毕业论文：基于嵌入式的温度传感器的设计2012（终稿）

目录第一章系统概要111系统背景112系统功能框图1第二章系统硬件设计221系统原理图222单片机（MCU）模块2221MC908GP32单片机性能概述2222内部结构简图与引脚功能3223GP32最小系统523传感器模块624信号放大模块725A/D转换模块7251进行A/D转换的基本问题7252A/D转换模块的基本编程方法8253A/D芯片TCL2543概述826串行通信模块11261串行通信常用概念11262RS232C总线标准12第三章系统软件设计1331MCU方（C）程序13311A/D转换子程序14312串行通信子程序1732PC方（VB）程序1933PC方界面23第四章系统测试24第五章总结展望2451总结2452展望25参考文献25第一章系统概要11系统背景温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工等领域遇到的一个物理量。温度测量的基本方法是使用温度计直接读取。最常见的测量温度的工具是各种各样的温度计，它们常常以刻读的形式表示温度的高低，人们必须通过读取刻度的多少来测量温度。由于单片机在检测和控制系统中得到广泛的应用，利用单片机和温度传感器构成的电子式智能温度计就可以直接测量温度，得到温度的数字值并显示出来，既简单方便，又直观准确。本次课程设计的目的是以MC908GP32单片机为核心设计出一个路温度测量系统。设计将温度传感器采样得到的模拟信号转换成数字信号，通过串口在PC的界面显示出来。本次课程设计用温度传感器将被测温度转换为电量，经过放大滤波电路处理后，由模数转换器将模拟量转换为数字量，再与单片机相连，通过可编程键盘显示接口芯片实现温度限值的设定。被测量经过温度传感器转换为电量，再放大后送给A/D转换器。电量经过A/D转换为二进制数值，单片机根据设计目的完成相应的软件处理。处理完毕后，送键盘显示处理芯片，然后再由数码管显示。A/D转换模块即模/数转换模块，功能是将电压信号转换为对应的数字信号。实际应用中，这个电压信号可能由温度，湿度，压力等实际物理量经过传感器和相应的交换电路转换而来。经过A/D转换后，MCU就可以处理这些物理量。这是一种低成本的利用单片机I/O口实现的温度检测电路,该电路非常简单,易于实现,并且适用于几乎所有类型的单片机。12系统功能框图数据采集与传输系统一般由信号调理电路，多路开关，采样保持电路，A/D，单片机，电平转换接口，接收端（单片机、PC或其它设备）组成。被测物理量传感器预处理ADC输入接口MCULED键盘电平转换接口PC第二章系统硬件设计21系统原理图整个系统软件设计分为两个部分，作为主控的PC端的软件设计及作为数据采集器的单片机终端节点的软件设计。系统采用模块化编程，将各部分功能分别实现，主要的功能子程序有数据采集、标度变换、数制转换、数值显示、发送、接收和部分中断子程序。图21系统原理图22单片机（MCU）模块221MC908GP32单片机性能概述MC908GP系列单片机是HC80系列单片机大家族中具有通用性的一族，MC908GP32是MC908GP系列中的一个型号，MC908GP32单片机具有3种封装形式，分别为40脚、42脚、44脚。MC908GP32单片机的主要特点如下（1）512B片内RAM；32KB片内FLASH程序存储器，具有在线编程能力和保密功能。（2）时钟发生器模块，具有PLL电路，可产生各种工作频率；内部总线频率最高可达8MHZ。（3）增强的HC50CPU结构，16种寻址方式（比HC50多8种），16位变址寄存器和堆栈指针，存储器至存储器数据传送，快速88指令，扩展的循环控制功能，BCD功能。（4）33根通用I/O脚，包括26根多功能I/O脚和5或7根专用I/O脚；PTA、PTC和PTD的输入口有可选择的上拉电阻；PTC0PTC4有25MA吸流和放流能力，其他口有15MA吸流和放流能力（总体驱动电流应小于150MA）；所有口有最高5MA输入电流保护功能。5增强型串行通信口SCI；串行外围接口SPI；两个16位双通道定时器接口模块（TIM1和TIM2），每个通道可选择为输入捕捉、输出比较和PWM,其时钟可分别选为内部时钟的1、2、4、8、16、32和64的分频值；带时钟预分频的定时基模块有8种周期性实时中断1、4、16、256、512、1024、2048和4096HZ，可在STOP方式时使用外部32KHZ晶振周期性唤醒CPU；8位键盘唤醒口。6系统保护特性计算机工作正常COP复位；低电压检测复位，可选为3V或5V操作；非法指令码检测复位；非法地址检测复位。7具有PDIP40、SDIP42和QFP44封装形式。8优化用于控制应用；优化支持C语言。222内部结构简图与引脚功能1内部结构简图（44引脚）单片机以下简称GP32单片机的三种封装形式只是引脚数量和形式有所区别，其它方面是一致的。图中I/O口是按44引脚的GP32给出的，对于42引脚的GP32单片机则没有PTC5、PTC6两个引脚，对于40引脚的GP32单片机则没有PTC5、PTC6及PTD6/T2CH0、PTD7/T2CH1四个引脚。从内部结构简图可以看出，GP32内部有以下主要部分CPU08、存储器、定时器接口模块、定时基模块、看门狗模块、通用I/O接口、串行通信接口SCI、串行外设接口SPI、断点模块、A/D转换模块、键盘中断模块、时钟发生模块及锁相环电路、低电压禁止模块、复位与中断模块、监控模块MON和系统设置模块。2GP32单片机的引脚功能40引脚的MC908GP32单片机的引脚图，引脚功能分类简介如下1电源类引脚VDD、VSS20脚、19脚电源供给端。VDDAD/VREFH、VSSAD/VREFL31脚、32脚内部A/D转换器的电源供给及参考电压输入端。VDDA、VSSA1脚、2脚时钟发生器模块CGM的电源供给端。2控制类引脚RT6脚外部低有效复位输入或输出脚，有内部上拉电阻。IQ14脚外部中断输入脚，有内部上拉电阻。3I/O类引脚PTA7/KBD7PTA0/KBD04033脚8位通用双向I/O口，每个可编程为键盘输入脚。PTB7/AD7PTB0/AD03023脚8位通用双向I/O口，也可作为8路8位A/D转换输入脚。PTC4PTC0117脚5位通用双向I/O口。PTD5/T1CH1PTD0/S22、21、1815脚6种特殊功能、双向I/O口，其中T1CH1、T1CH0用于定时器模块TIM1。SPSCK、MOSI、MISO、用于串行外围接口SPI。PTE0/TXD、PTE1/RXD12脚、13脚2位双向I/O口或串行通讯口。4其它CGMXFC3脚CGM的外部滤波电容连接脚。OSC1、OSC25脚4脚片内振荡器引脚。223GP32最小系统最小系统图是能够保证单片机正常工作的最小模块，它使用了最少的器件，芯片，并组合了温度测量的一些必备组件，如蜂鸣器，电阻，二极管，电容等。各部件相互配合，共同完成了温度测量系统全部工作。GP32最小系统1电源供给与滤波GP32芯片的20、19脚（VDD、VSS）为芯片的电源输入端，1、2脚（VDDA、VSSA）为内部PLL模块的电源供给。接在电源与地之间的01F电容为滤波电容。PLL电路目的在于由频率小的外部晶振产生较大频率的内部总线时钟，提高芯片的抗干扰性。由于这部分内容涉及的编程内容很少，但原理较难理解，所以放入第14章介绍。这里只要知道GP32内有PLL电路就可以了，而且GP32内的PLL电路模块需要外接电源。在MCU的第3脚，接有内部PLL模块的外部滤波电路。滤波电路的作用主要是增强电路工作稳定性。2晶振电路接MCU第4、5脚（OSC2、OSC1）之间的电路为晶振电路，这里选用的晶振频率为F32768KHZ。通过内部PLL电路模块，可获得小于等于8MHZ的内部总线频率。电路及其元件参数是由GP32参考手册确定的。实际开发中，嵌入式应用工程师往往根据参考手册提供的电路及参数，通过自己的实践，构筑MCU的外围支撑电路，而不深究其工作原理。3复位电路接在MCU第6脚的电路为芯片硬件复位电路。正常工作时该脚通过10K电阻接到电源正极（这里设为5V电源供电），所以应为高电平。若按下复位按钮RST，则第6脚通过51接地，为低电平，芯片复位。23传感器模块温度传感器采用的是NS公司生产的LM35，它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度线性成比例。LM35与用开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之处，LM35无需外部校准或微调，可以提供1/4的常用的室温精度。工作电压直流430V；工作电流小于133A输出电压6V10V输出阻抗1MA负载时01；精度05精度（在25时）；漏泄电流小于60A；比例因数线性100MV/；非线性值1/4；校准方式直接用摄氏温度校准；使用温度范围55150额定范围。基于LM35开发的温控系统，工作稳定可靠，具有体积小、灵敏度高、响应时间短、抗干扰能力强等特点。LM35的输出电压与摄氏温度的线形关系可用下面公式表示，0时输出为0V，每升高1，输出电压增加10MV。其电源供应模式有单电源与正负双电源两种。正负双电源的供电模式可提供负温度的测量，单电源模式在25下电流约为50MA，非常省电。24信号放大模块由于温度传感器LM35输出的电压范围为0099V，虽然该电压范围在AD转换器的输入允许电压范围内，但该电压信号较弱，如果不进行放大直接进行AD转换则会导致转换成的数字量太小、精度低。系统中选用通用型放大器A741对LM35输出的电压信号进行幅度放大，还可对其进行阻抗匹配、波形变换、噪声抑制等处理。系统采取同相输入，电压放大倍数为5倍，电路图如图所示信号放大电路图25A/D转换模块251进行A/D转换的基本问题A/D转换模块（ANALOGTODIGITALCONVERTMODULE）,即模/数转换模块,是将电压信号转换为对应的数字信号。这个电压量是由压力传感器把压力转换过来，传到MCU处理。（1）采样精度是指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量,即通常所说的采样位数。（2）采样速率是指完成一次A/D采样所要花费的时间。（3）滤波为了使采样的数据更准确，对采样的数据进行筛选去掉误差较大的毛刺。通常采用中值滤波和均值滤波来提高采样精度。中值滤波是取3次采样的中间值，均值滤波是取多次采样的算术平均值。（4）物理量回归把A/D采样值与实际物理量对应起来。252A/D转换模块的基本编程方法（1）A/D转换初始化对ADCLK写入控制字节，决定时钟输入源是内部总线还是外部晶振，决定分频系数等。（2）启动A/D转换对ADSCR写入控制字节，选取要转换的通道、决定转换结束数据获取的方式、设置是连续转换还是一次转换等。（3）获A/D转换结果若是中断方式，在A/D中断程序中取得，若是查询方式，通过ADSCR的第7位COCO位取得，当COCO1时可从ADR中取数。253A/D芯片TCL2543概述一、引脚TLC2543为20脚DIP封装，引脚图如下图所示。2531TLC2543引脚图TLC2543具有4线制串行接口，分别为片选端CS，串行时钟输入端I/OCLOCK，串行数据输入端DATAIN和串行数据输出端DATAOUT。它可以直接与SPI器件进行连接，不需要其他外部逻辑。同时，它还在高达4MHZ的串行速率下与主机进行通信。TLC2543除了具有高速的转换速度外，片内还集成了14路多路开关。其中N路为外部模拟量输入，3路为片内自测电压输入。在转换结束后，EOC引脚变为高电平，转换过程中由片内时钟系统提供时钟，无需外部时钟。在AD转换器空闲期间，可以通过编程方式进入断电模式，此时器件耗电只有25PA。AD芯片TLC2543是一种12位开关电容逐次逼近式模数转换器，带有SPI（SERIALPERIPHERALINTERFACE）接口。它消除了以往许多AD芯片并行输出、连线复杂的缺点，并在AD转换结果串行输出的同时，可以串行输入下次AD转换位的控制字。TLC2543的管脚如图所示。它有三个输入控制端片选（CS）、IO时钟（IOCLOCK）以及数据输入端（DATAINPUT），同时还可以通过一个串行的三态输出端与主处理器及其外围串行口进行通讯，以输出转换结果。除了高速的转换功能和通用的控制能力外，TLC2543的片内还具有14通道多路器，可以选择11个模拟输入通道（AIN0AIN10）或3个内部自测电压（SELFTEST）中的一个。转换结束时，EOC输出端变高，指示转换完成。二、控制字TLC2543的工作过程如下首先在8、12或16时钟周期里向片内控制寄存器写入8位的控制字，控制字中的2位决定时钟长度，在最后一个时钟周期的下降沿启动AD转换过程，经过一段转换时间，在随后的8、12或16个时钟周期里，从DATAOUT脚读出数据。控制字的定义见下表控制字的前四位D7D4代表11个模拟通道的地址；当其为11001110时，选择片内检测电压；当其为1111时，为软件选择的断电模式，此时，AD转换器的工作电流只有25UA。控制字的第3位和第4位D3一D2决定输出数据的长度，01表示输出数据长度为8位；11表示输出数据长度为16位；X1表示输出数据长度为12位，X可以为1或0。制字的第2位D1决定输出数据的格式，0表示高位在前，1表示低位在前。控制字的第1位D0决定转换结果输出的格式。当其为0时，为无极性输出无符号二进制数，即模拟电压为VNEF，时，转换的结果为0FFFH；模拟电压为VNEF时，转换的结果为0000H。其为1时，为有极性输出有符号二进制数，即模拟电压高于VNEFVNEF/2时符号位为0；模拟电压低于VNEFVNEF/2时符号位为1；模拟电压为VNEF时，转换的结果为03FFH；模拟电压为VNEF时，转换的结果为0800H。模拟电压为VNEFVNEF/2时，转换的结果为0000H。三、工作时序以MSB为前导，用CS进行12个时钟传送的工作时序如下图所示。1上电时，EOC“1”，CS“1”2使CS下降，前次转换结果的MSB即A11位数据输出到DOUT供读数。3将输入控制字的MSB位即C7送到DIN，在CS之后TSU1425US后，使CLK上升，将DIN上的数据移入输入寄存器。4CLK下降，转换结果的A10位输出到DOUT供读数。5在第4个CLK下降时，由前4个CLK上升沿移入寄存器的四位通道地址被译码，相应模入通道接通，其模入电压开始时对内部开关电容充电。6第8个CLK上升时，将DIN脚的输入控制字C0位移入输入寄存器后，DIN脚即无效。7第11个CLK下降，上次AD结果的最低位A0输出到DOUT供读数。至此，I/O数据已全部完成，但为实现12位同步，仍用第12个CLK脉冲，且在其第12个CLK下降时，模入通道断开，EOC下降，本周期设置的AD转换开始，此时使CS上升。8经过时间TCONVJTMPIIJJTMPIFKJTMPJELSEIFKITMPKELSETMPIRETURNTMP/ADAVE1路A/D转换函数均值滤波功能对通道CHANNEL的A/D转换结果求N次平均值参数N平均次数，CHANNEL通道号返回该通道均值滤波后的A/D转换结果/UNSIGNEDCHARADAVEUNSIGNEDCHARN,UNSIGNEDCHARCHANNEL/求N次A/D转换的平均值UNSIGNEDCHARIUNSIGNEDINTJJ0FORI0I0XFBBBI0XFFP0X01RETURNI/SCIRENHC08串行接收N个字节/功能接收N个字节数据,并存放在CH数组中/INT8USCIRENINT8UN,INT8UCHINTMINT8UFPM0WHILEMSXTHENTIMER1ENABLEDTRUETIMER2ENABLEDFALSESHAPE1VISIBLETRUESHAPE2VISIBLETRUESHAPE2BACKCOLORH808080IFTEXT1TEXTXXTHENTIMER1ENABLEDFALSETIMER2ENABLEDFALSESHAPE1VISIBLETRUESHAPE2VISIBLETRUEXII5IFI0THENGRAPH1LINE95,0XI90,BUFI,RGB255,255,255ELSEGRAPH1LINEXI190,BUFI1XI90,BUFI,RGB255,255,255ENDIFII1IFI35THENI0BUF10BUF20BUF30BUF40BUF50BUF60BUF70BUF80BUF90BUF100BUF110BUF120BUF130BUF140BUF150BUF160BUF170BUF180BUF190BUF200BUF210BUF220BUF230BUF240BUF250BUF260BUF270BUF280BUF290BUF300BUF310BUF320BUF330BUF340GRAPH1CLSENDIFTEXT2TEXTNOWIFBC1THENRSCYSJTEXT2TEXTRSCAZTEXT1TEXTRSUPDATEBCBC1ELSERSADDNEWRSCYSJTEXT2TEXTRSCAZTEXT1TEXTRSUPDATEENDIFENDSELECTENDSUBPRIVATESUBSXWD_CLICKDIMBBBASINTEGERDIMSTR_XXASSTRINGSTR_XXINPUTBOX“请设置上限报警温度“,“上限报警温度“,30IFLENSTR_XX0THENSXINTSTR_XXIFMSCOMM1PORTOPENTRUETHENMSCOMM1PORTOPENFALSEMSCOMM1PORTOPENTRUEELSEMSCOMM1PORTOPENTRUEENDIFELSEBBBMSGBOX“报警温度没有设置，将不能采集数据“,0,“提示“ENDIFENDSUBPRIVATESUBTIMER1_TIMERSHAPE1VISIBLENOTSHAPE1VISIBLEBEEPENDSUBPRIVATESUBTIMER2_TIMERSHAPE2VISIBLENOTSHAPE2VISIBLEBEEPENDSUBPRIVATESUBTIMER3_TIMERGRAPH1SCALE100,100100,100GRAPH1CURRENTX95GRAPH1CURRENTY0GRAPH1LINE95,10095,100,RGB255,255,255GRAPH1LINE100,0100,0,RGB255,255,255ENDSU33PC方界面第四章系统测试传统的温度测量系统中，一般选用模拟式传感器，其特点是输出为模拟量，因此在测量中必须经过AD转换才能成为计算机处理的数字量。本系统由温度传感器通过AD转换器及FPGA传输到上位机，最终输出模拟温度数值。A/D转换器应是一种低噪声高精度模数转换器,适用于低频测量应用的完整模拟前端,可以直接接在传感器上,简化系统设计,降低整体成本应用中需要重点注意内部缓冲器、数字滤波器、校准模式三个方面的使用,能大幅度提高测量精度。第五章总结展望51总结在电子技术应用领域中，单片机的应用愈来愈多地应用到各行各业。要开发单片机的应用，不但要掌握单片机硬件和软件方面的知识，而且还要深入了解各应用系统的专业知识，只有将这两方面的知识融会贯通和有机结合，才能设计出优良的应用系统。学习单片机这门课程，要掌握单片机指令系统中汇编语言各种基本语句的意义及汇编语言程序设计的