基于凌阳单片机的的环境测试仪

1、摘要 I 本本科科生生毕毕业业设设计计（ 论论文文 ） 题目：题目： 基于单片机的环境测试仪 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

2、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：关键词：室内环境测量；SPCE061A 单片机；语音播报 Abstract II ABSTRACT As the improvement of living standard, people start to pay more and more attention for their living environment. The original analog products turn to Digital, Tantalization and Humanization step by step,whil

3、e electronic products are developing by leaps and bounds and electronic measurem entinstruments are gradually enrich.This environmental measuring system can fully exert humanized idiosyncratic, realize the detection of indoor light intensity, temperature,and humidity.By using the speech function of

4、SCM,which coordinates with transducer,we can realize the design of Environment Tester having speech function.This scheme adopts the sensor data acquisition module of Sunplus to test the indoor temperature,humidity and light, and through LED keyboard module to realize the display of acquisition data.

5、 The whole system use the 16-bit single chip SPCE061A of Sunplus company as panel, realizing the indoor environment measurement, display and reporting function, so as to complete an design of environmental test instrument. Keywords: Indoor environment measurement; SPCE061A microcontroller; voice rep

6、ort 目录 i i 目目 录录 摘 要.I ABSTRACT .II 目 录.I 第 1 章 绪论.1 1.1 选题的目的和意义 .1 1.2 传感器技术的发展和国内外研究概况 .1 1.3 设计任务和要求.2 1.3.1 设计任务.2 1.3.2 设计要求.2 第 2 章 系统组成介绍.3 2.1 凌阳单片机SPCE061A 芯片简介 .3 2.2 温度传感器DS18B20 介绍.4 2.2.1 DS18B20 概述 .4 2.2.2 DS18B20 测温原理 .5 2.2.3 DS18B20 的内部结构 .6 2.2.4 DS18B20 温度传感器的存储器 .7 2.3 湿度传感器HS1

7、101 介绍 .8 2.3.1 HS1101 概述 .8 2.3.2 HS1101 性能参数 .9 2.3.3 HS1101 湿度测量方案简述 .9 2.4 光敏电阻测量光线原理.10 2.4.1 光敏电阻器简介.10 2.4.2 光敏电阻器的结构.11 2.4.3 光敏电阻器的主要参数.11 2.4.4 光敏电阻器的工作原理.12 2.4.5 光敏电阻测量光线方案简介.12 2.5 LED 键盘模组简介 .12 2.5.1 主要功能.13 2.5.2 结构框图.13 2.5.3 键盘布局.14 2.5.4 接口说明.14 第 3 章 系统硬件设计.17 3.1 SPEC061A 最小系统.1

8、7 目录 ii 3.2 电源模块.17 3.3 音频输出模块.18 3.4 环境参数测量模块.18 3.4.1 温度测量模块.18 3.4.2 湿度测量模块.19 3.4.3 光线测量模块.20 3.5 按键和显示电路模块 .20 3.6 系统硬件总体设计.21 第 4 章 系统软件设计.23 4.1 环境参数模块主程序说明 .23 4.1.1 测温程序模块.23 4.1.2 测湿度程序模块.27 4.1.3 光线测量程序模块.31 4.2 语音播报程序说明 .33 4.3 AD 转换和中断程序说明 .34 第 5 章 系统组装与调试.37 5.1 系统组装.37 5.2 程序下载.37 5.

9、3 程序调试.38 5.3.1 控制程序运行.38 5.3.2 调试窗口.39 5.4 系统应用.39 第 6 章 结论与展望.41 6.1 结论 .41 6.2 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 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 选题的目的和意义选题的目的和意义 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

10、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 1.2 传感器技术的发展和国内外研究概况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

11、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

12、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

13、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

14、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 1.3 设计任务和要求设计任务和要求 1.3.1 设计任务设计任务 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 1.3.2 设计要求设计要求 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

15、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 3 第第 2 章章 系统组成介绍系统组成介绍 2.1 凌阳单片机凌阳单片机SPCE061A 芯片简介芯片简介 凌阳的16位单片机的CPU内核采用凌阳最新推出的nSP（Microcontroller and Signal Processor）

16、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

17、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2 B、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2-1 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3.03.6V(CPU)，I/O口工作电压VDDH为 VDD5.5V； (2)CPU时钟：0.32MHz49.152MHz； (3)内置2K字SRAM和32K字闪存ROM； XX 大学学士学

18、位论文 4 (4)系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电小于2A3.6V； (5)具备触键唤醒的功能； (6)32位通用可编程输入/输出端口； (7)2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)； (8)7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器； (9)2个10位DAC(数-模转换)输出通道； (10)14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，In- Circuit Emulator)接口3 16位微 控制器

19、unsp + ICE Flash RAM 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ADC+AGC 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_IN AUD1 AUD2 IOB0(SCK) IOB1(SDA) IOA1 50IOB1 50 ICE_EN ICE_SCK ICE_SDA Vcp XI/IR XO 图2-2 SPCE061A内部结构图 SPCE061A引脚说明： 表2-1 芯片引脚说明 引脚说明 IOA0IOA15(4148,53,5460 脚)I/O 口 A，共

20、 16 个 IOB0IOB15(51,8176,6864 脚)I/O 口 B，共 16 个 基于单片机的环境测试仪 5 5 OSCI（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_B (6 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_EN ICE_SCK （17 脚）ICE 时钟脚，接在线调试器 PROBE 的时 钟脚 ICE_SCK ICE_SDA（18 脚） ICE 数据脚，接在线调试器

21、PROBE 的数 据脚 ICE_SDA PVIN（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 1 DAC2（22 脚）音频输出通道 2 VREF2（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

22、该点输入 一个 2.5V 的参考电压，则 A/D 转换电压 输入范围为 02.5V（外部 A/D 最高参 考电压TH或T 0) uiTime -= 1; /= /语法格式： void Set_DQ(int Dir) /实现功能： 改变 IOB1 口的状态 /参数：Dir，1：IOB1 输出 1；0：IOB1 悬浮输入 /返回值：无 /= void Set_DQ(int Dir) if(Dir 0) *P_IOB_Dir |= 0 x0002; else *P_IOB_Dir *P_IOB_Buffer |= 0 x0002; /= /语法格式： void Clr_DQ(int Dir) /实现

23、功能： 改变 IOB1 口的状态 /参数：Dir，1：IOB1 输出 0；0：IOB1 悬浮输入 /返回值：无 /= void Clr_DQ(int Dir) if(Dir 0) *P_IOB_Dir |=0 x0002; else XX 大学学士学位论文 26 *P_IOB_Dir *P_IOB_Buffer /= /语法格式： unsigned int Read_DQ(void) /实现功能： 读取 DQ 的值 /参数：无 /返回值：DQ 的值 /= unsigned int Read_DQ(void) unsigned int uiTemp; uiTemp = 0; if(*P_IOB_

24、Data return(uiTemp); /= /语法格式： unsigned int Read_18B20_Byte(void) /实现功能： 读取 18B20 的值 /参数：无 /返回值：18B20 的值 /= unsigned int Read_18B20_Byte(void) int i; unsigned int Data; Data = 0; for(i=0;i 1; if(Read_DQ()0) Data |= 0 x0080; Delay(31); return(Data); /= /语法格式： void Write_18B20_Byte(unsigned int Data)

25、基于单片机的环境测试仪 2727 /实现功能： 写 18B20 /参数：要写的字节 /返回值：无 /= void Write_18B20_Byte(unsigned int Data) int i; Set_DQ(1); Delay(1); for(i=0;i0) Set_DQ(1); Data = Data 1; Delay(31); Set_DQ(1); Delay(1); /= /语法格式： int Init_18B20(void) /实现功能： 初始化 18B20 /参数：要写的字节 /返回值：无 /= int Init_18B20(void) int flag; Set_DQ(1);

26、 Delay(1); Clr_DQ(1); Delay(250); Set_DQ(0); Delay(31); if(Read_DQ()0) flag = 1; else flag = 0; Delay(220); Set_DQ(1); return(flag); /= XX 大学学士学位论文 28 /语法格式： unsigned int Read_Temp(void) /实现功能： 读取温度 /参数：无 /返回值：温度值 /= unsigned int Read_Temp(void) int i; unsigned int uiT; unsigned int Data10; *P_IOB_A

27、ttrib = 0 xffff;/初始化 IOB 同相低电平输出口 *P_IOB_Dir = 0 xffff; *P_IOB_Data = 0 x0000; Set_DQ(1); while(Init_18B20()0) *P_Watchdog_Clear = 0 x0001; Delay(40); Write_18B20_Byte(0 xcc); Write_18B20_Byte(0 x44); for(i=0;i0) *P_Watchdog_Clear = 0 x0001; Write_18B20_Byte(0 xcc); Write_18B20_Byte(0 xbe); for(i=0;

28、i8;i+)/数据读取 Datai = Read_18B20_Byte(); i = Data1;/温度的高字节 i = i 80) PlaySnd(15);/播放潮湿 PlaySnd(17);/播放请 PlaySnd(18);/播放打开 PlaySnd(19);/播放除湿机 if(Result1.476V 测量值15K,太暗 PlaySnd(0);/播放光线 PlaySnd(3);/播放太弱 PlaySnd(4);/播放请 PlaySnd(5);/播放注意保护眼睛 if(Result = 2)/光敏电阻为2K,光线太刺眼 PlaySnd(0);/播放光线 PlaySnd(2);/播放太强 P

29、laySnd(4);/播放请 PlaySnd(5);/播放注意保护眼睛 if(Result = 0) /光敏电阻为 6.8KRLoad Program菜单项 基于单片机的环境测试仪 3838 3. 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； “Select Body”用于选 择芯片、下载线类型， “Use ICE”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“Select Body”图标工具，打开“Select Body”对话框在“Bo

30、dy Name”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“Use ICE”工具按钮（Select Body 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BuildStart DebugDownload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 5.3 程序调试程序调试

31、利用 nSP IDE 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 5.3.1 控制程序运行控制程序运行 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 BuildStart DebugDownload 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 Start Debug 子菜单内的各项进行调试Start Debug 子菜单内各命令和对程序运行的控制操作如下： G

32、o 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 Stop Debug 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 Step Into 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 Step Over XX 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 Step Out 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 5.3.2 调试

33、窗口调试窗口 调试状态下 View 菜单里的各调试窗口可以被激活 内存窗口(Memory Window)： 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(Register Window) ： 显示 CPU 各寄存器,中断标志,指令周期数的值 命令窗口(Command Window)： 在该窗口内直接输入命令控制程序的状态 断点窗口(BreakPoint Window)： 显示或设置断点信息 变量窗口(Watch Window)： 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(Disassembly

34、 Window)： 显示内存中程序的反汇编代码通过双击鼠标左键或 Ctrl + G 热键可激活 Goto Address 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(History Buffer Window)： 显示已执行的指令状态等信息11 5.4 系统应用系统应用 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

35、基于单片机的环境测试仪 4040 江南大学学士学位论文 41 第第 6 章章 结论与展结论与展望望 6.1 结论结论 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0.32MHz49MHz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 6.2 不足之处及未来展望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

36、，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 4242 江南大学学士学位论文 43 参考文献参考文献 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，1991(12):25-27. 2 罗亚飞凌