基于凌陽單片機的溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計

1、基于凌陽單片機的溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計摘要溫度是工業(yè)生產(chǎn)和生活中最基本的參數(shù)之一，在日常生活和工業(yè)控制過程中，經(jīng)常需要進(jìn)行對溫度的測量，并對溫度的結(jié)果進(jìn)行分析，以做出相應(yīng)的處理，這對于提高生產(chǎn)效率和生活質(zhì)量等都有重要的作用。本設(shè)計采用pt100為溫度傳感器，單片機spce061a為硬件核心元件，設(shè)計了一種具有溫度初值設(shè)定、溫度語音播報、溫度顯示、手動復(fù)位、自動修正誤差等功能的新型溫度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、現(xiàn)場適應(yīng)能力強、檢測準(zhǔn)確、可靠性高。本設(shè)計主要完成了溫度檢測總體方案的設(shè)計；完成了系統(tǒng)的主控硬件流程圖；完成了由電橋和差分放大電路組成的傳感器電路；完成了單片機的最小系統(tǒng)電路、音

2、頻輸出電路；完成了系統(tǒng)主程序的軟件設(shè)計及系統(tǒng)初始化、a/d轉(zhuǎn)換和語音處理等子程序的軟件設(shè)計。關(guān)鍵字：凌陽單片機；pt100；語音播放based on sunplus single-chip of temperature detection system designabstracttemperature is one of the most basic parameters in industrial production and life , in their daily lives and industrial process control, often need to measure

3、temperature, and analyse the results of the temperature in order to make the deal, which has an important role to increase productivition efficiency and quality of life.the design uses pt100 as the temperature sensor, uses single-chip spce061a as the hardware components, designed a new type of tempe

4、rature detection system,while has the functions with the initial temperature set, temperature voice broadcast, temperature display, manual reset and correct the error automatically .this system structure is simple, the volume is small, the cost is low, the scene adaptiveness is strong, the examinati

5、on is accurate, the reliability is high. this design has mainly completed the temperature examination overall concept design, the systems master control hardware flow chart, the sensor electric circuit which is composed of the electric bridge and the difference amplifying circuit, the monolithic int

6、egrated circuits smallest system circuit, the audio frequency output circuit, the system master routine software design and the system initialization, a/d transformation and the pronunciation processing small steelyard procedure software design.keywords：single-chip sunplus，pt100，voice broadcast目 錄摘要

7、iabstractii第一章 緒論11.1 引言11.2 國內(nèi)外溫度檢測技術(shù)概述21.2.1 溫度檢測技術(shù)簡介21.2.2 溫度檢測技術(shù)的發(fā)展31.3 本設(shè)計的主要內(nèi)容4第二章 總體方案設(shè)計52.1 溫度傳感器設(shè)計方案選擇52.2 單片機選擇52.3 系統(tǒng)總體框圖6第三章 硬件電路設(shè)計73.1 基于單片機的溫度采集系統(tǒng)73.1.1 采集系統(tǒng)簡介73.1.2 溫度檢測電路73.1.3 pt100熱電阻簡介83.1.4 差分放大電路93.2 spce061a電路103.2.1 spce061a芯片簡介103.2.2 系統(tǒng)時鐘133.2.3 鎖相環(huán)pll (phase lock loop)振蕩器14

8、3.2.4 cpu實時鐘143.2.5 時間基準(zhǔn)信號143.2.6 spce061a最小系統(tǒng)153.2.7 cpu復(fù)位電路153.3 音頻輸出電路163.3.1 語音背景介紹163.3.2 spy0030簡介183.3.3 音頻放大電路183.4 鍵盤電路193.5 led顯示電路203.5.1 數(shù)碼管簡介203.5.2 顯示電路223.6 電源電路22第四章 軟件設(shè)計244.1 軟件結(jié)構(gòu)244.2 主程序流程圖244.3 a/d轉(zhuǎn)換實現(xiàn)264.3.1 a/d輸入接口的結(jié)構(gòu)264.3.2 a/d 采樣處理274.4 顯示流程圖284.4.1 顯示部分流程圖284.4.2 irq6_tmb2中斷

9、304.5 鍵盤設(shè)置流程圖304.6 語音程序314.6.1 語音播放過程314.6.2 語音程序流程圖324.6.3 語音中斷流程圖33第五章 抗干擾分析和系統(tǒng)調(diào)試355.1 抗干擾分析355.1.1 系統(tǒng)干擾的基本分析355.1.2 干擾源及其一般分類355.1.3 抗干擾措施365.2 系統(tǒng)調(diào)試385.2.1 調(diào)試環(huán)境385.2.2 調(diào)試方法39第六章 總結(jié)40參考文獻(xiàn)41附錄a 硬件原理圖42附錄b 源程序43致 謝66 第一章 緒論1.1 引言測量是人們認(rèn)識自然界的一種科學(xué)方法。通過各種測量，人們能夠從數(shù)量上來描述周圍的物質(zhì)世界，揭示自然界存在的規(guī)律，推動科學(xué)技術(shù)的不斷前進(jìn)。計量學(xué)就

10、是研究保證測量統(tǒng)一的理論問題和實際問題的學(xué)科，也就是研究提高測量準(zhǔn)確度和保證量值統(tǒng)一性的一門學(xué)科。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，特別是商品生產(chǎn)的協(xié)作規(guī)模和商品交換范圍的擴大，商品生產(chǎn)已不局限于一個國家，一個地區(qū)，而是跨地區(qū)、跨國家。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已擴大到綜合性、多學(xué)科。計量工作在國民經(jīng)濟建設(shè)中占有十分重要的地位，它同經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)、科學(xué)研究和人民生活都有密切關(guān)系。加強計量管理、保證國家計量制度的統(tǒng)一和計量器具的一致、保證計量器具的準(zhǔn)確度并正確使用它，這對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、保證零部件的互換性、改進(jìn)工藝、實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、自動化；對于保障安全生產(chǎn)、提高勞動效率、降低原材料消耗；對于工業(yè)生產(chǎn)自動化、實

11、現(xiàn)科學(xué)種田和農(nóng)業(yè)機械化、提高科學(xué)研究水平、進(jìn)行國內(nèi)外貿(mào)易都具有十分重要的作用。溫度計量學(xué)或稱計溫學(xué)是計量學(xué)的一個重要分支，它在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域中占有一定的地位。人們的日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗等許多方面都與溫度測量有著十分密切的關(guān)系。溫度作為一個重要的物理量，是工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍、最重要的工藝參數(shù)之一。隨著時代的進(jìn)步、社會的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的不斷更新，溫度的測量范圍要求不斷擴大，同時溫度的測量準(zhǔn)確性要求不斷提高。對溫度測量的要求也越來越高，而且測量范圍也越來越大，對溫度的檢測技術(shù)的要求也越來越高。因此，溫度檢測和溫度檢測技術(shù)的研究也是一個重要的研究課題。1.2 國內(nèi)外溫度檢測技術(shù)概述1.2.

12、1 溫度檢測技術(shù)簡介隨著國內(nèi)外工業(yè)的日益發(fā)展，溫度檢測技術(shù)也有了不斷的進(jìn)步，目前的溫度檢測使用的方法種類繁多，應(yīng)用范圍也較廣泛，大致包括以下幾種方法：利用物體熱脹冷縮原理制成的溫度計；利用熱電效應(yīng)技術(shù)制成的溫度檢測元件，利用此技術(shù)制成的溫度檢測元件主要是熱電偶。熱電偶發(fā)展較早，比較成熟，至今仍為應(yīng)用最廣泛的檢測元件。熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、測量范圍寬、精度高、熱慣性小等特點；利用熱阻效應(yīng)技術(shù)制成的溫度計；利用熱輻射原理制成的高溫計熱輻射高溫計通常分為兩種。一種是單色輻射高溫計，一般稱光學(xué)高溫計；另一種是全輻射高溫計，它的原理是物體受熱輻射后，視物體本身的性質(zhì)，能將其吸收、透過或反射。而受

13、熱物體放出的輻射能的多少，與它的溫度有一定的關(guān)系。熱輻射式高溫計就是根據(jù)這種熱輻射原理制成的；利用聲學(xué)原理進(jìn)行溫度測量；利用紅外原理進(jìn)行溫度檢測1。近年來，在溫度檢測技術(shù)領(lǐng)域，多種新的檢測原理與技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。新一代溫度檢測元件正在不斷出現(xiàn)和完善化。晶體管溫度檢測元件半導(dǎo)體溫度檢測元件是具有代表性的溫度檢測元件。半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)比金屬大12個數(shù)量級，二級管和三極管的pn結(jié)電壓、電容對溫度靈敏度很高?；谏鲜鰷y溫原理已研制了各種溫度檢測元件。集成電路溫度檢測元件利用硅晶體管基極一發(fā)射極間電壓與溫度關(guān)系（即半導(dǎo)體pn結(jié)的溫度特性）進(jìn)行溫度檢測，并把測溫、激勵、信號處理電路和

14、放大電路集成一體，封裝于小型管殼內(nèi)，即構(gòu)成了集成電路溫度檢測元件。核磁共振溫度檢測器所謂核磁共振現(xiàn)象是指具有核自旋的物質(zhì)置于靜磁場中時，當(dāng)與靜磁場垂直方向加以電磁波，會發(fā)生對某頻率電磁的吸收現(xiàn)象。利用共振吸收頻率隨溫度上升而減少的原理研制成的溫度檢測器，稱為核磁共振溫度檢測器。這種檢測器精度極高，可以測量出千分之一開爾文，而且輸出的頻率信號適于數(shù)字化運算處理，故是一種性能十分良好的溫度檢測器。在常溫下，可作理想的標(biāo)準(zhǔn)溫度計之用。.熱噪聲溫度檢測器它的原理是利用熱電阻元件產(chǎn)生的噪聲電壓與溫度的相關(guān)性。其特點是：輸出噪聲電壓大小與溫度是比例關(guān)系，不受壓力影響，感溫元件的阻值幾乎不影響測量精確度，所

15、以它是可以直接讀出絕對溫度值而不受材料和環(huán)境條件限制的溫度檢測器。光纖溫度檢測器光纖溫度檢測器是目前光纖傳感器中發(fā)展較快的一種，已開發(fā)了開關(guān)式溫度檢測器、輻射式溫度檢測器等多種實用型的品種。它是利用雙折射光纖的傳輸光信號滯后量隨溫度變化的原理制成的雙折射光纖溫度檢測器，檢測精度在1以內(nèi)，測溫范圍可以從絕對0到2000。激光溫度檢測器，激光測溫特別適于遠(yuǎn)程測量和特殊環(huán)境下的溫度測量，用氮氖激光源的激光作反射計可測得很高的溫度，精度達(dá)1；用激光干涉和散射原理制作的溫度檢測器可測量更高的溫度，上限可達(dá)3000，專門用于核聚變研究，但在工業(yè)上應(yīng)用還需進(jìn)一步開發(fā)和實驗。1.2.2 溫度檢測技術(shù)的發(fā)展生產(chǎn)

16、管理一體化、網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)今工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的大趨勢，要實現(xiàn)這些功能，必須借助于工業(yè)計算機、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)及開放的工業(yè)數(shù)據(jù)庫。利用先進(jìn)技術(shù)手段監(jiān)測各種復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境的被控參數(shù)（如溫度、流量及壓力等），使生產(chǎn)和管理一體化，可以有效地提高生產(chǎn)和管理的自動化水平。溫度追蹤測量（也可以稱作是溫度分布測定技術(shù)）是一種利用微機來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊傳輸和數(shù)據(jù)分析處理的一門新技術(shù)，是在生產(chǎn)過程中記錄和說明熱加工產(chǎn)品與空氣溫度關(guān)系的技術(shù)，追蹤測量得到的數(shù)據(jù)被顯示為圖表或數(shù)字。這個過程最簡單的形式就是它可以告訴生產(chǎn)者所生產(chǎn)的產(chǎn)品的溫度、保持這個溫度有多長時間以及在什么時間達(dá)到了什么溫度。通過分析數(shù)據(jù)，生產(chǎn)人員可以保證產(chǎn)

17、品達(dá)到最好的質(zhì)量、解決產(chǎn)品存在問題、優(yōu)化生產(chǎn)工藝路線及節(jié)約能耗。無論是在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)、食品加工、其它工業(yè)生產(chǎn)，還是在醫(yī)療器械生產(chǎn)方面，在生產(chǎn)過程中溫度是重要的控制指標(biāo)，溫度檢測（也稱追蹤）技術(shù)就具有非常廣闊的應(yīng)用前景2。1.3 本設(shè)計的主要內(nèi)容（1）分析市場對溫度檢測系統(tǒng)的功能要求，概括系統(tǒng)總體方案設(shè)計。（2）系統(tǒng)硬件設(shè)計，完成系統(tǒng)微處理器的選用，溫度傳感器的選用，檢測電路的選用，三極管驅(qū)動led顯示的選用，并用protel99se畫出原理圖（sch圖）。（3）系統(tǒng)軟件設(shè)計，確定系統(tǒng)檢測算法，制定軟件程序流程圖，并根據(jù)軟件程序流程圖，選用合適的編程語言編寫源程序，進(jìn)而進(jìn)行軟件程序調(diào)試以及程序

18、優(yōu)化，最終實現(xiàn)軟件運行。（4）對設(shè)計系統(tǒng)抗干擾分析以及軟硬件調(diào)試，并進(jìn)行整機功能演示。（5）根據(jù)設(shè)計過程與現(xiàn)象，分析和概括設(shè)計結(jié)論。 第二章 總體方案設(shè)計2.1 溫度傳感器設(shè)計方案選擇方案一：采用熱敏電阻，可滿足4090測量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性較差，對于檢測小于1的信號是不適用的。方案二：采用溫度傳感器ds18b20，最新單線數(shù)字溫度傳感器ds18b20是一線器件，其體積小、適用電壓寬、該數(shù)字化溫度傳感器ds18b20是世界上第一片支持一線總線接口的溫度傳感器。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。測量溫度范圍為 -55+125，

19、在-10+85范圍內(nèi),精度為0.5。ds18b20的精度偏差為2 ?，F(xiàn)場溫度直接以一線總線的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，由于ds18b20的測量范圍比較小，運行需要自己的驅(qū)動程序，編程難的特點本系統(tǒng)沒有采用3。方案三：采用溫度傳感器鉑電阻（pt100）。鉑電阻的物理化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定,它能用作工業(yè)測溫元件,且此元件線性較好。在0100時，最大非線性偏差小于0.5。鉑電阻與溫度關(guān)系是；其中rt是溫度為t時的電阻；r0是溫度為0時的電阻；t為任意溫度值，a、b為溫度系數(shù)。2.2 單片機選擇方案一：此方案可采用at89c51單片機實現(xiàn)，單片機

20、軟件編程自由度大，可用編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。但是at89c51需外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器來滿足數(shù)據(jù)采樣。如果系統(tǒng)增加語音播放功能，還需外接語音芯片，對外圍電路來說，比較復(fù)雜，且其軟件實現(xiàn)也較麻煩。另外，51單片機需要用仿真器來實現(xiàn)軟硬件調(diào)試，較為繁瑣。 方案二：此方案采用spce061a單片機實現(xiàn)，此單片機內(nèi)置8路adc,2路dac,且集成開發(fā)環(huán)境中配有很多語音播放函數(shù)，用spce061a實現(xiàn)語音播放極為方便。spce061a有一路專用于語音信號采集的a/d轉(zhuǎn)換電路(mic輸入)，可以用來進(jìn)行語音識別、錄音等的語音信號輸入；spce061a有8路a/d，選其中1路進(jìn)行溫度采集，由按鍵控制溫度播

21、報并且該芯片內(nèi)置在線仿真、編程接口，可以方便實現(xiàn)在線調(diào)試，這大大加快了系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試4。2.3 系統(tǒng)總體框圖 本系統(tǒng)總體設(shè)計方案框圖如圖2.1所示，本系統(tǒng)有四大模塊組成：數(shù)據(jù)顯示模塊，語音播報模塊，信號采集模塊，鍵盤設(shè)置模塊。顯示模塊的主要作用是顯示設(shè)置溫度與測量溫度。語音模塊主要用作語音播放檢測溫度，并播報整數(shù)溫度變化。信號采集模塊是將電壓信號經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后，換算成溫度，用于播報和顯示。鍵盤設(shè)置模塊是用于設(shè)置溫度按鈕和播報開關(guān)。圖2.1 基于凌陽單片機的溫度檢測系統(tǒng)總體框圖第三章 硬件電路設(shè)計3.1 基于單片機的溫度采集系統(tǒng)3.1.1 采集系統(tǒng)簡介在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究的各行各業(yè)中，常常

22、利用pc或工控機對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集如液位、溫度、壓力、頻率等物理量?，F(xiàn)在常用的采集方式是通過數(shù)據(jù)采集板卡。采用板卡不僅安裝麻煩，易受機箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且受計算機插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設(shè)備。而單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的出現(xiàn)，很好地解決了以上這些沖突，很容易就能實現(xiàn)低成本、高可靠性、多點的數(shù)據(jù)采集。單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計算機在工業(yè)控制中最為普遍的應(yīng)用系統(tǒng)。它的任務(wù)是采集生產(chǎn)過程中的各種工況參數(shù)并經(jīng) a/d 轉(zhuǎn)換器送入單片機，單片機再對這些參數(shù)、數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、運算和處理，如數(shù)字濾波、工程量變換、儀表誤差修正、數(shù)字顯示、越界報警、打印等。如再配上輸出通道就可方便地組成計算機控制系統(tǒng)

23、。通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常是由傳感器（或變送器）、信號調(diào)理電路、多功能數(shù)據(jù)采集卡(通常集成有模擬多路開關(guān)、程控放大器、采樣/保持器、定時器、a/d轉(zhuǎn)換器及d/a轉(zhuǎn)換器)、計算機及外設(shè)等部分組成其中傳感器是將被測量為非電量轉(zhuǎn)換成電信號的信號轉(zhuǎn)換元件, 然而由于傳感器的電氣特性, 其所產(chǎn)生的電信號一般不可能直接輸人至pc, 必須進(jìn)行調(diào)理才能被數(shù)據(jù)采集設(shè)備精確、可靠地采集所謂信號調(diào)理就是將傳感器或變速器所輸出的電信號進(jìn)行放大、隔離、濾波等, 以便數(shù)據(jù)采集板實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集一般而言, 信號調(diào)理是基于pc機的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不可或缺的組成部分。3.1.2 溫度檢測電路如圖 3.1所示傳感器電路包括傳感器橋路和

24、放大電路兩部分，經(jīng)過兩級放大后輸出模擬電壓信號uo。直接將運放的輸出腳接spce061a的ad輸入通道an5（ioa4）。 3.1溫度檢測電路3.1.3 pt100熱電阻簡介傳感器采用鉑電阻pt100。鉑熱電阻的物理化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，它能用作工業(yè)測溫元件；且此元件線性較好，在0100之間變化時，最大非線性偏差小于0.5。鉑熱電阻與溫度關(guān)系為： （1）-200t0時，（2）0t850時，式中，a=0.00390802；b=-0.000000580；c=0.0000000000042735?？梢妏t100在常溫0100之間變化時線性度非常好，其阻值表達(dá)式可近似簡化為：rpt=10

25、0（1+at），當(dāng)溫度變化1，pt100阻值近似變化0.4歐。pt100溫度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下： 測量范圍：-200+850； 允許偏差值：a級（0.150.002t），b級（0.300.005t）； 熱響應(yīng)時間 30s； 最小置入深度：熱電阻的最小置入深度200mm； 允通電流 5ma。 另外，pt100溫度傳感器還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點。 如下表3.1所示為pt100的分度表（0100） 表3.1 pt100分度 0123456780100.0100.3100.7101.1101.5101.9102.3102.7103.110103.9104.2104.6105

26、.0105.4105.8106.2106.6107.020107.7108.1108.7108.9109.3109.7110.1110.5110.930111.6112.0112.4112.8113.2113.6114.9114.3114.740115.5115.9116.3116.7117.0117.4117.8118.2118.650119.4119.7120.1120.5120.9121.3121.7122.0122.460123.2123.6124.0124.3124.7125.1125.5125.9126.370127.0127.4127.8128.2128.6128.9129.31

27、29.7130.180130.8131.2131.6132.0132.4132.8133.1133.5133.990134.7135.0135.4135.8136.2136.6136.9137.3137.7100138.5138.8139.2139.6140.0140.3140.7141.1141.5測量電路采用電橋電路，電橋電路能夠很好的抑制溫度漂移影響，同時為了對電壓信號的波動也能起到很好的抑制，電橋供電采用三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管tl431，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的2.5v直流電壓基準(zhǔn)。為了使溫度變化時電橋輸出的信號盡可能大,選擇，這里取r2=100,r3=r4=150。同時為了避免流過pt100傳感器的電流過大使其發(fā)熱進(jìn)而導(dǎo)致非線性失真增大，電橋電流不宜太高，一般要求imvdac0，則保持原先設(shè)置為“1”的位(最高有效位)仍為“1”；否則，該位會被清“0”。接著，逐次逼近式控制又將下一位試設(shè)為“1”，其余低位依舊設(shè)為“0”，即1100000000b，vdac0與vin進(jìn)行比較的結(jié)果若vinvdac0，則仍保持原先設(shè)置位的值，否則便清“0”該位。這個逐次逼近的過程一直會延續(xù)到10位中的所有位都被測試之后，a/d轉(zhuǎn)換的結(jié)果保存在sar內(nèi)。 當(dāng)10位a/d轉(zhuǎn)換完成時，r