毕业设计：基于gp32温度测试系统的设计

目录第一章前言211MCU与嵌入式系统212传感器简介313热敏电阻温度传感器4第二章硬件测试521单片机系统522单片机的选择5221MC68HC908GP32单片机的特点5222MC68HC908GP32内部结构6223GP32MCU的引脚功能823测温系统的原理框图9231温度传感器电路10232信号放大电路10233A/D转换模块11234温度显示系统11第三章软件设计1231MCU方程序12311MAIN函数12312A/D转换模块的基本编程方法13313串行口初始化子程序17314串口通行模块18315WLLDEFC程序2232PC机方（VB编程）22第四章测试与总结2741测试27411连接硬件电路2741208C语言程序调试2742总结2843参考文献30基于GP32温度测试系统的设计第一章前言11MCU与嵌入式系统MCU的基本含义在一块芯片上集成了中央处理器单元（CPU）、存储器（RAM/ROM）、定时器/计数器及多种输入/输出（I/O）接口的比较完整的数字处理系统。MCU从体系结构到指令系统都是按照嵌入式系统的应用特点专门设计，能很好地满足应用系统的嵌入，面向测控对象和现场可靠运行等方面的要求。因此由MCU构成的系统是发展最快、品种最多、数量最大、应用最广的嵌入式系统。由于MCU有嵌入式应用的专用体系结构与指令系统，而且具有体积小、可靠性高等特点，同时具有各种各样的型号，可以满足不同的需求，实际应用时，开发者可根据具体要求选用最佳型号的MCU嵌入到所需的应用系统中2。一个以MCU为核心，比较复杂的嵌入式产品或实际嵌入式应用系统，包含模拟量的输入、模拟量的输出，开关量的输入、开关量的输出以及数据通信部分。如图1为一个典型的嵌入式应用系统框图。MCU工作支撑电路保障MCU能够正常运行，如电源提供、晶振电路及必要的滤波电路等。实际模拟信号一般来自相应的传感器。但是，一般传感器将实际模拟信号转成的电信号都比较弱，MCU无法直接获得该信号，需要将起放大，然后经过模/数（A/D）转换变为数字信号，进行处理。目前许多MCU内部包含A/D转换模块，实际应用时也可根据需要外接A/D转换芯片。常见的模拟量有温度、湿度、压力、质量、气体浓度、液体浓度、流量等。对MCU来说，模拟信号通过A/D转换变成相应的数字序列进行处理。实际开关信号一般也来自相应的开关类传感器。如光电、电磁开关、干簧管、声控、红外开关等，在一些儿童电子玩具就有一些类似的开关。手动开关也可以作为开关信号送到MCU中。对MCU来说，开关信号就是只有“0”和“1”两种可能值的数字信号。其他输入信号通过通信方式与MCU沟通。常用的通信方式有异步串行（SCI）通信方式、串行外设接口（SPI）通信方式、并行通信方式、USB通信方式、网络通信方式等。在执行机构中，有开关量执行机构，也有模拟量执行机构。开关量执行机构只有“开”、“关”两种状态。模拟量执行机构需要连续变换的模拟量控制。MCU一般不能直接控制这些执行机构，需要通过相应的驱动电路实现。还有一些执行机构，即不是通常的开关量控制，也不是通常的D/A转换量控制，而是“脉冲”量控制，如控制空调电动机，MCU则通过软件对其控制。图1一个典型的嵌入式应用系统框图12传感器简介传感器是一种把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，其实质是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转变为电信号。它是实现测试与自动控制系统的首要环节。如电子计价秤中所安装的称重传感器，它是电子计价秤的重要部件，它担负着将重量转换成电信号的任务，它所输出的电信号被放大器放大并经A/D转换后由相关电路显示出称重信息。如果没有传感器对MCU放大器将微弱电信号放大成MCU可接受的电信号传感器将实际物理信号转换为微弱电信号模拟量驱动机构将MCU送出的信号放大模拟量执行机构将实际开关信号转换成MCU可接受的电信号MCU与嵌入式系统开关量驱动机构将MCU送出的信号放大开关量执行机构其他输入信号其他输出信号MCU工作支撑电路其他通信设备通信信号匹配电路A/D转换接口D/A转换接口I/O接口通信接口实际模拟信号实际开关信号原始参数进行精确可靠的测量，哪么无论是信号转换或信息处理，或者最佳数据的显示和控制都将无法实现。在现代电子信息系统中，信息采集传感器技术、信息传感痛惜技术、信息处理微处理器技术是现在电子信息技术的3大核心技术。传感器的种类可分为力、热、湿、气，磁、光、电等。室温传感器用于测量室内和室外的环境温度，管温传感器用于测量蒸发器和冷凝器的管壁温度。室温传感器和管温传感器的形状不同，但温度特性基本一致。按温度特性划分，目前美的使用的室温管温传感器有二种类型1、常数B值为4100K3，基准电阻为25对应电阻10K3。温度越高，阻值越小；温度越低，阻值越大。离25越远，对应电阻公差范围越大；在0和55对应电阻公差约为7；而0以下及55以上，对于不同的供应商，电阻公差会有一定的差别。13热敏电阻温度传感器温度传感器利用一些金属、半导体等材料与温度有关的特性而制成的，这些特性包括热膨胀、电阻、电容、磁性、热电势、热噪声、弹性及光学特征。根据制造材料将其分为热敏电阻传感器、半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器等类型。热敏电阻传感器，其最基本电气特性是随着温度的变化自身阻值也随之变化。热电阻材料热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性。第二章硬件测试21单片机系统单片机选用的是FREESCALE公司的MC908GP32，主要完成对AD转换电路的控制、对转换后的数字量的处理以及对显示模块的控制，并且为ADC0809提供工作时钟22单片机的选择嵌入式系统的核心就是各种不同类型的MCU，选择MCU时要考虑的因素有处理性能、功耗、价格、封装形式、软硬件开发工具、设计者的熟悉程度等。对于许多嵌入式系统设计来说，目标不在于挑选速度最快并且功能最强的MCU（这样的MCU往往价格较高），而是选择对于完成功能最合适的MCU。应遵循的原则有MCU的总I/O口个数应略多于系统功能所需的个数，以备功能扩展和调试时使用；对于使用到的外设功能模块应尽可能集成在MCU的内部，以简化硬件系统，减少系统工作功耗，提高系统的可靠性；尽量选择设计者较为熟悉和开发工具完备的芯片型号，这样可以减少开发周期，提高开发效率。基于上述选型原则，本设计采用了MC68HC908GP32（42引脚）单片机，它稳定性高、开发周期短、成本低、兼容性好；按各种型号带有不同大小的片内闪速（FLASH）存储器，具有非常高的性价比；增加了增强型的串行通讯接口SCI和串行外围接口SPI。221MC68HC908GP32单片机的特点MC68HC908GP32单片机的主要特点概述如下1）512B片内RAM；32K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32KHZ晶振PLL电路,可产生各种工作频率；8MHZ内部总线频率。3）增强的HC05CPU结构；16种寻址方式比HC05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乘法指令；快速16/8除法指令；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15MA吸流和放流能力，其他口有10MA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）增强型串行通讯口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、6、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。222MC68HC908GP32内部结构MC68HC908GP32MCU（以下简称GP32MCU）的三种封装形式只有引脚数量和形式有所区别，其他方面是一致的。图4给出了GP32的内部结构框图。图4中I/O接口是按44引脚的GP32给出的，对于42引脚的GP32MCU则没有PTC5、PTC6两个引脚，对于40引脚的GP32MCU则没有PTC5、PTC6及PTD6/T2CH0、PTD7/T2H1四个引脚。从内部结构简图可以看出，GP32内部有以下主要部分M68HC08CPU、存储器、定时接口模块、定时基模块、看门狗模块、并行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、鉴控模块MON、系统设置模块。图4MC68HC908GP32结构框图M68HC08CPUCPU寄存器算数逻辑单元64B控制和状态寄存器32KB片内FLASH程序寄存器512B片内RAM307B监控ROM36B用户FLASH矢量空间时钟发生模块32KHZ振荡器锁相环PLL系统集成模块SIM矢量空间外中断模块IRQ8位A/D转换模块电源PORTADDRAPORTCDDRCPORTBDDRBPORTDDDRD监视模式入口模块加密模块PTA7/KBD7PTA0/KBD0定时器模块TBM断点模块BRK低电压禁止模块LVI键盘中断控制模块KBI定时器接口模块TIM1定时器接口模块TIM2内存映像模块串行通信接口模块SCI串行外设接口模块SPI监控模块MON数据总线开关模块系统操作正常监视模块COP配置寄存器模块1配置寄存器模块1上电复位模块PTB7/AD7PTB0/AD0PTC4PTC0PTD7/T2CH1PTD6/T2CH0PTD5/T1CH1PTD4/TICH0PTD3/SPSCKPTD2/MISOPTD1/MOSIPTD0/SSVDDVSSVDDAVSSAVDDAD/VREFHVSSAD/VREFLOSC1OSC2CGMXFCRSTIRQ223GP32MCU的引脚功能MC68HC908GP32的引脚图电源类引脚VDD、VSS（20引脚、19引脚）电源供给端。VDDAD/VREFH、VSSAD/VREFL（31引脚、32引脚）内部A/D转换模块的电源供给及参考电压输入端。VDDA、VSSA（1引脚、2引脚）时钟发生器模块（CGM）的电源供给端。控制类引脚ERRORERRORERROR（6引脚）外部低有效复位输入或输出引脚，有内部上拉电阻。（14引脚）外部中断输入引脚，有内部上拉电阻。I/O类引脚PTA7/KBD7PTA0/KBD0（4235引脚）8位通用双向I/O接口，每个可编程为键盘输入引脚。PTB7/AD7PTBO/AD0（3225引脚）8位通用双向I/O接口，也可作为8位A/D转换输入引脚。PTC4PTC0（117引脚）5位通用双向I/O接口。PTD7/T2CH1PTD0/SS（2421引脚、1815引脚）8种特殊功能、双向I/O接口，其中PTD4PTD7用于定时器模块（TIM1和TIM2）。SPSCK、MOSI、MISO、SS用语串行外围接口（SPI）。PTE1/TXD、PTE0/RXD（12引脚、13引脚）2位双向I/O接口或串行通信。其他CGMXFC（3引脚）CGM的外部滤波电容连接引脚。OSC1、OSC2（5引脚、4引脚）芯片内振荡器引脚。23测温系统的原理框图本测温系统由温度传感器电路、信号放大电路、AD转换电路、单片机系统、温度显示系统构成，如图1所示。其基本工作原理温度传感器电路将测量到的温度信号转换成电压信号输出到信号放大电路，与温度值对应的电压信号经放大后输出至AD转换电路，把电压信号转换成数字量送给单片机系统，单片机系统根据显示需要对数字量进行处理，再送温度显示系统进行显示。如图2所示。温度传感器电路信号放大电路A/D转换电路单片机系统温度显示系统图1测温系统的原理框图231温度传感器电路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，它的输出电压与摄氏温度线性成比例，且无需外部校准或微调，可以提供14的常用的室温精度。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，其接法如图3与图4所示。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。本系统采用的是单电源模式。232信号放大电路由于温度传感器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5所示。233A/D转换模块A/D转换模块（ANALOGTODIGITALCONVERTMODULE）,即模数转换,是将电压信号转换为对应的数字信号。进行A/D转换的基本问题1）采样精度数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量,即采样位数。2）采样速率完成一次A/D采样所要花费的时间。3）滤波对采样的数据进行筛选去掉误差较大的毛刺。4）物理量回归把A/D采样值与实际物理量对应起来。A/D转换数据寄存器ADRADR存放A/D转换的8位结果，每次A/D转换结束更新该寄存器。编程从该寄存器读取A/D转换结果。该寄存器地址为003D，为只读寄存器，复位时为00。234温度显示系统该温度显示系统较为简单，由可编程并行输入输出芯片8255A的A，B，C端口外接3个8段LED显示器来实现。MC908GP32的P26为8255提供片选信号，74LS373的Q7，Q6接8255的A1，A0，可得到8255的A，B，C及控制口的地址为BF3FH，BF7FH，BFBFH，BFFFH。MC908GP32处理好的温度数据输出至8255，并由MC908GP32对8255编程控制其A，B，C端口输出高电平或低电平，以便从8段LED显示器显示实际温度。8段LED显示器选用共阳极，8255的A，B，C端口与8段LED显示器之间接限流电阻。第三章软件设计在MCU上的程序包括头文件定义、温度驱动子程序、系统初始化子程序、串口通信子程序等，通过专用编译器和写入工具写到MCU中。系统的软件部分用C语言编程，采用模块化结构，主要由AD转换模块、单片机内部数据处理模块、温度显示模块等3部分构成，便于修改和维护。系统的所有程序文件，见下表温度测量系统工程文件文件类型文件名功能简介GP32CHGP32MCU映像寄存名定义头文件ENDISINTH开放或禁止MCU各模块中断头文件TYPEH类型别名定义头文件INCLUDESH总头文件ADH“A/D转换头文件头文件SCIH串行通信头文件SETUPC芯片初始化文件SCIC串口通信文件C语言子函数文件ADCA/D转换文件C语言主函数MAINC主函数文件31MCU方程序该模块是系统的核心模块311MAIN函数INCLUDE“INCLUDESH“/总头文件/主函数VOIDMAINVOIDDISABLEMCUINT/禁止总中断MCUINIT/芯片初始化/在此处添加用户程序SCIINITADCINITWHILE1SCISEND1ADCAVE0,200312A/D转换模块的基本编程方法根据测量系统要求不同以及单片机的忙闲程度，通常可采用3种软件编程方式程序查询方式，延时方式和中断方式。本系统采用延时方式。延时程序实际上是无条件传送IO方式，当向AD转换器发出启动命令后，即进行软件延时，延时时间稍大于进行一次AD转换所需要的时间，之后打开AD转换器的输出缓冲器读数即为转换好的数字量。AD转换时间为64个时钟周期，因为系统中ADC0809的工作时钟为500KHZ，故AD转换时间为128S，延时时间可大致选择160S。程序段如下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。/ADCHA/D转换头文件INCLUDE“GP32CH“/GP32MCU映像寄存器名定义INCLUDE“TYPEH“/类型别名定义DEFINECOCOBIT7VOIDADCINITVOID/A/D转换初始化INT8UADCVALUEINT8UCHANNEL/1路A/D转换函数INT8UADCMIDINT8UCHANNEL/1路A/D转换函数中值滤波INT8UADCAVEINT8UCHANNEL,INT8UN/1路A/D转换函数均值滤波/ADCCA/D转换/硬件连接/PTB0/AD0接模拟量输入端/INCLUDE“ADCH“/ADCINITA/D转换初始化/功能设置A/D转换时钟频率为1MHZ/VOIDADCINITVOIDADCLK0B00110000/|_不用/|_选择内部总线时钟/|_分频系数为2/ADCAVE1路A/D转换函数均值滤波/功能通道CHANNEL进行N次中值滤波,求和再作均值,得出均值滤波结果/INT8UADCAVEINT8UCHANNEL,INT8UNINT8UIINT16UJJ0FORI0IJTMPIIJJTMPIFKIIFKJTMPJELSETMPKELSETMPIRETURNTMP/ADCVALUE1路A/D转换函数/功能获取通道CHANNEL的A/D转换结果/INT8UADCVALUEINT8UCHANNELINT8UTMP/1选取通道号ADCH4ADCH00000000111AD0引脚AD7引脚CHANNEL/取通道号变量的低五位实际通道号TMPADSCR/取ADSCR的高三位取上电复位默认值000ADSCRTMP|CHANNEL/合并上述8位/2取A/D转换结果WHILEADSCRP0X01RETURNI/返回接收到的数据/SCIRENHC08串行接收N个字节功能接收N个字节数据,并存放在CH数组中参数待接收的数据字节数及其存放的数组首地址返回接收标志0收到数据,1未收到数据/UNSIGNEDCHARSCIRENUNSIGNEDCHARN,UNSIGNEDCHARCHINTMUNSIGNEDCHARFPM0WHILEM127ORRECVDATAI0THENSTEMPCHR1ELSESTEMPTRIMCHRRECVDATAIENDIFS1S1STEMP“S2S2HEXRECVDATAI“S3S3RECVDATAI“NEXTITXTRECVTEXTS1TXTRECVHEXTEXTS2TXTRECVOCTTEXTS3IFLENS1160THENS1“S2“S3“/让文本框光标紧跟最后TXTRECVSELSTARTLENTXTRECVTEXTTXTRECVHEXSELSTARTLENTXTRECVHEXTEXTTXTRECVOCTSELSTARTLENTXTRECVOCTTEXTMSCOMM1RTHRESHOLD1/开放串行中断ENDSUBPRIVATESUBCMDCLR_CLICK/单击“清空“按钮TXTSENDTEXT“TXTRECVTEXT“TXTRECVHEXTEXT“TXTRECVOCTTEXT“ENDSUBPRIVATESUBCMDEXIT_CLICK/单击“退出“按钮IFMSCOMM1PORTOPENTRUETHENMSCOMM1PORTOPENFALSEENDENDSUBPRIVATESUBMSOPTION1_CLICK/改变串口号为1MSCOMM1PORTOPENFALSEMSCOMM1COMMPORT1MSCOMM1PORTOPENTRUE/打开串行口1ONERRORGOTOMSOPTION1_CLICK_ERRORGOTOMSOPTION1_CLICK_EXITMSOPTION1_CLICK_ERRORMSGBOX“这台机器没有COM1,请选择COM2“ENDMSOPTION1_CLICK_EXITENDSUBPRIVATESUBMSOPTION2_CLICK/改变串口号为2MSCOMM1PORTOPENFALSEMSCOMM1COMMPORT2ONERRORGOTOMSOPTION2_CLICK_ERRORMSCOMM1PORTOPENTRUE/打开串行口2GOTOMSOPTION2_CLICK_EXITMSOPTION2_CLICK_ERRORMSGBOX“这台机器没有COM2,请选择COM1“ENDMSOPTION2_CLICK_EXITENDSUB第四章测试与总结41测试411连接硬件电路将热敏电阻的端到MCU的GND引脚上，将端接到MCU的VCC引脚上，将S端接到MCU的PB0引脚上。将写入器的一端接MCU的目标板，一端接PC机，将PC机的通信线与MCU相连，然后打开电源，将目标板上的按钮打到“写入器”一端。41208C语言程序调试打开MTIDE集成开发环境，加载工程THIRDPJT,编译源程序，屏幕上显示点击“FLASH操作”，选择“写入”，弹出一个对话框如下点击“擦除及写入”，提示“写入完毕”，表示写入代码成功将目标板上的按钮打到“扩展板一端”，然后启动VB，打开显示程序“工程2”，运行程序，结果如下当温度改变时，窗口中显示改变之后的温度为42总结单片机课程设计，是对单片机知识的验证，可以帮助我们理解巩固所学知识，激发我们对单片机课程的兴趣，更锻炼了我们独立思考、开拓创新的能力。课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此，作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。要做好一个课程设计，就必须做到在设计程序之前，对所用单片机的内部结构有一个系统的了解，知道该单片机内有哪些资源；要有一个清晰的思路和一个完整的的软件流程图；在设计程序时，不能妄想一次就将整个程序设计好，反复修改、不断改进是程序设计的必经之路；要养成注释程序的好习惯，一个程序的完美与