管导通，继电器吸合，对应的电器设备电源接通，设备开启 工作；否则 P0 或 P2 口相应引脚输出为高电平，三极管截止，继电器断开，对应的电器设备因断电而不能工作。 图 : 接收控制部分的电路原理图 nts3 系统软件设计 本设计的软件分为发射部分和接收部分。 发射部分的工作原理为：系统上电初始化， 进入主程序循环状态。调用键盘扫描处理子程序，当无按键按下时，系统处于等待状态；当有按键按下时，系统通过按键检查子程序，检查按键号并转入相应的发射子程序。 （键扫描程序流程图如图） 在发射子程序中， 利用定时器 将待发射信号调制成 38KHZ的载波信号，经三极管放 大后驱动红外发射管，发射调制脉冲信号。发射信号采用脉冲个数编码，不同的脉冲个数代表不同的编码，最小为 个脉冲， 其它信息码的脉冲个数逐个递增。为了使接收可靠，第一位码宽为，其余为，码间距为， 遥控码数据帧间隔大于。遥控器上每一个按键都有唯一的一个键号，通过查询得到的键值发射事先设定个数的脉冲。 （红外发射程序流程图如图 6） 键扫描 Y N START 装载发射脉冲个数 发 3ms 首脉冲 停发 1ms 码间距 发射脉冲个数减 1 等于 0 吗？ 发 1ms 脉冲 停发 1ms 脉冲 START 有键按下吗？ N 键码计算 键扫描 由键号转至发射程序 Y nts 图 5：键扫描程序流程图 图 6：发射程序流程图 接收部分工作原理为 ：系统上电初始化后， 对单片机的 INT1 口进行检测，当其为高电平时，系统处于等待状态；当其为低电平时，将启动中断服务程序。红外接收器输出脉冲帧数据时，第一位码的下降沿触发中断程序，实时接收数据帧，并对第一位码的码宽进行验证。若第一位的低电平码的脉宽小于 2ms,将作为错误帧处理。当间隔位的高电平脉冲宽大于 3ms 时，结束接收，然后根据累加器 A 中的脉冲数，在单片机 P1 O P1 3 口输出相应的二进制数据，经译码器的译码后驱动数码显示管显示相应按键，同时 P0 或 P2 口的某一对应引脚输出控制信号，使继电器原有状态发生改变，此时即完成一次数据的接收处理。 4 结束语 本设计采用红外发射和接收的方式，保证了信号传输的可靠性，并且控制简单、实施方便，成本低廉。通过接收发射端的控制信号，在接收部分实现了相应的控制。但是，由于受红外线定向性和传输距离的限制，该系统只适应于短距离的遥控控制 (10 m以内 )，而且操作时遥控器要有一定的角度，如果中间有墙、门窗等障碍物时，红外线将无法穿透。如果采用调频或调幅等发射接收编码，可提高遥控距离，并且不受角度的影响。 nts 注释： 红外编码的 格式多种多样，本设计只是选取了其中的一种。 参考文献 ： （ 1） 李 广弟单片机基础北京航空航天大学出版社 2001年第 2版， 2003年 9月第 6次 印刷 ， P11-37,P200-203 （ 2） 刘东汉基于微处理器解码多功能遥控系统的设计 2006年第 8期， P27-29 （ 3） 朱光忠基于单片机的红外遥控开关控制 器 2006年第 11期， P2097-2099 nts摘要：本文设计了一种基于AT89S52单片机的红外遥控系统，可用于控制多种电器的开关，交流电机的转速及启停等方面。阐述了发射部分和接收部分的设计原理和工作过程，介绍了一种红外遥控解码程序的实现方法，并用流程图表示了程序的设计过程。1 引言红外线波长远小于无线电波的波长，所以红外遥控不会干扰其他无线设备的工作；其次其无法穿透墙壁，故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰；再次红外线电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需任何调试即可投入工作，并且编解码容易，可 多路遥控； 外红外遥控器作 控制系统的入设备， 本 方 的 。红外遥控的 可 用 方 的 控 ， 用于种家电产 设 现currency1器currency1表和工控制“， 现家和生产生 了一fifl 。单片机CPU，RAM,ROM,I/O “和定器于一 ， 小，控制 方 ，” 等， 用于工 currency1器currency1表 家用电器 和通产以及备等方面。用单片机 红外遥控系统设计， 编程 多， 作码可设定等 。单片机 过不 ，其不的 ，其“ATMEL 生产的 速 器单片机 片AT89S52 一种 ， 的CMOS8 控制器，本设计以AT89S52单片机 ，以相 的外 电路， 基于单片机控制的红外遥控系统。nts 房间电器综合控制系统 Control system of the electrisic in the room 摘 要 本设计 的目的是寻找一种方法来实现房间内多种电器的综合控制，采用了 单片机与红外遥控相结合的方式，制作出一种房间电器综合控制系统 。 系统的核心由 AT89S52单片机和红外 收发装置 构成，整个系统包括发射部分和接收部分。 发射部分 以 AT89S52 单片机为中心控制芯片，外围扩展了矩阵键盘， 红外发射电路以及电源电路 ； 接收部分则以 AT89S52单片机为核心，外围扩展了红外接收电路，按键显示电路， 电源电 路以及 与按键 相应的继电器控制家用电器电路。红外信号的发射采用脉冲个数编码的方式，根据不同的按键设定不同的编码， 通过软件实现解码，从而控制相应电器的开和关。 通过硬件和软件相结合的方式，此设计实现了手持遥控器，按下一个按键，相应的电器接通电源开始工作，并显示按键号码，再按一下，该电器切断电源停止工作。此设计 具有操作码个数可随意设定，编程灵活多样等优点 。 关键词 ： 单片机；红外；编码解码 nts ABSTRACT The aid of this ariticle is to search a way to Key Words： MCU;Inframed; nts 目 录 1 引言 . 错误 !未定义书签。 1.1 智能家居的发展 . 错误 !未定义书签。 1.2 微处理器的功能及其应用 . 错误 !未定义书签。 1.3 通信技术的发展及其前景 . 错误 !未定义书签。 2 系统原理和部分方案比较 . 错误 !未定义书签。 2.1 系统原理综述 . 错误 !未定义书签。 2.2 课题总体要求 . 错误 !未定义书签。 2.3 系统各部分方案比较 . 错误 !未定义书签。 2.3.1控制方式比较 . 错误 !未定义书签。 2.3.2 信号处理方案 . 错误 !未定义书签。 2.3.3 微处理器的选择 . 错误 !未定义书签。 3 系统 硬件设计方案 . 错误 !未定义书签。 3.1 系统工作原理流程 . 错误 !未定义书签。 3.2 系统主控制器选择 - 12 3.2.1 单片机（ MCU）概述 - 12 3.2.2 MCU 芯片简介及器件选择 - 14 3.2.3 AT89S52 简单介绍说明 - 15 3.3 信号的发射接收电 路 . 错误 !未定义书签。 3.3.1 红外发射电路设计 . 错误 !未定义书签。 3.3.2 红外接收电路设计 . 错误 !未定义书签。 3.4 遥控键盘电路 . 错误 !未定义书签。 3.4.1 按键安装方法 . 错误 !未定义书签。 3.4.2 矩阵扫描 . 错误 !未定义书签。 3.4.3 健功能 . 错误 !未定义书签。 3.5 数码显示电路 . 错误 !未定义书签。 nts 3.5.1 驱动电路 . 错误 !未定义书签。 3.5.2 数字显示电路 . 错误 !未定义书签。 3.6 继电器控制家电输出电路 . 错误 !未定义书签。 3.6.1 继电器原理 . 错误 !未定义书签。 3.6.2 控制电路 . 错误 !未定义书签。 4 程序控制 . 错误 !未定义书签。 4.1 系统软件介绍 . 错误 !未定义书签。 4.2 总程序流程 . 错误 !未定义书签。 4.3 程序 . 错误 !未定义书签。 4.4 系统整体电路图 . 错误 !未定义书签。 5 开发环境及程序下载 . 错误 !未定义书签。 5.1 开发环境 . 错误 !未定义书签。 5.2 程序下载 . 错误 !未定义书签。 5.2.1系统下载 . 错误 !未定义书签。 5.2.2 外加软件下载 . 错误 !未定义书签。 6 系统测试及数据记录 . 错误 !未定义书签。 6.1 软件测试 . 错误 !未定义书签。 6.1.1 功能仿真 - 12 6.2.2 - 14 6.2 硬件测试及仿真 - 12 6.3 系统数据记录 - 12 7 课题相关技术发展前景 . 错误 !未定义书签。 结 论 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 附录 1： 程序 . 错误 !未定义书签。 附录 2： 系统电路图 . 错误 !未定义书签。 附录 3： 系统 PCB 图 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 nts 1 引言 当今社会是数字化的社会， 也 是数字集成电路广泛应用的社会 。而 数字集成电路本身 也 在不断地进行更新换代 ，不断的进步创新。 它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路 ， 发展到超大规模集成电路 （ VLSIC，几万门以上 ） 以及具有许多特定功能的专用集成电路 （ ASIC） 。 并且在现代高新电子产品的设计和生产中， 数字集成电路 技术和现代电子设计技术是相互促进、相互推动又相互制约的两个技术环节。前者的进步就表现在大规模集成电路加工技术，即半导体工艺技术的发展上；而后者的核心则是 EDA（电子设计自动化）技术，它使得设计者的工作仅限于软件的方式，即利用硬件描述语言（本文只涉及到 VHDL 硬件描述语言）和 EDA软件来完成对系统硬件功能的实现，避免了硬件电路在搭接时所出现的问题。 1.1 ASIC 技术促使 可编程逻辑器件 发展 随着微电子技术的发展，设 计与制造集成电路的任务 已经 不 再 由 某个大规模的生产厂商 来独 自 承担 了，更甚至于 系统设计师们 都 愿意自己设计专用集成电路（ ASIC） 芯片，而且希望 ASIC 的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的 ASIC 芯片，并且立即投入实际应用之中 。也就是这种现场可用的思想促成 了现场可编程逻辑器件 （ FPLD）的出现 ，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列 （ FPGA） 和复杂可编程逻辑器件 （ CPLD）了 。 对于电子系统设计来说，在以前的很长一段时间里，设计某个电子控制系统大多数情况下是用指令少、功能单一的单片机 ，但是用其开发出来的硬件系统及其电路结构庞大而复杂、成本高、经常容易发生电路方面的故障，并且由于系统是针对某一个特定的功能而设计的，对今后系统的升级和功能扩展都非常困难。显然这样的单片机在某种程度上已经不能再满足设计要求了。而 CPLD（或 FPGA）芯片作为一种新兴的设计器件，在技术上与单片机相比有很多优势，光说其 实现的 工艺 就 有反熔丝技术、 EPROM 技术和 EEPROM 技术 等 。实现了电可 擦 除、电可改写 和紫外线擦除 ，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性。这些 PLD 器件的一个共同特点 ，就 是可 以实现速度特性较好的逻辑功能， 可见用这种 CPLD 芯片进行开发设计时，只需要增加少量的外围电路，并结合可控制它的丰富的指令集合，就可以获得功能强大的控制系统。又由于这种芯片内含有可下载程序固定接口和 EEPROM、 Flash。因此，开发出来的系统具有可升级性 (内部程序可擦除，进行重新烧写 )，用户可以根据需要对其进行功能扩展，既可以缩短系统开发周期，又可以减少开资。 利用 EDA 技术（ CPLD/FPGA）进行电子系统设计的最终目标，是完成专用集成电路 ASIC 的设计和实现，而在电子科技高速发展的当今，再加上上述nts CPLD/FPGA（复杂 可编程逻辑器件 /现场可编程门阵列 ）的各种优点，它以成为实现这一途径的主流器件。其特点是直接面向用户，具有极大的灵活性和通用性，使用方便，硬件测试和实现快捷，开发效率高，成本低，上市时间短，技术维护简单，工作可靠性能好。 例如 Altera公司 最新 生产 的 MAXII系列 PLD ，这是一种基于 FPGA（ LUT） 结构，集成配置芯片的 PLD，在本质上它就是一种在内部集成了配置芯片的 FPGA，但由于配置时间极短，上电就可以工作，所以对用户来说，感觉不到配置过程，可以 与 传统的 PLD一样使用，加上容量和传统 PLD类似，所以 Altera 公司 把它归作 PLD。 还有像 Lattice 公司 的 XP 系列 FPGA，也是使用了同样的原理，将外部配置芯片集成到内部 ， 在使用方法上和 PLD 类似，但是因为容量大，性能和传统 与 FPGA 相同，也是 LUT 架构，所以 Lattice 仍把它归为 FPGA 之列 。 总之，由于以上的各种突出优点， CPLD 或 FPGA 芯片已成为大多数电子设计工程师进行电子设计的首选器件。 1.2 CPLD（ FPGA）实现系统控制 把以 CPLD（或 FPGA）芯片为核心，作为主控制器开发出来的各种测量及控制系统，作为家用电子产品的一 个组成部分嵌入某个系统中，使其更具智能化、拥有更多功能，便于人们操作和使用，从而更具时代感，这也是家用电子产品的发展方向和趋势所在。有的家用电器领域要求增加显示、报警和自动诊断等功能。这就要求我们生产的产品具有自动控制系统。而所谓的自动控制功能的实现主要是由计算机来完成的，可用的方法主要有两种：离线控制和在线控制。离线控制包括利用计算机实现对控制系统总体的分析、设计、仿真及建模等工作；在线控制就是以计算机代替常规的模拟或数字控制电路，使控制系统“软化”，让计算机位于其中，并成为控制系统、测试系统及信号处理系 统的一个组成部分。这类控制由于需要有像计算机一样的智能控制系统身处其中，因此对控制系统有体积小、功耗低、价格低廉以及控制功能强大等要求，而为了满足这些要求，就应当使用可编程逻辑器件的具体芯片来实现。例如：本文所研究的课题就是利用 CPLD器件（ EP1K100QC208-3）为主控芯片，来实现系统的整体功能的。 然而，由于 CPLD 与控制对象联系密切，所以设计一个系统，不但对 CPLD芯片的性能要求高，而且对设计者的要求也很高。他们不但要熟练掌握 CPLD知识，而且还要了解控制对象，懂得传感器技术，具有一定的控制理论 知识等。还拿本文所研究的课题为例，除了利用 CPLD 具体芯片外，还用到了传感器， A/D 转换器以及放大显示电路等，才实现完成了系统总体功能 检测室温显示，并实现报警。 2 系统原理和部分方案比较 nts 一个完整的系统，必须经过系统整体原理分析和各部分的方案比较，选择最佳最优的实现方法，才能完美而立于不败之地。 2.1 系统原理概述 当今社会，随着现代测量、控制和自动化技术的发展，信息采集的方法越来越多，而在所有信息的采集途径中，用的最普遍、最基础的，就是传感器。如果把电子计算机比作人的“大脑” ,那么传感器则酷似人 的“五官”（视觉、嗅觉、味觉、听觉和触觉）了。其重要性则可一目了然，不过对传感器的要求可要比人的五官的要求高得多，并且传感器的种类也在日益增多，涉及到的范围也日益变广。如 AD公司生产的模拟电压输出型的温度传感器 TMP35/36/37，它主要应用于环境控制系统、过热保护、工业过程控制、火灾报警系统、电源系统监控以及仪器散热风扇的控制等。还有 NATIONAL SEMICONDUCTOR生产的与微处理器相结合的测温及温度控制、管理的温度测量控制器 LM80，它主要应用于个人计算机及服务器的硬件及系统的温度监控、办公 室设备、电子测试设备等。以及 MAXIN公司生产的主要应用于 CPU冷却控制的 PWM风扇控制器及遥控温度传感器 MAX1669。因此，测量外界温度 的 方法 有 很多种 ，然而， 由于 热敏电阻 及其放大电路受到环境的影响，在不同的条件下会出现不同的测温偏差 ，而 TMP35/36/37， LM80， MAX1669这些传感器的造价又太高， 在相同条件下，由于测温精度、处理精度等多方面的因素，不同的通道也会出现不同的偏差，因此必须采用一种灵活的修正方式 ，这便用到了电压型的温度传感器 LM35D。它的线性好（ 10mV/）， 宽量程（ 0-100），精度高 （ +0.4 ），低成本，而且采集到的是电压型信号，易于处理，使得电路简单实用 3 。 如上所述，本课题的设计就是利用温度传感器 LM35D来采集温度信号的，随后将采集到的微弱模拟电压信号经过放大器 OP07 放大十倍后送入 A/D 转换器（ ADC0804） ，将其转换为数字信号后，再传给 CPLD 芯片（这里用到的型号是EP1K100QC208-3），即该系统的 核心 部件 ， 通过硬件描述语言（ VHDL）编程进行信号处理，然后经过预先设置好的端口将数字信号传送给 74LS138译码器以及驱动器 CD4511 和报警器， 使 LED 八段数码管动态显示室温和实现报警。 经实验调试，用该方法对 0 -100 范围的温度测量时，测量误差 为 +0.4 ，可靠性好、抗干扰性能强 。 采用 CPLD 芯片 作为核心监控器对外界温度进行测量 ， 这样，既可以降低对温度传感器和放大电路的要求，从而降低成本，又可以针对不同外部环境或不同通道对温度显示 的显示监控 设定进行灵活修改 ，实现系统的升级。 2.2 课题总体要求 (1) 利用电压型温度传感器 LM35D作为信息采集器件采集室温并产生 10mv/的电压信号； nts (2) 利用 OP07 放大器将微弱的电压信号放大预先设置 好的倍数，以驱动后面电路； (3) 利 用 A/D转换器将放大后的模拟信号转换为数字信号，供系统处理； (4) 将数字信号送入 CPLD芯片进行处理； (5) 时时显示转换后的室温，进行监控 ； (6) 温度超过警戒温度时，进行报警。 2.3 系统各部分方案比较 2.3.1 信号采集方案比较 在目前，信号采集有多种方法，而可用于本系统的温度的信号采集大致有三种方法，下面分别介绍各种方法的优缺点，讨论它们的可行性。 方案一：采用热敏电阻采集室内温度信号。用此方法可满足 40 -90 的测量范围，但热敏电阻的精 度、重复性及其可靠性都比较差，并且对于检测小于1 的温度信号时，误差大、不可靠，所以此方法不可取。 方案二：利用电流型温度传感器 AD590 采集室内温度信号。 AD590 具有较高精度和重复性（重复性优于 0.1 ），其良好的非线性可以保证优于 +0.2 的测量精度，利用其重复性较好的特点，通过非线性补偿，可以达到 +0.2 测量精度。 电流型温度传感器 AD590是二端器件，它采用了一种独特的电路结构，利用最新的薄膜激光微调技术作最后的定标，因而具有很高的精度。且其灵敏度为1uA/K，具有很宽的工作电源电压范围和很高的 输入阻抗。作为一种高阻电流源，我们不需要考虑其传输线上的电压信号损失和噪声干扰的问题，因此特别适合做远距离测量或控制应用。出于同样的道理， 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多路转换开关所引入的附加电阻造成的误差。 但是，由于 AD590采集到的信号是电流信号，所以在将数据传给 ADC0804模数转换器之前，必须先把电流信号转变成电压信号，在此期间不但造成了一定的信号损失，又影响了精度，这就要求我们在 A/D转换器前设计一个信号保持电路。这样一来，用 AD590来检测、采集室温的电路 就显得很复杂。而且，在高精度测温电路中，还必须考虑 AD590的输出电流不被分流影响，因此也放弃使用本方案。 方案三：采用电压型温度传感器 LM35D 采集温度信号。 LM35D是精密集成电路温度传感器，它的输出电压与摄氏温度线性成比例， 比例关系是 10mV/。并且， LM35D 无需外部校准或微调来提供 0.4 的常用的室温精度， 就把信号损失减少到了最小。而又因为它的线性性极好，所以编程时很容易实现。因此，对于本课题来说，选用此方案。 2.3.2 模拟信号数字化处理方案 由于整个系统主要是处理数字信号而进行工 作的，所以当由传感器采集到模nts 拟信号后，必须先进行模数转换才能够使整个系统运行工作。而对于模数转换器件的选择，本课题用的是 ADC0804，即系统采用 ADC0804模数转换器 作为模拟信号数字化的器件，进行数字化处理，为系统提供数字信号量的。 2.3.3 信 号处理方案 本系统利用 CPLD 芯片进行信号处理。 将经过 A/D 转换器转换后的数字信号送入 CPLD芯片，进而根据已经编好的程序（程序见附录）处理温度的数字信息，进一步时时显示室内温度和报警，达到时时监控的目的。也就是说采用 CPLD 芯片作为系统信号处理主控制器。 2.3.4 显示部分方案比较 方案一： 以前的 电子工程师们进行电子设计时，大部分都使用单片机 通过串口通信线 TXD、 RXD（ P3.0、 P3.1） ，再加移位寄存器 74LS164来 实现 LED的 显示功能，如图 2-1所示。这样一来，使得每一个 LED数码管都需要一片 74LS164，使得电路比较麻烦，并且与单片机接口的编程程序不易实现 ， 所以本课题放弃使用次方案。 RXD TXD 图 2-1 通过串口通信线 TXO 、 RXD实现 LED显示功能 方案二： 近年来， 国内外有许多基于串行总线方式的 LED显示器接口芯片不断出现，这些芯片与另一种功能更强、速度更快的控制芯片连接，可实现以往单片机不能实现的多种功能，并且具有占用 I/O 口线少，进行功能扩展方便，使用起来十分容易等特点，这就是用 EDA 技术来开发的 CPLD 芯片， 因此本系统选用此方案。 在选用 CPLD芯片后，再选用 3个共阴极的 8段数码显示管（ TOD5201AE）来实现动态显示，用 CPLD 已经编好的程序来驱动一片 CD4511和一片 74LS138 就可以控制段码和位选 ，以实现温度显示的功能。 2.3.5 系统报警方案设计 在设计开始时，想要的系统功能之一，是想让在室温达到并超过警戒温度时，系统可实现报警，给人以提示。在此，可用一个风鸣器和一个三极管放大电路来实现报警功能。具体的电路分析，详述见下文中。 LED LED 74LS164 74LS164 nts 3 系统整体硬件设计方案 3.1 系统工作原理流程 根据课题设计要求可知，该系统需要利用电压型温度传感器采集室内温度，产生 10mV/ 的电压信号，随后，将该信号送入放大器进行放大，再把此放大后的信号送给 A/D转换器进行模数转换，之后由 CPLD芯片编程处理，即通过 CPLD芯片编程设定上下限报警温度，并显示转换后的室温。具体流程 图如图 3-1所示。 图 3-1 系统流程图 在温度信号采集电路中采用方案三，使用线性成比例（ 10mV/）的电压型温度传感器采集信号，之后，将微弱电压信号经过整个硬件与软件系统放大 100倍后的电压信号使其显示就是室温。首先，使采集到的电压信号经过放大电路放大十倍后送入 A/D 转换器（ ADC0804） 。在此，将 ADC0804的基准电压设为 2.5V，由于它为 8 位转换器 ，其内部转换关系将输入信号扩大 50 倍后，才将模拟信号转换为数字信号。之后，将转换后的数字信号传给 CPLD芯片（ EP1K100QC208-3），通过 VHDL 编程将扩大了 500 倍的信号缩小 5 倍，即可将输入的微弱电压信号最终放大 100倍，现在的电压值便是室温值。然后经过设置的 I/O口将数字信号传送给 74LS138 译码器以及驱动器 CD4511 和报警器，使 LED 八段数码管动态显示室温和实现报警，从而实现整个系统的设计功能。 3.2 传感器及放大电路 3.2.1 电压型温度传感器 LM35D 如图 3-2所示，是一般传感器 的工作原理方框图。 CPU 控制电路 A/D 转换电路 放大电路 传感器控制电路 译码驱动电路 显示电路 报警电路 敏感元件 转 换 元件 测量电路 辅助电源 非电量 电量 nts 图 3-2 传感器原理框图 本系统的设计所用的传感器为 LM35D， 它 是 LM35系列 的一种， 是精密集成电路温度传感器， 其 输出电压与摄氏温度线性成比例 （ 10.0mV/ ） ，如图 3-3所示其关系 3。 U(V) 40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 T( ) 图 3-3 传感器温度电压关系曲线 因而 LM35系列 有优于用开尔文 作为 标准的线性温度传感器， 在 额定工作温度范围 内精度 为 3/4 。其 密封适合用 TO-46晶体管封装，也适合 用 塑料 TO-92晶体管封装。 其特性如下： (1) 直接用摄氏温度校准 ， 线性 +10.0mV/ 比例因数 ； (2) 在 -55 +150 额定范围 内 保证 0.5 精度（在 +25 时）； (3) 适用于遥控设备 ， 因晶体片微调而低费用； (4) 工作在 4 30V， 小于 60A 漏泄电流 ，有 较低自热，在静止空气中 0.08 ； (5) 只有 1/4 非线性值 ， 低阻抗输出， 1mA负载时 0.1 。 LM35系列中的 LM35D的工作电压为 4V 20V，故可直接用温控电路的电源，但要加一个隔离二极管及平滑电容 C。 LM35D 测温范围 0 100 ，输出电压直接与摄氏温度成比例，灵敏度为 10mV/ 。 将其 输出电压接 2V直流电压挡数字万用表，可读出 的 分辨率为 0.1 的温度读数。 例 如 ：室内温度是 28.7，那么其转换关系是 28.7 10 mV/ =287mV （ 3.1） 则 表上 的 读数 就 为 287mV，即 反映室内 温度 ： 28.7 。 nts 集成温度传感器 LM35D是把测温传感器与放大电路做在一个硅片上，形成一个集成温度传感器，它的 外形与封装 如下图（见图 3-4）。 LM35D是一种输出电压与摄氏温度成正比例的温度传感器，精度为 1。最大线性误差为 0.5，静态电流为 80uA。该器件如塑封三极管（ TO-92）。该温度传感器最大的特点是使用时无需外围元件，也无需调试和较正（标定）。如下图所示（图 3-5）是 LM35D的典型测温电路及其转换电路的接口电路。 图 3-5 LM35D的典型测温电路及与转换电路接口 在图 3-5 中，经 LM35D 输出端输出的信号经过了由 75 的电阻和 1uF 的电容构成的积分滤波网络，可滤除其他的杂质信号，使采集到的与温度成比例（ 10mV/）的电压信号更加稳定，之后再将温度信号经过放大器送给 ADC0804进行转换。 图3-4 图 3-4 LM35D 的引脚及封装 nts 3.2.2 放大电路设计 图 3-6 系统的放大电路部分 如图 3-6所示，为系统的放大电路部分，电压型温度传感器 LM35D采集到的室温为很微弱的模拟量。例如：若室温为 26，那么经 LM35D 采集后得到的电压信号为 0.26 V，这样一个微弱的电压信号，既不利于处理又容易产生误差且不稳定。所以我们需要将此信号在整个硬件系统和软件系统中放大 100倍（如前所述），之后将其送入驱动电路，即可在 LED 数码管上显示室温，达到目的。如图所示，在放大电路中，取 R6 为 1K 是为了好计算放大倍数， R5 用 20K 的滑动变阻器使这个 0.26 V 的微弱电压信号可以在 0-20 的放大倍数范围内可调，在此，将其放大 10倍，因此需要将 R5调至 10K。这样经放大器 OP07放大后从第 6脚输出的电压信号就为放大十倍的 2.6V。这样就足以驱动后面的电路进行工作，达到系统设计的目的。 3.3 A/D 转换电路部分分析 3.3.1 A/D 转换器 随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测领域中，为提高系统的性能指标，对信号的处理无不广泛的采用了数字计算机。但由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图象等），所以要使计算机或数字仪表能识别和处理这些信号，首先就必须将这些模拟信号转变为数字信号，这样就需要一种能将模拟信号转化为数字信号的 电路 模数转换器（ A/D转换器）。而为了将时间和幅值都连续的模拟信号转化为时间和幅值都离散的数字信号，一般要经过四个过程 5，如图 3-7所示。 nts 图 3-7 模数转换流程 而在实际电路中，上述四个过程中有的是合并进行的。例如，取样和保持、量化和编码，往往都是在转化过程中同时实现的。具体介绍如下： (1) 取样与保持 取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量（这里要注意的是取样以后信号依然是模拟量）。取样的过程示意图如图 3-8 所示。 图 3-8 取样过程 图中的传输门受 取样信号 S（ t）的控制，在 S（ t）的脉宽期间，传输门导通，输出信号 Vo（ t）为输入信号 Vi(t)，即 Vo(t)=Vi(t)，而在（ Ts）期间，传输门关闭，输出信号 Vo（ t） =0。可见，取样就是在一个固定的时间点上采集一个模拟信号的具体值，而要将取样得来的模拟信号转换为数字信号得经过一段时间，所以有必要将取样电路每次取得的信号通过保持电路保持一段时间，以便给后续的量化编码提供一个稳定值，即使用保持电路使整个系统更加协调稳定。 (2) 量化与编码 数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。任 何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。为了将模拟信号转化为数字量，在 A/D转化过程中，还必须将取样 -保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。这一转化过程称为数值量化，简称量化。量化后的数值最后还必须用某一个代码表示出来，这个过程就叫做编码。经编码得到的代码就是 A/D转换器的最后输出量，就是表示模拟信号大小的数字信号量。 3.3.2 A/D转换器的选择 近年来， A/D转换器随着半导体技术的不断发展而日新月异，各种性能优异的 A/D转换器层出不穷。早期的 A/D转换器与 CPU接口一般采用并行总线方式，现在一些采用 I2C、 SPI 总线的新型 A/D转换器相继被国外一些公司推出，极大地丰富了 A/D转换器的种类。 A/D转换器的位数与一个应用系统前向通道中被测量对象的精度有关。一般取 样 保 持 量 化 编 码 模拟信号 数字信号 Vo(t) Vi(t) TG S(t) nts 情况下，由于客观条件的影响，电路设计中 A/D转换器的分辨率要高于被测量对象的信号最低分辨率。假如，我们要测量一组电源电压，其电压的输出范围是0 10V，如要求精确到 0.1V，即分辨率为 0.1/10=1%,那么在实际应用中我们选择分辨率为 1/256=0.4%的 8位 A/D转换器便可满足要求。当然， A/D转换器的位 数越多，分辨率也就越高，但是成本也就随之愈高。因此在实际电路的设计中，选择A/D转换器也不能一味强调位数，应该在满足系统性能指标的前提下，追求最高的性能价格比。 目前，被广泛使用的 A/D转换器种类很多，从接口协议上分为串行和并行两种方式。串行接口的 A/D转换器占用较少的 CPU外部 I/O资源，主要采用的协议有SPI和 I2C等方式，程序设计较并行接口略显繁琐，典型的芯片有 TI公司的TLC25431543等等。并行接口的 A/D转换器芯片目前仍占多数，流行的有 ADC0804、ADC0809 、 AD574等等。而本 课题的设计使用的是 ADC0804来完成模拟信号向数字信号转变的。下面就来介绍 A/D 转换芯片的硬件设计方法。 3.3.3 A/D 转换电路 图 3-9 A/D转换电路 如图 3-9 所示，是 A/D转换器 ADC0804的硬件设计电路，其中 ADC0804是逐次逼近型 8位 8通道 A/D模数转换器。它的主要技术指标是： 8位分辨率， 1/2LSB的转换精度，转换时间典型值为 100us（时钟频率为 640KHZ时），电源电压为单电源 5V。其引脚中 DB0 DB7为 8位数字信号输出端 (即转换后的数字量 )， VCC为电源端， GND为接地端， VREF为参考电压输入端， CLK是时钟信号输入端，第 6脚接的是放大器送出的温度信号量。 nts 信号从 ADC0804的第 6脚送入， R3与 C3通过 ADC0804的 19脚（ CLKR）接地与 4脚（ CLK）向内部电路提供时钟信号，以给 ADC0804一个正确的时序，使其正确工作。 如果从 量程为 0-100 LM35D采集到最高温度 100 ，那么由于 LM35D灵敏度为 10mV/以及经过放大器 OP07后放大十倍，则传到 ADC0804输入脚 VI+的电压信号为 10V，再经过 ADC0804内部的输入电压与基准电压的公式（ 如下）放大 50倍 (此50倍为数字量的 50倍 )： （ Ui/VREF*2） *256 (3.2) 其中“ *”符号表示乘的意思， Ui 表示为输入电压，即 VI+， VREF 为 ADC0804内部设定的基准电压（随时可以更改）。如下图（图 3-10）是 A/D转换过程： Ve Vx （ 1000）（ 0100）（ 0110）（ 0111） t 图 3-10 A/D转换过程原理图 在硬件设计中，我们将基准电压（ VREF）调至 2.5V，将 VI+=10V代入上公式则可得 ADC0804的输出为 10V电压的 256/5 50倍，将其送入电路的信息处理部分 CPLD芯片，再利用软件的方法将结果除以 5便可达到最终的放大目的，之后送入驱 动电路使其显示出最大温度为 100 。由于 A/D转换器的分辨率为 1/256=0.4%，我们将最高温度设为 100 的话，可得它的测量精度为 100/256=0.4 。那么如果将最高温度设为 50 ，我们可得它的温度范围为 0-50 ，测量精度为50/256=0.2 。为了提高精度，我们将最高报警温度设为 50 。 还如前面的例子，如果室温为 26 ，那么经放大电路放大后传到 ADC0804输入角 VI+的电压信号为 2.6V，将其代入上公式则可得 ADC0804的输出为 2.6V电压的256/5 50倍的二进制数，将其送入系统的 主控制器，我们再利用软件的方法将结果除以 5便可得送入驱动电路使其显示出的温度为 26 。在这个转换电路中，ADC0804起着两个作用，一是将模拟量转换为二进制的数字量，二是将此输入信号在放大电路放大 10倍后再放大 50倍。 ADC0804由 CPLD芯片预设控制端启动，它与 CPLD的接口电路工作的流程图如nts 图 3-11所示。 经 ADC0804转换后的二进制数字信号通过 DB0-DB7端口传 CPLD芯片的预设输入端，供后面编程控制，使其缩小 5倍，然后显示室温。 CS端为 ADC0804的片选信号端，低电平有效。 WR 、 RD 分别为写、读端，将其与 CPLD芯片的写、读端相连。 INTR端为中断口，当其为高电平时表示转换完成，之后，送中断信号给单片机，等待 CPLD芯片发出信号接收转换好的数据。可见，在整个系统中， A/D转换电路起着至关重要的作用。它的设计好坏直接影响着整个系统的工作性能。 图 3-11 ADC0804 工作流程图 3.4 系统主控制器选择 3.4.1 CPLD(FPGA)概述 集成电路的发展大大促进了 EDA 的发展，从而使电路设计从传统的“自上而下”的设计方法转变为“自下而上”的设计方法。设计师们都希望自己设计的芯片能够反映自己的思想，并且能够及时的投入生产使用，这都有益于可编程逻辑器件（ PLD）的出现。 现在应用最广泛的 PLD 主要是现场可编程门阵列（ FPGA， Field programmable Gat
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