基于SPCE061A单片机的多路温度采集系统

陕西理工学院毕业设计基于SPCE061A单片机的多路温度采集系统摘要本温度采集系统采用SPCE061A作为主控芯片，单总线DS18B20温度传感器采集温度，用四位共阴级显示电路实现温度的显示，同时该系统能够通过单片机自带的按键设置温度上下限，当所测温度超过设定的的范围时扬声器进行报警，适用于多种环境的温度采集，显示效果好，使用方便，操作简单。关键词SPCE061A温度采集DS18B20LINGYANGBASEDONSINGLECHIPTEMPERATUREACQUISITIONSYSTEMDESIGNANDIMPLEMENTATIONABSTRACTTHETEMPERATUREACQUISITIONSYSTEMSPCE061AASTHEMASTERCHIPDS18B20TEMPERATURESENSOROFASINGLEBUSACQUISITIONTEMPERATURE,FOURTOTALANODECIRCUITTEMPERATUREDISPLAY,WHILETHELOWERLIMITOFTHEBUTTONSONTHESETTEMPERATUREOFTHESYSTEMTHROUGHTHEMICROCONTROLLERCOMESWHENTHEMEASUREDTEMPERATUREEXCEEDSTHESETRANGEOFSPEAKERSALARMFORAVARIETYOFENVIRONMENTALTEMPERATUREACQUISITION,DISPLAY,EASYTOUSE,EASYTOOPERATEKEYWORDSSPCE061A,TEMPERATUREACQUISITION,DS18B20目录1引言12设计要求121设计题目122设计任务与要求123系统组成结构及工作原理1陕西理工学院毕业设计24硬件功能模块连接说明125软件操作说明226器件选型3261单片机的选择3262温度传感器的选择43单元电路设计731传感器电路732按键和显示电路733电源电路84系统软件设计941软件总体设计942程序设计9421系统主程序图9422中断服务程序流程图105结语11致谢11参考文献12附录13第1页共30页1引言设计的目温度是工业上常见的和最基本的参数之一，经常需要对温度进行采集和监控，考虑到许多工业环境中对多点温度进行监控，一般需要测几十点以上，为此我采用61单片机设计一两路温度采集显示报警系统。对多路温度采集进行一次设计实践尝试。设计意义本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。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。2设计要求21设计题目利用SPCE061A单片机、DS18B20实现多路温度采集。22设计任务与要求1温度的实时采集显示；2对温度的变化在不同范围内能够及时做出语音提示；32路温度的实时采集；4温度通过数码管显示，分手动和自动两种方式自动状态循环显示各通道温度，每隔2S切换一个通道；手动方式下只显示被选择的通道温度；5为每一个通道设置独立的报警温度。23系统组成结构及工作原理系统整体硬件设计如图21所示，整个系统以SPCE061A为核心，主要包括DS18B20温度传感器数码管显示电路、语音播放电路。由于SPCE061A内部有8路10位精度的AD转换器，所以直接将传感器输出信号放大后输入SPCE061A的AD转换通道即可，不需外接ADC。SPCE061A实时采样温度，并根据采样结果控制加热器，调节加热功率大小；同时将当前温度信息通过数码管显示出来。图21系统整体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设置完成后启动系统，开始接受温度传感器DS18B20采集温度数据，实时的温度数据经61单片机的程序处理，处理后的信息在数码管上显示出来，当温度超过设置限值时通过扬声器进行语音报警。在自动工作状态下，此过程在一二通道交替进行，通道切换速率为两秒一次，本系统在手动工作方式上，可单独显示一个通道的实时温度，两个通道的温度上限报警，按各自通道的上限设定值分别报警，报警语音同时报出超温通道号。24硬件功能模块连接说明系统的硬件连接如图22所示，用10PIN排线将61板IOA高8位J9与LED键盘模组的SEG接口连接；用10PIN排线将61板IOB高8位J7与LED键盘模组的DIG接口连接；用10PIN排线将61板IOB低8DS18B201DS18B202预留DS18B20接口13KEYIOB01IOA815IOB8IOB1113IOB23SPCE061AIOA02语音放大输出4位数码管DAC48322陕西理工学院毕业设计第2页共31页位J6与DS18B20模块接口连接。系统采用61板自带的3个按键。用排线连接LED键盘模组和DS18B20模块时应注意，61板I/O接口中标示为“”的引脚要与各模组中标示为“”的引脚对应，不要接反。图22硬件连接方式25软件操作说明确认硬件连接无误后，将程序下载到61板并运行程序。该系统共有三种运行模式自动模式、手动模式、设置模式。1自动模式上电进入该模式，系统自动循环切换通道并显示当前通道及其温度值，如图23表示当前通道为第二通道，其温度为235摄氏度。当前通道该通道温度图23显示介面说明2手动模式可以通过KEY1键进入手动模式，该模式下选择特定通道，观察该通道的温度值。这时仅采样并显示被选中的通道温度，可以通过重复按KEY1键切换通道，观察其他通道。手动模式下，可以通过按KEY2键切换到自动模式。在自动和手动模式下，如果采样温度大于报警温度默认为35摄氏度，系统将会进行相应的语音提示。3设置模式系统自动或手动模式下，可以通过按KEY3键进入设置模式，重新设置报警温度。进入设置模式后可以通过KEY1和KEY2键设置报警温度。具体过程如下以设置通道1报警温度295摄氏度，通道2报警温度30摄氏度为例按KEY3键进入设置模式，此时的数码管显示如图24所示，最后一位数码管闪烁，表示当前正在设置通道1的小数位。当前通道闪烁位通过键修改电池盒J6J761板J8J9DS18B20模块DIGLED键盘模组SEG喇叭陕西理工学院毕业设计第3页共31页图24设置介面通过KEY1键、KEY2键调整闪烁位值的大小，每按一次KEY1键，闪烁位值加1，每按一次KEY2键，闪烁位值减1，设置该位为5。图25小数位设置界面按KEY3键，闪烁位将由小数位切换到个位，如图26所示，调整该值为9。图26个位设置界面通道1的个位值设置完成后按KEY3键，闪烁位将由个位切换到十位，设置该位值为2，如图27所示图27十位设置界面通道1的十位设置完成后按KEY3键，系统会将295保存到报警值数组的通道1的单元，并切换到通道2的报警值设定，其界面如图28所示，按照设置通道1报警温度的方法设置通道2。图28通道二设置界面26器件选型本系统采用SPCE061A单片机作为主控制器，通过一线制温度传感器DS18B20实现温度的采集，下面介绍将会用到的主要器件。261单片机的选择SPCE061A是性价比很高的一款十六位单片机，使用它可以非常方便实现复杂的数据处理，包括基本的加减运算和复杂的乘积运算处理，该芯片拥有8路10位精度的ADC，其中一路为音频转换通道，另外7路可作为普通的AD转换通道。另外SPCE061A单片机具有易学易用的效率较高的一套指令系统和集成开发环境。在此环境中，支持标准C语言，可以实现C语言与汇编语言的互相调用，并且，提供了语音录放的库函数，只要了解库函数的使用，就会很容易完成语音录放。SPCE061A片内还集成了一个ICE在线仿真电路接口，使得对该芯片的编程、仿真都变得非常方便，而ICE接口不占用芯片上的硬件资源，结合集成开发环境NSPIDE用户可以利用它对芯片进行真实的仿真；而程序的下载烧写也是通过该接口进行下载。图29为SPCE061A单片机的内部结构框图陕西理工学院毕业设计第4页共31页图29SPCE061A内部结构图4SPCE061A性能简介116位NSP微处理器2工作电压CPUVDD为3036V，I/OVDDH为3055V3CPU时钟03249152MHZ4内置2K字SRAM5内置32K字FLASH6可编程音频处理7晶体振荡器8系统处于备用状态下时钟处于停止状态，耗电仅为2UA/36V92个16位可编程定时器/计数器可自动预置初始计数值102个10位DAC数/模转换输出通道1132位通用可编程输入/输出通道1214个中断源可来自定时器A/B、时基、2个外部时钟源输入和键唤醒13具备触键唤醒的功能14使用凌阳音频编码SACM_S480可以播放压缩的语音资源15锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号1632768HZ实时时钟177通道10位电压模/数转换器ADC和单通道声音模/数转换器18声音模/数转换器输入通道内置麦克风放大器，并具有自动增益控制AGC功能19具备串行设备接口20具备低电压复位功能和低电压检测功能21内置在线仿真电路接口22具有WATCHDOG功能262温度传感器的选择DS18B20是一线制数字温度传感器；温度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达00625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源陕西理工学院毕业设计第5页共31页可在远端引入，多个DS18B20可以并联到一起，CPU只需一根数据线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统13。1DS18B20内部结构图DS18B20内部结构图210所示，主要由4部分组成64位ROM、温度传感器、温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图211所示，DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。图210DS18B20内部结构图211DS18B20封装形式13ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM排放循环冗余校验码CRCX8X5X41。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以00625/LSB形式表达，其中S为符号位。例如125的数字输出为07D0H，250625的数字输出为0191H，250625的数字输出为FF6FH，55的数字输出为FC90H。2DS18B20的工作时序DS18B20的一线工作协议流程是初始化ROM操作指令存储器操作指令数据传输。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，如图212图214所示。6位ROM和一线端口电源存储器和逻辑控制SCRATCHPAD8位循环发生配置寄存器低温触发器高温触发器温度传感器陕西理工学院毕业设计第6页共31页图212初始化时序4主机即单片机首先发480US960US的低电平，进行复位，然后释放总线，之后总线被外部上拉电阻电阻抬高，大约等待1560US之后，DS18B20发出60到240US的低电平信号，以示存在。图213写操作时序4写“0“的时候，首先单片机发复位信号，然后发“0”于是低电平持续60US就完成了写“0”写“1”的时候首先单片机发复位信号，持续时间大于1US小于15US然后发“1”持续50US以上即可。图214读操作时序4陕西理工学院毕业设计第7页共31页读时序也是主机先发低电平，然后在15US内检测连接DS18B20的数据线的引脚，从而读得相应值。3单元电路设计系统的整体硬件电路如所示以SPCE061A为核心控制器，包括传感器电路，键盘和显示电路，下面逐个模块介绍31传感器电路DS18B20采用外电源供电方式，其原理如图31所示。图31DS18B20工作电路DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率的不同而不同，且温度转换时的延时时间由2S减为750MS。DS18B20测温原理如图31所示。图中低温度系数晶振的震荡频率受温度影响很小，用于生产固定频率的脉冲信号送给计算器1。高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被顶置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置减到0时温度寄存器的值将加1，计数器1的预置顶将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图31中的斜率累加用于补偿和修正测温度过程中的非线性，其输出用于计数器1的置顶值14。32按键和显示电路按键直接使用61板自带的按键，其电路如下图所示，不需要连接硬件即可使用。图32独立按键电路原理图显示采用6位数码管的其中4位D1、D4D6进行动态显示，电路原理如图33所示。在使用时，将ADP接IOA8IOA15，DIG1接IOB8，DIG4DIG6接IOB1113。陕西理工学院毕业设计第8页共31页图33显示电路原理图33电源电路图34电源电路原理图61板的内核SPCE061A电压要求为33V，而I/O端口的电压可以选择33V也可以选择5V。所以，在板子上具有两种工作电压5V和33V。对应的引脚中15、36和7必须为33V，对于I/O端口的电压51、52、75可以为33V也可以是5V，这两种电平的选择通过跳线J5来选择。61板的陕西理工学院毕业设计第9页共31页供电电源系统采用用户多种选择方式。15V供电用户可以用3节电池来供电，5V直流电压直接通过SPY0029相当于一般33V稳压器稳压到33V，为整个61板提供了5V和33V两种电平的电压。另外也可以直接外接5V的直流稳压源供电，5V电压再通过SPY0029稳压到33V。233V供电用户可以提供直流33V电压为实验板进行供电，此时整个板子只有33V电压，I/O端口电压此时只有一种选择。4系统软件设计41软件总体设计程序的控制思想设置目标温度后，采样室温，并通过预设温度，当前温度，作出相应语音提示并显示当前温度。系统运行首先初始化I0,TIMER等部件，同时初始化键盘和显示等，并初始化系统状态设定状态。初始化完成之后进入主程序循环体，在循环体内不停的扫描按键是否有触发，是否进行AD转换，如果已经完成AD转换，则对AD结果进行处理转化为温度值，如果有键按下，系统显示当前温度值。42程序设计421系统主程序图图41系统主程序NYYY有键键值处理超温读键值报警DS18B20初始化开始设置状态温度比较读DS18B20的温度值系统初始化NN陕西理工学院毕业设计第10页共31页系统主程序图如图41所示本系统中一根数据线上接一个DS18B20，所以ROM匹配时采用跳过处理SKIP，向DS18B20发送0XCC命令字即可；然后向DS18B20写命令字0X44启动一次温度转换。转换结束后，DS18B20将采集到的16位温度值存储到其ROM的最低两个字节。转换结束后必须对DS18B20进行初始化，然后才能通过向DS18B20写命令字0XBE读取ROM获取温度结果。温度转换部分的程序如下F_18B20_RESETUICHANNELDS18B20_WRITEBYTEUICHANNEL,0XCC/不进行ROM匹配DS18B20_WRITEBYTEUICHANNEL,0X44/启动一次温度采样WHILEF_18B20_READ_DQUICHANNEL0/等待转换结束P_WATCHDOG_CLEAR0X0001F_18B20_RESETUICHANNELDS18B20_WRITEBYTEUICHANNEL,0XCC/不进行ROM匹配DS18B20_WRITEBYTEUICHANNEL,0XBE/读取ROM命令FORUITEMP0UITEMPV_ALARMUICHANNELPLAYSNDUICHANNEL/通道PLAYSNDUICHANNEL/1或2PLAYSNDUICHANNEL/温度过高PLAYSNDUICHANNEL/通道KEYKEY_GETIFKEY0KEY_PROCESSKEYP_WATCHDOG_CLEAR0X0001/语法格式VOIDKEY_PROCESSUNSIGNEDINTKEY/实现功能键处理/参数KEY,键值/返回值无/VOIDKEY_PROCESSUNSIGNEDINTKEYKEYSWITCHKEYCASE1/手动键IFUISET1/设置状态下IFV_SETUISETBIT0V_SETUISETBITELSEV_SETUISETBIT9DIG_SET1,G_DATAV_SET0陕西理工学院毕业设计第15页共31页DIG_SET2,G_DATAV_SET1|0X0080DIG_SET3,G_DATAV_SET2DIG_SET4,G_DATAUISETCHANNEL1ELSEIFUIMODE0/手动状态下UITURN/显示通道切换IFUITURN1UITURN0ELSE/自动状态下UIMODE0/自动模式切换到手动模式UITURN0/显示通道0BREAKCASE2/自动键IFUISET1/设置状态下IFV_SETUISETBIT2UISETBIT0V_ALARMUISETCHANNELV_SET210V_SET1V_SET001UISETCHANNELIFUISETCHANNEL1UISET0DIG_BLINK_DISUISETCHANNEL0DIG_SET4,G_DATAUISETCHANNEL1R_BLINKDIGUISETBITDEFAULTBREAK实现功能语音播放/语法格式VOIDPLAYSNDUNSIGNEDINTINDEX/实现功能语音播放/参数INDEX语音索引号/返回值无/VOIDPLAYSNDUNSIGNEDINTINDEXSACM_S480_INITIAL1SACM_S480_PLAYINDEX,3,3WHILESACM_S480_STATUSP_WATCHDOG_CLEAR1SACM_S480_STOP/陕西理工学院毕业设计第17页共31页/文件名称DS18B20_DRIVERC/功能描述DS18B20应用层驱动程序/维护记录20061010V10/INCLUDE“SPCE061AH“INCLUDE“18B20H“/语法格式VOIDDS18B20_WRITEBYTEUNSIGNEDINTUICHANNEL,UNSIGNEDINTDATA/实现功能DS18B20字节写入子程序/无需修改，实际上是属于整合的程序，供其它的API调用/入口参数UICHANNEL要写入的通道/DATA要写入的数值，低八位有效/返回值无/VOIDDS18B20_WRITEBYTEUNSIGNEDINTUICHANNEL,UNSIGNEDINTDATAUNSIGNEDINTIFORI0I1/语法格式UNSIGNEDINTDS18B20_READBYTEUNSIGNEDINTUICHANNEL/实现功能DS18B20字节读出子程序/无需修改，实际上是属于整合的程序，供其它的API调用/入口参数UICHANNEL要写入的通道/返回值读出的字节数据，低八位有效/UNSIGNEDINTDS18B20_READBYTEUNSIGNEDINTUICHANNELUNSIGNEDINTI,DATA0FORI0I1DATADATA|F_18B20_READ_DQUICHANNELRETURNDATA/陕西理工学院毕业设计第18页共31页/语法格式UNSIGNEDINTDS18B20_INITIALUNSIGNEDINTUICHANNEL/实现功能DS18B20初始化/包括对端口的初始化，以及对DS18B20进行一次复位总线/入口参数UICHANNEL要写入的通道/返回值初始化结果，返回0表示初始化失败/UNSIGNEDINTDS18B20_INITIALUNSIGNEDINTUICHANNELUNSIGNEDINTUITEMP0F_18B20_SETSYSTEMCLKF_18B20_INITIAL_IOUICHANNELUITEMPF_18B20_RESETUICHANNELF_18B20_RSUSYSTEMCLKRETURNUITEMP/语法格式FLOATDS18B20_READTEMPUNSIGNEDINTUICHANNEL/实现功能启动一次DS18B20测温，并读取测温结果，以浮点数返回/在本函数中，启动测温后在程序里面作了等待，以待测DS18B20/完成本次测温转换如用户觉得不合适，可对本函数进行个性化的/修改，以适应自己的应用需求/入口参数UICHANNEL要写入的通道/返回值温度值，浮点数以摄氏度为单位/FLOATDS18B20_READTEMPUNSIGNEDINTUICHANNELINTUITEMP0FLOATFTEMP00UNSIGNEDINTDATA2_ASM“INTOFF“F_18B20_SETSYSTEMCLKF_18B20_RESETUICHANNELDS18B20_WRITEBYTEUICHANNEL,0XCC/不进行ROM匹配DS18B20_WRITEBYTEUICHANNEL,0X44/启动一次温度采样WHILEF_18B20_READ_DQUICHANNEL0/等待转换结束P_WATCHDOG_CLEAR0X0001F_18B20_RESETUICHANNELDS18B20_WRITEBYTEUICHANNEL,0XCC/不进行ROM匹配DS18B20_WRITEBYTEUICHANNEL,0XBE/读取ROM命令FORUITEMP0UITEMP2UITEMPDATAUITEMPDS18B20_READBYTEUICHANNEL陕西理工学院毕业设计第19页共31页F_18B20_RESETUICHANNELUITEMPDATA18|DATA0/取得温度部分FTEMPFLOATUITEMPFTEMPFTEMP/16/转换为实际温度F_18B20_RSUSYSTEMCLK_ASM“IRQON“RETURNFTEMP实现功能数码管显示初始化，该函数将开启IRQ4_4KHZ中断/函数名称DIG_INIT/C调用VOIDDIG_INITVOID/汇编调用F_DIG_INIT/实现功能数码管显示初始化，该函数将开启IRQ4_4KHZ中断/入口参数无/出口参数无/破坏寄存器无/_DIG_INITF_DIG_INITPUSHR1,BPTOSPINTOFFR1DIG_COUNTR20X0000BPR_DIG_BUFDIG_INITBUF/清除显示缓冲区BPR2R11JNZDIG_INITBUFR_CURDIGR2/当前显示的位设置为0R1P_SEG_ATTRIB/初始化段选IOR1|PIN_SEG_ALLP_SEG_ATTRIBR1R1P_SEG_BUFR1/实现功能在49MHZ的主频下的US延时程序/入口参数TIMERS需要延时的时长以US为单位/出口参数无/PUBLIC_F_18B20_DELAY_F_18B20_DELAYCMPR1,1JNADELAY_EXITDELAY_LOOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPR11JNZDELAY_LOOPDELAY_EXITRETF/汇编格式_F_18B20_SETSYSTEMCLK陕西理工学院毕业设计第27页共31页/C格式VOIDF_18B20_SETSYSTEMCLKVOID/实现功能将CPU主频设置为49MHZ，为的是在时序控制时/可以获取到较精确的延时/入口参数无/出口参数无/PUBLIC_F_18B20_SETSYSTEMCLK_F_18B20_SETSYSTEMCLKR10X88P_SYSTEMCLOCKR1/设置系统时钟为49MHZRETF/汇编格式_F_18B20_RSUSYSTEMCLK/C格式VOIDF_18B20_RSUSYSTEMCLKVOID/实现功能恢复系统及CPU主频，可以修改R1的值实现不同的主频/入口参数无/出口参数无/PUBLIC_F_18B20_RSUSYSTEMCLK_F_18B20_RSUSYSTEMCLKR10X0018P_SYSTEMCLOCKR1RETF/汇编格式_F_18B20_INITIAL_IO/C格式VOIDF_18B20_INITIAL_IOUNSIGNEDINTUICHANNEL/实现功能端口初始化子程序/入口参数UICHANNEL选中的18B20通道/出口参数无/PUBLIC_F_18B20_INITIAL_IO_F_18B2