基于凌阳单片机的温度检测系统设计

1、基于凌阳单片机的温度检测系统设计摘要温度是工业生产和生活中最基本的参数之一，在日常生活和工业控制过程中，经常需要进行对温度的测量，并对温度的结果进行分析，以做出相应的处理，这对于提高生产效率和生活质量等都有重要的作用。本设计采用pt100为温度传感器，单片机spce061a为硬件核心元件，设计了一种具有温度初值设定、温度语音播报、温度显示、手动复位、自动修正误差等功能的新型温度检测系统。该系统结构简单、体积小、成本低、现场适应能力强、检测准确、可靠性高。本设计主要完成了温度检测总体方案的设计；完成了系统的主控硬件流程图；完成了由电桥和差分放大电路组成的传感器电路；完成了单片机的最小系统电路、音

2、频输出电路；完成了系统主程序的软件设计及系统初始化、a/d转换和语音处理等子程序的软件设计。关键字：凌阳单片机；pt100；语音播放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 录摘要

7、iabstractii第一章 绪论11.1 引言11.2 国内外温度检测技术概述21.2.1 温度检测技术简介21.2.2 温度检测技术的发展31.3 本设计的主要内容4第二章 总体方案设计52.1 温度传感器设计方案选择52.2 单片机选择52.3 系统总体框图6第三章 硬件电路设计73.1 基于单片机的温度采集系统73.1.1 采集系统简介73.1.2 温度检测电路73.1.3 pt100热电阻简介83.1.4 差分放大电路93.2 spce061a电路103.2.1 spce061a芯片简介103.2.2 系统时钟133.2.3 锁相环pll (phase lock loop)振荡器14

8、3.2.4 cpu实时钟143.2.5 时间基准信号143.2.6 spce061a最小系统153.2.7 cpu复位电路153.3 音频输出电路163.3.1 语音背景介绍163.3.2 spy0030简介183.3.3 音频放大电路183.4 键盘电路193.5 led显示电路203.5.1 数码管简介203.5.2 显示电路223.6 电源电路22第四章 软件设计244.1 软件结构244.2 主程序流程图244.3 a/d转换实现264.3.1 a/d输入接口的结构264.3.2 a/d 采样处理274.4 显示流程图284.4.1 显示部分流程图284.4.2 irq6_tmb2中断

9、304.5 键盘设置流程图304.6 语音程序314.6.1 语音播放过程314.6.2 语音程序流程图324.6.3 语音中断流程图33第五章 抗干扰分析和系统调试355.1 抗干扰分析355.1.1 系统干扰的基本分析355.1.2 干扰源及其一般分类355.1.3 抗干扰措施365.2 系统调试385.2.1 调试环境385.2.2 调试方法39第六章 总结40参考文献41附录a 硬件原理图42附录b 源程序43致 谢66 第一章 绪论1.1 引言测量是人们认识自然界的一种科学方法。通过各种测量，人们能够从数量上来描述周围的物质世界，揭示自然界存在的规律，推动科学技术的不断前进。计量学就

10、是研究保证测量统一的理论问题和实际问题的学科，也就是研究提高测量准确度和保证量值统一性的一门学科。随着社会经济的发展，特别是商品生产的协作规模和商品交换范围的扩大，商品生产已不局限于一个国家，一个地区，而是跨地区、跨国家。现代科学技术的发展已扩大到综合性、多学科。计量工作在国民经济建设中占有十分重要的地位，它同经济建设、国防建设、科学研究和人民生活都有密切关系。加强计量管理、保证国家计量制度的统一和计量器具的一致、保证计量器具的准确度并正确使用它，这对于提高产品质量、保证零部件的互换性、改进工艺、实现标准化、系列化、自动化；对于保障安全生产、提高劳动效率、降低原材料消耗；对于工业生产自动化、实

11、现科学种田和农业机械化、提高科学研究水平、进行国内外贸易都具有十分重要的作用。温度计量学或称计温学是计量学的一个重要分支，它在国民经济各领域中占有一定的地位。人们的日常生活、工农业生产和科学实验等许多方面都与温度测量有着十分密切的关系。温度作为一个重要的物理量，是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一。随着时代的进步、社会的发展、科学技术的不断更新，温度的测量范围要求不断扩大，同时温度的测量准确性要求不断提高。对温度测量的要求也越来越高，而且测量范围也越来越大，对温度的检测技术的要求也越来越高。因此，温度检测和温度检测技术的研究也是一个重要的研究课题。1.2 国内外温度检测技术概述1.2.

12、1 温度检测技术简介随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的方法种类繁多，应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法：利用物体热胀冷缩原理制成的温度计；利用热电效应技术制成的温度检测元件，利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点；利用热阻效应技术制成的温度计；利用热辐射原理制成的高温计热辐射高温计通常分为两种。一种是单色辐射高温计，一般称光学高温计；另一种是全辐射高温计，它的原理是物体受热辐射后，视物体本身的性质，能将其吸收、透过或反射。而受

13、热物体放出的辐射能的多少，与它的温度有一定的关系。热辐射式高温计就是根据这种热辐射原理制成的；利用声学原理进行温度测量；利用红外原理进行温度检测1。近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用，已经取得了重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化。晶体管温度检测元件半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。半导体的电阻温度系数比金属大12个数量级，二级管和三极管的pn结电压、电容对温度灵敏度很高。基于上述测温原理已研制了各种温度检测元件。集成电路温度检测元件利用硅晶体管基极一发射极间电压与温度关系（即半导体pn结的温度特性）进行温度检测，并把测温、激励、信号处理电路和

14、放大电路集成一体，封装于小型管壳内，即构成了集成电路温度检测元件。核磁共振温度检测器所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时，当与静磁场垂直方向加以电磁波，会发生对某频率电磁的吸收现象。利用共振吸收频率随温度上升而减少的原理研制成的温度检测器，称为核磁共振温度检测器。这种检测器精度极高，可以测量出千分之一开尔文，而且输出的频率信号适于数字化运算处理，故是一种性能十分良好的温度检测器。在常温下，可作理想的标准温度计之用。.热噪声温度检测器它的原理是利用热电阻元件产生的噪声电压与温度的相关性。其特点是：输出噪声电压大小与温度是比例关系，不受压力影响，感温元件的阻值几乎不影响测量精确度，所

15、以它是可以直接读出绝对温度值而不受材料和环境条件限制的温度检测器。光纤温度检测器光纤温度检测器是目前光纤传感器中发展较快的一种，已开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种。它是利用双折射光纤的传输光信号滞后量随温度变化的原理制成的双折射光纤温度检测器，检测精度在1以内，测温范围可以从绝对0到2000。激光温度检测器，激光测温特别适于远程测量和特殊环境下的温度测量，用氮氖激光源的激光作反射计可测得很高的温度，精度达1；用激光干涉和散射原理制作的温度检测器可测量更高的温度，上限可达3000，专门用于核聚变研究，但在工业上应用还需进一步开发和实验。1.2.2 温度检测技术的发展生产

16、管理一体化、网络化是当今工业自动化控制领域的大趋势，要实现这些功能，必须借助于工业计算机、现场网络及开放的工业数据库。利用先进技术手段监测各种复杂生产环境的被控参数（如温度、流量及压力等），使生产和管理一体化，可以有效地提高生产和管理的自动化水平。温度追踪测量（也可以称作是温度分布测定技术）是一种利用微机来实现数据采集、数据通讯传输和数据分析处理的一门新技术，是在生产过程中记录和说明热加工产品与空气温度关系的技术，追踪测量得到的数据被显示为图表或数字。这个过程最简单的形式就是它可以告诉生产者所生产的产品的温度、保持这个温度有多长时间以及在什么时间达到了什么温度。通过分析数据，生产人员可以保证产

17、品达到最好的质量、解决产品存在问题、优化生产工艺路线及节约能耗。无论是在电子产品的生产、食品加工、其它工业生产，还是在医疗器械生产方面，在生产过程中温度是重要的控制指标，温度检测（也称追踪）技术就具有非常广阔的应用前景2。1.3 本设计的主要内容（1）分析市场对温度检测系统的功能要求，概括系统总体方案设计。（2）系统硬件设计，完成系统微处理器的选用，温度传感器的选用，检测电路的选用，三极管驱动led显示的选用，并用protel99se画出原理图（sch图）。（3）系统软件设计，确定系统检测算法，制定软件程序流程图，并根据软件程序流程图，选用合适的编程语言编写源程序，进而进行软件程序调试以及程序

18、优化，最终实现软件运行。（4）对设计系统抗干扰分析以及软硬件调试，并进行整机功能演示。（5）根据设计过程与现象，分析和概括设计结论。 第二章 总体方案设计2.1 温度传感器设计方案选择方案一：采用热敏电阻，可满足4090测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测小于1的信号是不适用的。方案二：采用温度传感器ds18b20，最新单线数字温度传感器ds18b20是一线器件，其体积小、适用电压宽、该数字化温度传感器ds18b20是世界上第一片支持一线总线接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。测量温度范围为 -55+125，

19、在-10+85范围内,精度为0.5。ds18b20的精度偏差为2 。现场温度直接以一线总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，由于ds18b20的测量范围比较小，运行需要自己的驱动程序，编程难的特点本系统没有采用3。方案三：采用温度传感器铂电阻（pt100）。铂电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定,它能用作工业测温元件,且此元件线性较好。在0100时，最大非线性偏差小于0.5。铂电阻与温度关系是；其中rt是温度为t时的电阻；r0是温度为0时的电阻；t为任意温度值，a、b为温度系数。2.2 单片机选择方案一：此方案可采用at89c51单片机实现，单片机

20、软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。但是at89c51需外接模数转换器来满足数据采样。如果系统增加语音播放功能，还需外接语音芯片，对外围电路来说，比较复杂，且其软件实现也较麻烦。另外，51单片机需要用仿真器来实现软硬件调试，较为繁琐。 方案二：此方案采用spce061a单片机实现，此单片机内置8路adc,2路dac,且集成开发环境中配有很多语音播放函数，用spce061a实现语音播放极为方便。spce061a有一路专用于语音信号采集的a/d转换电路(mic输入)，可以用来进行语音识别、录音等的语音信号输入；spce061a有8路a/d，选其中1路进行温度采集，由按键控制温度播

21、报并且该芯片内置在线仿真、编程接口，可以方便实现在线调试，这大大加快了系统的开发与调试4。2.3 系统总体框图 本系统总体设计方案框图如图2.1所示，本系统有四大模块组成：数据显示模块，语音播报模块，信号采集模块，键盘设置模块。显示模块的主要作用是显示设置温度与测量温度。语音模块主要用作语音播放检测温度，并播报整数温度变化。信号采集模块是将电压信号经a/d转换后，换算成温度，用于播报和显示。键盘设置模块是用于设置温度按钮和播报开关。图2.1 基于凌阳单片机的温度检测系统总体框图第三章 硬件电路设计3.1 基于单片机的温度采集系统3.1.1 采集系统简介在工业生产和科学技术研究的各行各业中，常常

22、利用pc或工控机对各种数据进行采集如液位、温度、压力、频率等物理量。现在常用的采集方式是通过数据采集板卡。采用板卡不仅安装麻烦，易受机箱内环境的干扰，而且受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，不可能挂接很多设备。而单片机数据采集系统的出现，很好地解决了以上这些冲突，很容易就能实现低成本、高可靠性、多点的数据采集。单片机数据采集系统是计算机在工业控制中最为普遍的应用系统。它的任务是采集生产过程中的各种工况参数并经 a/d 转换器送入单片机，单片机再对这些参数、数据进行分析、运算和处理，如数字滤波、工程量变换、仪表误差修正、数字显示、越界报警、打印等。如再配上输出通道就可方便地组成计算机控制系统

23、。通用数据采集系统通常是由传感器（或变送器）、信号调理电路、多功能数据采集卡(通常集成有模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、定时器、a/d转换器及d/a转换器)、计算机及外设等部分组成其中传感器是将被测量为非电量转换成电信号的信号转换元件, 然而由于传感器的电气特性, 其所产生的电信号一般不可能直接输人至pc, 必须进行调理才能被数据采集设备精确、可靠地采集所谓信号调理就是将传感器或变速器所输出的电信号进行放大、隔离、滤波等, 以便数据采集板实现数据的采集一般而言, 信号调理是基于pc机的通用数据采集系统不可或缺的组成部分。3.1.2 温度检测电路如图 3.1所示传感器电路包括传感器桥路和

24、放大电路两部分，经过两级放大后输出模拟电压信号uo。直接将运放的输出脚接spce061a的ad输入通道an5（ioa4）。 3.1温度检测电路3.1.3 pt100热电阻简介传感器采用铂电阻pt100。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件；且此元件线性较好，在0100之间变化时，最大非线性偏差小于0.5。铂热电阻与温度关系为： （1）-200t0时，（2）0t850时，式中，a=0.00390802；b=-0.000000580；c=0.0000000000042735。可见pt100在常温0100之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：rpt=10

25、0（1+at），当温度变化1，pt100阻值近似变化0.4欧。pt100温度传感器的主要技术参数如下： 测量范围：-200+850； 允许偏差值：a级（0.150.002t），b级（0.300.005t）； 热响应时间 30s； 最小置入深度：热电阻的最小置入深度200mm； 允通电流 5ma。 另外，pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。 如下表3.1所示为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测量电路采用电桥电路，电桥电路能够很好的抑制温度漂移影响，同时为了对电压信号的波动也能起到很好的抑制，电桥供电采用三端可编程并联稳压二极管tl431，能够产生稳定的2.5v直流电压基准。为了使温度变化时电桥输出的信号尽可能大,选择，这里取r2=100,r3=r4=150。同时为了避免流过pt100传感器的电流过大使其发热进而导致非线性失真增大，电桥电流不宜太高，一般要求imvdac0，则保持原先设置为“1”的位(最高有效位)仍为“1”；否则，该位会被清“0”。接着，逐次逼近式控制又将下一位试设为“1”，其余低位依旧设为“0”，即1100000000b，vdac0与vin进行比较的结果若vinvdac0，则仍保持原先设置位的值，否则便清“0”该位。这个逐次逼近的过程一直会延续到10位中的所有位都被测试之后，a/d转换的结果保存在sar内。 当10位a/d转换完成时，r