基于凌阳单片机的环境测试仪

编号本科生毕业设计（论文）题目基于单片机的环境测试仪XXX学院XXXX专业学号XXXXXXXX学生姓名XXXXX指导教师XXXXXXXXXXII二一一年六月摘要I摘要随着生活水平的提高，人们对居住环境也越来越关注在电子产品突飞猛进地发展，电子测量仪表逐渐丰富起来的同时，原来的模拟产品逐步向数字化、综合化转化，并且不断走向人性化该环境测量系统能够充分发挥人性化的特质，实现室内光线强弱、温度、湿度的检测利用单片机自带的语音功能，配合传感器，实现带语音播报功能的环境测试仪的设计本方案是采用凌阳科技公司的传感器数据采集模组进行室内温湿度及光线的测量，并通过LED键盘模组实现采集数据的显示整个系统使用凌阳公司的16位单片机SPCE061A作为控制板，实现室内环境的测量、显示和播报功能，从而完成一个环境测试仪器的设计关键词室内环境测量；SPCE061A单片机；语音播报ABSTRACTIIABSTRACTASTHEIMPROVEMENTOFLIVINGSTANDARD,PEOPLESTARTTOPAYMOREANDMOREATTENTIONFORTHEIRLIVINGENVIRONMENTTHEORIGINALANALOGPRODUCTSTURNTODIGITAL,TANTALIZATIONANDHUMANIZATIONSTEPBYSTEP,WHILEELECTRONICPRODUCTSAREDEVELOPINGBYLEAPSANDBOUNDSANDELECTRONICMEASUREMENTINSTRUMENTSAREGRADUALLYENRICHTHISENVIRONMENTALMEASURINGSYSTEMCANFULLYEXERTHUMANIZEDIDIOSYNCRATIC,REALIZETHEDETECTIONOFINDOORLIGHTINTENSITY,TEMPERATURE,ANDHUMIDITYBYUSINGTHESPEECHFUNCTIONOFSCM,WHICHCOORDINATESWITHTRANSDUCER,WECANREALIZETHEDESIGNOFENVIRONMENTTESTERHAVINGSPEECHFUNCTIONTHISSCHEMEADOPTSTHESENSORDATAACQUISITIONMODULEOFSUNPLUSTOTESTTHEINDOORTEMPERATURE,HUMIDITYANDLIGHT,ANDTHROUGHLEDKEYBOARDMODULETOREALIZETHEDISPLAYOFACQUISITIONDATATHEWHOLESYSTEMUSETHE16BITSINGLECHIPSPCE061AOFSUNPLUSCOMPANYASPANEL,REALIZINGTHEINDOORENVIRONMENTMEASUREMENT,DISPLAYANDREPORTINGFUNCTION,SOASTOCOMPLETEANDESIGNOFENVIRONMENTALTESTINSTRUMENTKEYWORDSINDOORENVIRONMENTMEASUREMENTSPCE061AMICROCONTROLLERVOICEREPORT目录I目录摘要IABSTRACTII目录I第1章绪论111选题的目的和意义112传感器技术的发展和国内外研究概况113设计任务和要求2131设计任务2132设计要求2第2章系统组成介绍321凌阳单片机SPCE061A芯片简介322温度传感器DS18B20介绍4221DS18B20概述4222DS18B20测温原理5223DS18B20的内部结构6224DS18B20温度传感器的存储器723湿度传感器HS1101介绍8231HS1101概述8232HS1101性能参数9233HS1101湿度测量方案简述924光敏电阻测量光线原理10241光敏电阻器简介10242光敏电阻器的结构11243光敏电阻器的主要参数11244光敏电阻器的工作原理12245光敏电阻测量光线方案简介1225LED键盘模组简介12251主要功能13252结构框图13253键盘布局14254接口说明14第3章系统硬件设计1731SPEC061A最小系统17目录II32电源模块1733音频输出模块1834环境参数测量模块18341温度测量模块18342湿度测量模块19343光线测量模块2035按键和显示电路模块2036系统硬件总体设计21第4章系统软件设计2341环境参数模块主程序说明23411测温程序模块23412测湿度程序模块27413光线测量程序模块3142语音播报程序说明3343AD转换和中断程序说明34第5章系统组装与调试3751系统组装3752程序下载3753程序调试38531控制程序运行38532调试窗口3954系统应用39第6章结论与展望4161结论4162不足之处及未来展望41参考文献43致谢45基础单片机的环境测试仪1第1章绪论11选题的目的和意义近年来，生活水平的不断提高促使人们开始关注自身的居住环境，而不断成熟的传感器技术也使各种环境电子测量仪丰富起来然而，市面上很少有能够同时测量温湿度及光线的室内环境测试仪，有鉴于此，本课题欲设计出一个传感器数据采集模组进行室内温湿度及光线的测量，通过LED键盘模组实现采集数据的显示整个系统使用凌阳公司的16位单片机SPCE061A作为控制板，实现室内环境的测量、显示和播报功能，从而完成一个环境测试仪器的设计该环境测量系统能够充分发挥人性化的特质，实现室内光线强弱、温度、湿度的检测，利用单片机自带的语音功能，配合传感器，实现带语音播报功能的环境测试仪12传感器技术的发展和国内外研究概况传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一,也是当代科学技术发展的一个重要标志可以说传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础,是现代科技的开路先锋,它与通信技术、计算机技术构成了信息产业的三大支柱传感器技术开发大体上可分为三代第一代是结构型传感器，它利用结构参数的变化来感受和转换信号例如,电阻应变式传感器,它利用了弹性敏感元件变形引起的应变计电阻变化第二代传感器是70年代发展起来的固体传感器这类传感器由半导体、电介质、磁性体等固体元件构成,它利用了材料的某种特性随被测量的变化来感受和转换信号的原理，其结构参数在信号转换过程中基本不变例如热电偶、光敏电阻和压电晶体传感器,分别利用了材料的热敏效应光敏效应和压敏效应70年代后期,由于集成电路技术迅速发展,可以把传感器和外围电路做在同一块芯片上，所以出现了集成传感器使用这类传感器可以大大缩短电路设计时间,减少构成系统的部件数,提高了可靠性,从而实现了系统的小型化、轻量化和低价格化现在能够实现集成化的传感器主要是热敏、力敏、光敏和磁敏等物理传感器由于集成传感器容易同计算机接口,所以发展非常迅速,目前已占传感器市场的2/3,现在集成传感器正向着低价格、多功能和系列化方向发展但是,在高温、高湿、高压、强磁、强振动、强冲击和强腐蚀等条件下,仍需使用结构型传感器今后,结构型传感器将与微电子技术和计算机技术紧密结合向高精度发展第三代传感器是80年代刚刚发展起来的智能传感器随着大规模集成电路和微处理机技术的发展，可以把传感器、信号调节电路、微计算机、存储器及其接口集成在一块芯片上,使传感器具有一定的人工智能由于这类传感器本身具有数据处理能力,所以可借助软件对非线性滞后、温度等参数进行修正,可取代那种通过繁琐模拟补偿来改善特性的方法1目前世界上从事传感器研制生产单位已增到5000余家美国、欧洲、俄罗斯各有从事传感器研究和生产厂家1000余家,日本有800余家,其中不少是世界上著名厂商,例如美XX大学学士学位论文2国福克斯波罗（FOXBORO）公司,霍尼韦尔（HONEYWELL）公司、德国的西门子、荷兰的飞利浦、俄罗斯的科学院半导体所、热工仪表所等传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一因此，今后一段时间内，对传感技术的应用将更为广泛，如航天、航空、国防科研、信息产业、机械、电力、能源、交通、农林、食品、烟酒制造、机器人、家电等诸多领域,可以说几乎渗透到人类活动的各个领域13设计任务和要求131设计任务利用凌阳公司的16位单片机SPCE061A作为控制板，外接温湿度及光电传感器进行数字化采集，通过内部语音算法将结果播报出来，同时利用LED数码模块将所测数据显示出来132设计要求1通过按键监测环境光线状况，根据光线强弱系统会进行温馨提示如果光线太弱，系统播报“光线太弱，请注意保护眼睛”；如果光线太强，系统播报“光线太强，请注意保护眼睛”；2播放当前温度值播放温度值的格式为“温度，XX摄氏度”；3可以通过按键启动湿度测量，根据湿度情况系统会进行温馨提示如果湿度大于正常值，系统播报“潮湿，请打开除湿机”；如果湿度小于正常值，系统播报“太干，请打开加湿器”基于单片机的环境测试仪3第2章系统组成介绍21凌阳单片机SPCE061A芯片简介凌阳的16位单片机的CPU内核采用凌阳最新推出的NSP（MICROCONTROLLERANDSIGNALPROCESSOR）16位微处理器芯片由于芯片内部加入了硬件乘法器，这样凌阳单片机即可以做控制，也可以完成数据的信息的处理，尤其是在图像识别和语音识别上，有自己的特色而且凌阳单片机还采用了SOC理念，一颗芯片就是一个系统，把传统单片机学要扩展的AD、DA、存储器等器件都做到了芯片内容，方便了单片机的学习和项目的开发NSP家族有以下特点体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展；具有较强的中断处理能力高性能价格比；指令系统功能强、效率高；功耗低、电压低SPCE061A精简开发板61板结合集成开发环境不需外界任何仿真、调试器即可以完成在线编程、仿真、调试功能SPCE061A精简开发板61板配有在线调试器、麦克风等用户不需外接任何器件即可以完成语音录放等功能用户可以将自己喜爱的歌曲录制到芯片中，即可听到自己录制的歌曲因开发板小巧精致，甚至可以放到衣袋里，倾听自己的作品2B、下载区A、电源区C、音频区D、SPCE061A与周边器件F、复位区F、键控区G、端口区图21板功能分区图SPCE061A是一款基于NSP内核的16位单片机，其芯片特性如下1工作电压内核工作电压VDD为3036VCPU，I/O口工作电压VDDH为VDD55V；2CPU时钟032MHZ49152MHZ；3内置2K字SRAM和32K字闪存ROM；XX大学学士学位论文44系统处于备用状态下时钟处于停止状态，耗电小于2A36V；5具备触键唤醒的功能；632位通用可编程输入/输出端口；72个16位可编程定时器/计数器可自动预置初始计数值；87通道10位电压模数转换器ADC和单通道声音模数转换器；92个10位DAC数模转换输出通道；1014个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；11具备串行设备接口；12低电压复位LVR功和低电压监测LVD功能；13内置在线仿真ICE，INCIRCUITEMULATOR接口316位微控制器UNSPICEFLASHRAM双16位定时器/计数器时基中断控制锁相环振荡器CPU时钟实时时钟低电压检测/低电压复位7通道10位ADC单通道ADCAGC双通道10位DAC串行输入输出口32引脚通用输入输出端口MIC_INAUD1AUD2IOB0SCKIOB1SDAIOA150IOB150ICE_ENICE_SCKICE_SDAVCPXI/IRXO图22SPCE061A内部结构图SPCE061A引脚说明表21芯片引脚说明引脚说明IOA0IOA154148,53,5460脚I/O口A，共16个IOB0IOB1551,8176,6864脚I/O口B，共16个基于单片机的环境测试仪5OSCI（13脚）振荡器输入在石英晶振模式下，是石英元件的一个输入脚OSCO（12脚）振荡器输出在石英晶振模式下，是石英元件的一个输出脚RES_B6脚复位输入若这个脚输入低电平，会使得控制器被重置复位ICE_EN（16脚）IC使能端,接在线调试器PROBE的使能脚ICE_ENICE_SCK（17脚）ICE时钟脚，接在线调试器PROBE的时钟脚ICE_SCKICE_SDA（18脚）ICE数据脚，接在线调试器PROBE的数据脚ICE_SDAPVIN（20脚）程序保密设定脚PFUSE（29脚）程序保密设定脚DAC1（21脚）音频输出通道1DAC2（22脚）音频输出通道2VREF2（23脚）2V参考电压输出脚AGC（25脚）语音输入自动增益控制引脚OPI（26脚）MICROPHONE的第二运放输入脚MICOUT（27脚）MICROPHONE的第一运放输出脚MICN（28脚）MICROPHONE的负向输入脚MICP（33脚）MICROPHONE正向输入脚VRT（35脚）A/D转换外部参考电压输入脚它决定A/D转换输入电压上限值例如该点输入一个25V的参考电压，则A/D转换电压输入范围为025V（外部A/D最高参考电压TH或T0UITIME1/语法格式VOIDSET_DQINTDIR/实现功能改变IOB1口的状态/参数DIR，1IOB1输出1；0IOB1悬浮输入/返回值无/VOIDSET_DQINTDIRIFDIR0P_IOB_DIR|0X0002ELSEP_IOB_DIRP_IOB_BUFFER|0X0002/语法格式VOIDCLR_DQINTDIR/实现功能改变IOB1口的状态/参数DIR，1IOB1输出0；0IOB1悬浮输入/返回值无/VOIDCLR_DQINTDIRIFDIR0P_IOB_DIR|0X0002ELSEXX大学学士学位论文26P_IOB_DIRP_IOB_BUFFER/语法格式UNSIGNEDINTREAD_DQVOID/实现功能读取DQ的值/参数无/返回值DQ的值/UNSIGNEDINTREAD_DQVOIDUNSIGNEDINTUITEMPUITEMP0IFP_IOB_DATARETURNUITEMP/语法格式UNSIGNEDINTREAD_18B20_BYTEVOID/实现功能读取18B20的值/参数无/返回值18B20的值/UNSIGNEDINTREAD_18B20_BYTEVOIDINTIUNSIGNEDINTDATADATA0FORI0I1IFREAD_DQ0DATA|0X0080DELAY31RETURNDATA/语法格式VOIDWRITE_18B20_BYTEUNSIGNEDINTDATA基于单片机的环境测试仪27/实现功能写18B20/参数要写的字节/返回值无/VOIDWRITE_18B20_BYTEUNSIGNEDINTDATAINTISET_DQ1DELAY1FORI0I0SET_DQ1DATADATA1DELAY31SET_DQ1DELAY1/语法格式INTINIT_18B20VOID/实现功能初始化18B20/参数要写的字节/返回值无/INTINIT_18B20VOIDINTFLAGSET_DQ1DELAY1CLR_DQ1DELAY250SET_DQ0DELAY31IFREAD_DQ0FLAG1ELSEFLAG0DELAY220SET_DQ1RETURNFLAG/XX大学学士学位论文28/语法格式UNSIGNEDINTREAD_TEMPVOID/实现功能读取温度/参数无/返回值温度值/UNSIGNEDINTREAD_TEMPVOIDINTIUNSIGNEDINTUITUNSIGNEDINTDATA10P_IOB_ATTRIB0XFFFF/初始化IOB同相低电平输出口P_IOB_DIR0XFFFFP_IOB_DATA0X0000SET_DQ1WHILEINIT_18B200P_WATCHDOG_CLEAR0X0001DELAY40WRITE_18B20_BYTE0XCCWRITE_18B20_BYTE0X44FORI0I0P_WATCHDOG_CLEAR0X0001WRITE_18B20_BYTE0XCCWRITE_18B20_BYTE0XBEFORI0I80PLAYSND15/播放“潮湿“PLAYSND17/播放“请“PLAYSND18/播放“打开“PLAYSND19/播放“除湿机“IFRESULT1476V测量值15K,太暗PLAYSND0/播放“光线“PLAYSND3/播放“太弱“PLAYSND4/播放“请“PLAYSND5/播放“注意保护眼睛“IFRESULT2/光敏电阻为LOADPROGRAM菜单项基于单片机的环境测试仪383打开环境数据采集系统的程序源代码，把程序载入IDE中4程序下载前所需要用到的工具按钮的位置在窗口的右上角；“SELECTBODY”用于选择芯片、下载线类型，“USEICE”使IDE处于在线仿真状态（只有在这种状态下，程序才能下载到61板里面），“DOWNLOAD”启动程序下载5点击“SELECTBODY”图标工具，打开“SELECTBODY”对话框在“BODYNAME”下拉选择框中，选择“SPCE061A”；在“PROBE”下拉选择框中选择所用的下载线、调试器，本例选用EZ_PROBE（即简易下载线）设置完成后，点击“OK”6点击“USEICE”工具按钮（SELECTBODY工具左边，图标上有“ICE”字样的），使IDE处于在线仿真状态7选择BUILDSTARTDEBUGDOWNLOAD下载程序到61板中，或者直接点击按钮“DOWNLOAD”把程序下载到61板上当程序处在下载状态时，会弹出一进度条对话框以示下载进程，不过前提要保证软件的设置以及硬件的连接都没有问题才可以53程序调试利用NSPIDE用户可以轻松地找到程序的逻辑语法错误，还可借助一些调试窗口来查看变量寄存器和内存等的状态来监视程序的运行，同时可以连续单步和设置断点等运行方式来运行程序531控制程序运行控制程序运行的目的是为了迅速查找程序中存在的错误，用户可根据程序调试的状态结果和错误目标搜索的需要来选择合适的控制方法11首先选择BUILDSTARTDEBUGDOWNLOAD把用户程序的可执行代码载入到内存在调试状态下可以利用BUILD菜单里的STARTDEBUG子菜单内的各项进行调试STARTDEBUG子菜单内各命令和对程序运行的控制操作如下GO从当前程序指针处运行程序直到遇到断点/程序结尾处停止运行RESTART从起始地址重新运行程序STOPDEBUG终止程序的调试返回到编辑状态，系统会自动保存所有调试状态的设置以便下次调试再用BREAK中止程序运行STEPINTO单步运行程序，当下条指令是函数时会进入被调用函数继续单步执行STEPOVERXX大学学士学位论文39单步运行程序，当下条指令是函数时会将被调用函数整体当作一步执行完，然后接着单步执行函数指令的下一条指令STEPOUT单步运行程序，当下条指令是函数时会从被调用函数执行程序指令直至返回主程序的指令处继续单步执行532调试窗口调试状态下VIEW菜单里的各调试窗口可以被激活内存窗口MEMORYWINDOW显示或修改内存单元的内容，该窗口上方的ADDRESS文本输入框可直接指定一个内存单元地址，实现快速查看功寄存器窗口REGISTERWINDOW显示CPU各寄存器,中断标志,指令周期数的值命令窗口COMMANDWINDOW在该窗口内直接输入命令控制程序的状态断点窗口BREAKPOINTWINDOW显示或设置断点信息变量窗口WATCHWINDOW显示变量或表达式的值用户可以输入变量名及编辑表达式反汇编窗口DISASSEMBLYWINDOW显示内存中程序的反汇编代码通过双击鼠标左键或CTRLG热键可激活GOTOADDRESS对话框，实现快速跳转到指定地址的反汇编行的功能缓存区窗口HISTORYBUFFERWINDOW显示已执行的指令状态等信息1154系统应用1测量时如果想要用手遮住光线，建议用手掌不要用手指，因为手指的两侧会漏光；2要用一个强光源检测传感器能否测出光线太强，不要用火源，第一不安全，第二可能损坏其他的传感器，建议用手电筒或者其他的强光；3根据需要按K1或者K3键，测量环境参数按K1键测量环境湿度；按K3键测量环境光强基于单片机的环境测试仪40江南大学学士学位论文41第6章结论与展望61结论本次设计基本达到了目标要求，可以完成环境数据采集的任务凌阳科技SPCE061A芯片强大的语音处理功能，为本系统的设计提供了便利条件；32个可编程I/O口，使得在设计中扩展数据采集模块和LED键盘模块非常灵活；CPU可工作在032MHZ49MHZ的主频范围，并且拥有丰富的中断源，使得系统在语音播放、数据显示等方面游刃有余，扩展性强62不足之处及未来展望可以看到，系统存在工作状况不稳定，反映较慢等缺点这是一个非常简单的环境测量系统，在这个基础上，稍微改动，或者扩展其他模块可以设计出一个功能非常强大的测试环境参数系统比如，扩展外部存储器可以存储测量数据，以保存历史记录；加一个定时/计数器，还可以得到测量时间，并把测量时间和数据值一并存储到存储器中；扩展液晶显示模块可以显示存储数据，并可以在液晶显示器上设计一个菜单，以便很方便的查找历史记录，等等另外，我的设计还显著存在一个问题，那就是整体性不强，整个系统不能一次性完成对三个环境参数的同时测量如果能将三个模块合并成一个测量模块（甚至再添加几个测量对象，如空气质量等），然后将之与SPCE061A板相连，这样不断整体性得到改善，也可以实现同时对三个参数（或多个参数）的测量基础单片机的环境测试仪42江南大学学士学位论文43参考文献1高存贞国外传感器技术的发展概况及趋势J微电子学与计算机，19911225272罗亚飞凌阳16位单片机应用基础M北京北京航空航天大学出版社，2003，15883陈言俊，王延伟，罗亚飞大学生创新竞赛实战凌阳1