溫度測量系統(tǒng) 畢業(yè)論文.doc

溫度測量系統(tǒng)1.1 系統(tǒng)概要1.1.1 引言溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量。溫度的測量和控制在激光器、光纖光柵的使用及其他的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛。溫度檢測的傳統(tǒng)方法是使用諸如熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體pn結(jié)之類的模擬溫度傳感器。信號(hào)經(jīng)取樣、放大后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，再交自單片機(jī)處理。被測溫度信號(hào)從溫敏元件到單片機(jī)，經(jīng)過眾多器件，易受干擾、不易控制且精度不高。因此，本設(shè)計(jì)介紹了一種溫度傳感器選用lm35、單片機(jī)選用mc908gp32的溫度測量系統(tǒng)。它能通過與單片機(jī)，完成溫度采集和數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)的溫度測量范圍為099，可以精確到一位小數(shù)，可適用于工業(yè)場合及日常生活中6。1.1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析溫度傳感器電路信號(hào)放大電路a/d轉(zhuǎn)換電路單片機(jī)系統(tǒng)溫度顯示系統(tǒng)圖1 測溫系統(tǒng)的原理框圖本測溫系統(tǒng)由溫度傳感器電路、信號(hào)放大電路、ad轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)、溫度顯示系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。其基本工作原理：溫度傳感器電路將測量到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出到信號(hào)放大電路，與溫度值對應(yīng)的電壓信號(hào)經(jīng)放大后輸出至ad轉(zhuǎn)換電路，把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)顯示需要對數(shù)字量進(jìn)行處理，再送溫度顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示。如圖2所示2。1.2 硬件電路設(shè)計(jì)1.2.1 硬件電路圖1.2.2 溫度傳感器電路 溫度傳感器采用的是ns公司生產(chǎn)的lm35，它具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，它的輸出電壓與攝氏溫度線性成比例，且無需外部校準(zhǔn)或微調(diào)，可以提供14的常用的室溫精度。lm35的輸出電壓與攝氏溫度的線形關(guān)系可用下面公式表示，0時(shí)輸出為0 v，每升高1，輸出電壓增加10 mv。其電源供應(yīng)模式有單電源與正負(fù)雙電源兩種，其接法如圖3與圖4所示。正負(fù)雙電源的供電模式可提供負(fù)溫度的測量，單電源模式在25下電流約為50 ma，非常省電。本系統(tǒng)采用的是單電源模式。1.2.3 信號(hào)放大電路由于溫度傳感器lm35輸出的電壓范圍為00.99 v，雖然該電壓范圍在ad轉(zhuǎn)換器的輸入允許電壓范圍內(nèi)，但該電壓信號(hào)較弱，如果不進(jìn)行放大直接進(jìn)行ad轉(zhuǎn)換則會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量太小、精度低。系統(tǒng)中選用通用型放大器a741對lm35輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行幅度放大，還可對其進(jìn)行阻抗匹配、波形變換、噪聲抑制等處理。系統(tǒng)采取同相輸入，電壓放大倍數(shù)為5倍，電路圖如圖5所示5。1.2.4 a/d轉(zhuǎn)換模塊a/d轉(zhuǎn)換模塊（analog to digital convert module）,即模數(shù)轉(zhuǎn)換,是將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。1.2.4.1 進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換的基本問題: （1）采樣精度 數(shù)字量變化一個(gè)最小量時(shí)模擬信號(hào)的變化量,即采樣位數(shù)。 （2）采樣速率 完成一次a/d采樣所要花費(fèi)的時(shí)間。 （3）濾波 對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選去掉誤差較大的毛刺。 （4）物理量回歸 把a(bǔ)/d采樣值與實(shí)際物理量對應(yīng)起來。 1.2.4.2 a/d轉(zhuǎn)換模塊的基本編程方法（1）a/d轉(zhuǎn)換初始化 對adclk寫入控制字節(jié)，決定時(shí)鐘輸入源是內(nèi)部總線還是外部晶振，決定分頻系數(shù)等。 （2）啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換 對adscr寫入控制字節(jié)，選取要轉(zhuǎn)換的通道、決定轉(zhuǎn)換結(jié)束數(shù)據(jù)獲取的方式、設(shè)置是連續(xù)轉(zhuǎn)換還是一次轉(zhuǎn)換等。 （3）獲a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果 若是中斷方式，在a/d中斷程序中取得，若是查詢方式，通過adscr的第7位(coco位)取得，當(dāng)coco=1時(shí)可從adr中取數(shù)。 1.2.4.3 a/d芯片tcl2543概述（1）tlc2543的引腳說明圖 6 tlc2543引腳圖（2） tlc2543的編程要點(diǎn)，控制字的格式控制字為從data input端串行輸入tlc2543芯片內(nèi)部的8位數(shù)據(jù)，它告訴tlc2543要轉(zhuǎn)換的模擬量通道、轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)據(jù)長度、輸出數(shù)據(jù)的格式。 （3） tlc2543的內(nèi)部寄存器，輸入數(shù)據(jù)寄存器存放從data input端移入的控制字。輸出數(shù)據(jù)寄存器存放轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)，以供從data out端移出。轉(zhuǎn)換過程上電后，片選cs必須從高到低，才能開始一次工作周期，此時(shí)eoc為高，輸入數(shù)據(jù)寄存器被置0，輸出數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)容是隨機(jī)的。開始時(shí),片選cs為高,i/o clock、data input被禁止,data out呈高阻態(tài)，eoc為高。使cs變低，i/o clock、data input使能，data out脫離高阻態(tài)。12個(gè)時(shí)鐘信號(hào)從i/o clock端依次加入，控制字從data input一位一位地在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿時(shí)被送入tlc2543(高位先送入)，同時(shí)上一周期轉(zhuǎn)換的a/d數(shù)據(jù)，即輸出數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)從data out一位一位地移出。tlc2543收到第4個(gè)時(shí)鐘信號(hào)后，通道號(hào)也已收到，因此，此時(shí)tlc2543開始對選定通道的模擬量進(jìn)行采樣，并保持到第12個(gè)時(shí)鐘的下降沿。在第12個(gè)時(shí)鐘下降沿，eoc變低，開始對本次采樣的模擬量進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間約需10s,轉(zhuǎn)換完成eoc變高，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，待下一個(gè)工作周期輸出。此后，可以進(jìn)行新的工作周期。（4）tlc2543與mcu的接口方法，tlc2543與微處理器芯片的接口部分有五個(gè)引腳，分別是:時(shí)鐘輸入(i/o clock)、串行控制字輸入(data input)、片選輸入(cs)、a/d轉(zhuǎn)換串行數(shù)據(jù)輸出(data output) 、轉(zhuǎn)換結(jié)束電平輸出(eoc)。經(jīng)分析tlc2543的工作時(shí)序，可以通過軟件估計(jì)轉(zhuǎn)換結(jié)束，免去eoc接線。tlc2543與具有spi或相同接口能力的mcu可以直接連接，對于沒有spi接口的mcu可以通過軟件編程合成spi操作。擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)，spi模塊與tlc2543的接口擴(kuò)展。如下圖1。mc908gp32ptc0misomosispsck ptc1ptc2tlc2543(第0片)ain0 cs data out data input i/o clock ain10模擬量輸入tlc2543(第1片)ain0cs data out data input i/o clock ain10tlc2543(第2片)ain0cs data out data input i/oclock ain10圖 7 基于spi的a/d轉(zhuǎn)換擴(kuò)展電路1.2.5 單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)選用的是freescale公司的mc908gp32，主要完成對ad轉(zhuǎn)換電路的控制、對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的處理以及對顯示模塊的控制，并且為adc0809提供工作時(shí)鐘。其具體連接電路。如圖2所示。1.2.5.1 mc908gp32單片機(jī)性能概述mc908gp32有40腳、42腳、44腳三種封裝形式； mc908gp32的主要特點(diǎn)概述如下：（1）512b片內(nèi)ram；32k片內(nèi)flash程序存儲(chǔ)器，具有在線編程能力和保密功能（2）時(shí)鐘發(fā)生器模塊，具有32khz晶振pll電路,可產(chǎn)生各種工作頻率；8mhz內(nèi)部總線頻率 （3）系統(tǒng)保護(hù)特性：計(jì)算機(jī)工作正常(cop)復(fù)位；低電壓檢測復(fù)位，可選為3v或5v操作；非法指令碼檢測復(fù)位；非法地址檢測復(fù)位。 （4）優(yōu)化用于控制應(yīng)用；優(yōu)化支持c語言。（5）33根通用i/o腳，包括26根多功能i/o腳和5或7根專用i/o腳；pta、ptc和ptd的輸入口有可選擇的上拉電阻；ptc0ptc4有15ma吸流和放流能力，其他口有10ma吸流和放流能力 (總體驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)小于150ma)；所有口有最高5ma輸入電流保護(hù)功能 （6）增強(qiáng)型串行通訊口sci；串行外圍接口spi；兩個(gè)16位雙通道定時(shí)器接口模塊(tim1和tim2)，每個(gè)通道可選擇為輸入捕捉、輸出比較和pwm，其時(shí)鐘可分別選為內(nèi)部時(shí)鐘的1、2、4、8、6、32和64的分頻值；帶時(shí)鐘預(yù)分頻的定時(shí)基模塊有8種周期性實(shí)時(shí)中斷(1、4、16、256、512、1024、2048和4096hz)，可在stop方式時(shí)使用外部32khz晶振周期性喚醒cpu；8位鍵盤喚醒口。1.2.5.2 mc908gp32結(jié)構(gòu)框圖（44pin） 圖8 mc908gp32結(jié)構(gòu)圖1.2.5.3 gp32內(nèi)部有以下主要部分：存儲(chǔ)器 定時(shí)接口模塊 定時(shí)基模塊 看門狗模塊斷點(diǎn)模塊 串行通信接口sci 串行外設(shè)接口spi 并行i/o接口 a/d轉(zhuǎn)換模塊 鍵盤中斷模塊系統(tǒng)設(shè)置模塊 低電壓禁止模塊 cpu08 時(shí)鐘發(fā)生模塊及鎖相環(huán)電路 復(fù)位與中斷模塊 監(jiān)控模塊mon 1.2.5.4 gp32最小系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，但僅有一個(gè)mcu是無法工作的，它必須與以mc908gp32單片機(jī)為原型的hc08系列mcu的其他相應(yīng)的外圍電路一起，才能構(gòu)成一個(gè)最小系統(tǒng)。mc908gp32芯片(以40腳封裝為例)最小系統(tǒng)的外圍支撐電路包括電源與濾波電路、晶振電路和復(fù)位電路。1.2.5.5 mc908gp32最小系統(tǒng)電路圖 圖 9 mc908gp32最小系統(tǒng)電路圖1.2.5.6 mc908gp32cb核心板實(shí)物圖 mon08接口core1core2gp32最小系統(tǒng)core3core4電源開關(guān)晶振開關(guān)圖 10 mc908gp32cb核心板實(shí)物圖 1.2.6 溫度顯示系統(tǒng)該溫度顯示系統(tǒng)較為簡單，由可編程并行輸入輸出芯片8255a的a，b，c端口外接3個(gè)8段led顯示器來實(shí)現(xiàn)。mc908gp32的p2.6為8255提供片選信號(hào)，74ls373的q7，q6接8255的a1，a0，可得到8255的a，b，c及控制口的地址為bf3fh，bf7fh，bfbfh，bfffh。mc908gp32處理好的溫度數(shù)據(jù)輸出至8255，并由mc908gp32對8255編程控制其a，b，c端口輸出高電平或低電平，以便從8段led顯示器顯示實(shí)際溫度。8段led顯示器選用共陽極，8255的a，b，c端口與8段led顯示器之間接限流電阻，圖2中只畫出了pa口，pb，pc口的接法類似4。1.2.7 異步串行通信的格式sci通常采用nrz數(shù)據(jù)格式，即：standard non-return-zero mark/space data format，譯為：“標(biāo)準(zhǔn)不歸零傳號(hào)/空號(hào)數(shù)據(jù)格式”?！安粴w零”的最初含義是：用正、負(fù)電平表示二進(jìn)制值，不使用零電平。“mark/space”即“傳號(hào)/空號(hào)”分別是表示兩種狀態(tài)的物理名稱，邏輯名稱記為“1/0”。 1.2.7.1 rs-232c總線標(biāo)準(zhǔn)（1）mcu引腳一般輸入/輸出使用ttl電平，而ttl電平的“1”和“0”的特征電壓分別為2.4v和0.4v，適用于板內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸。為了使信號(hào)傳輸?shù)酶h(yuǎn)，美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)eia（electronic industry association） 制訂了串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)rs-232c。rs-232c采用負(fù)邏輯，-3v-15v為邏輯“1”，+3v+15v為邏輯“0”。rs-232c最大的傳輸距離是30m，通信速率一般低于20kbps。 （2）rs-232接口，簡稱“串口”，它主要用于連接具有同樣接口的室內(nèi)設(shè)備。目前幾乎所有計(jì)算機(jī)上的串行口都是9芯接口。下圖給出了9芯串行接口的排列位置，相應(yīng)引腳含義見下表3412356789圖 11 9芯串行接口排列圖表1 9芯串行接口引腳含義表引腳號(hào)功 能引腳號(hào)功 能12345接收線信號(hào)檢測(載波檢測dcd)接收數(shù)據(jù)線（rxd）發(fā)送數(shù)據(jù)線（txd）數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備就緒（dtr）信號(hào)地（sg）6789數(shù)據(jù)通信設(shè)備準(zhǔn)備就緒(dsr)請求發(fā)送（rts）清除發(fā)送振鈴指示1.2.7.2 sci的外圍硬件電路 具有sci接口的mcu，一般具有發(fā)送引腳(txd)與接收引腳(rxd)，不同公司或不同系列的mcu，使用的引腳縮寫名可能不一致，但含義相同。sci的外圍硬件電路，主要目的是將mcu的發(fā)送引腳txd與接收引腳rxd的ttl電平，通過rs-232電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為rs-232電平。下圖給出一個(gè)基本sci電平轉(zhuǎn)換電路max232cpe16 15 14 13 12 11 10 91 2 3 4 5 6 7 851232電平out in+5v+5vttl電平out inttl電平轉(zhuǎn)為232電平14 圖 12 基本sci電平轉(zhuǎn)換電路1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件部分用c語言編程，采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要由ad轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理模塊、溫度顯示模塊等3部分構(gòu)成，便于修改和維護(hù)。1.3.1 ad轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)測量系統(tǒng)要求不同以及單片機(jī)的忙閑程度，通?？刹捎?種軟件編程方式：程序查詢方式，延時(shí)方式和中斷方式。本系統(tǒng)采用延時(shí)方式。延時(shí)程序?qū)嶋H上是無條件傳送io方式，當(dāng)向ad轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動(dòng)命令后，即進(jìn)行軟件延時(shí)，延時(shí)時(shí)間稍大于進(jìn)行一次ad轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，之后打開ad轉(zhuǎn)換器的輸出緩沖器讀數(shù)即為轉(zhuǎn)換好的數(shù)字量。ad轉(zhuǎn)換時(shí)間為64個(gè)時(shí)鐘周期，因?yàn)橄到y(tǒng)中adc0809的工作時(shí)鐘為500 khz，故ad轉(zhuǎn)換時(shí)間為128 s，延時(shí)時(shí)間可大致選擇160s。程序段如下1：/adc.ha/d轉(zhuǎn)換頭文件-#include gp32c.h /gp32 mcu映像寄存器名定義#include type.h /類型別名定義#define cocobit 7void adcinit(void); /a/d轉(zhuǎn)換初始化 int8u adcvalue(int8u channel); /1路a/d轉(zhuǎn)換函數(shù)int8u adcmid(int8u channel); /1路a/d轉(zhuǎn)換函數(shù)(中值濾波) int8u adcave(int8u channel, int8u n); /1路a/d轉(zhuǎn)換函數(shù)(均值濾波)/adc.ca/d轉(zhuǎn)換-*/硬件連接: / ptb0/ad0 接模擬量輸入端 /-*#include adc.h/adcinit:a/d轉(zhuǎn)換初始化-*/功能:設(shè)置a/d轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率為1mhz /-*void adcinit(void) adclk = 0b00110000; /|_不用 /|_選擇內(nèi)部總線時(shí)鐘 /|_分頻系數(shù)為2 /adcave:1路a/d轉(zhuǎn)換函數(shù)(均值濾波)-*/功能:通道channel進(jìn)行n次中值濾波,求和再作均值,得出均值濾波結(jié)果 /-*int8u adcave(int8u channel, int8u n) int8u i; int16u j; j = 0; for (i = 0; i j) tmp = i; i = j; j = tmp; if (k i) if (k j) tmp = j; else tmp = k; else tmp = i; return tmp;/adcvalue:1路a/d轉(zhuǎn)換函數(shù)-*/功能:獲取通道channel的a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果 /-*int8u adcvalue(int8u channel) int8u tmp; /1. 選取通道號(hào)adch4-adch0 = 00000-00111:ad0引腳 ad7引腳 channel &= 0b00011111; /取通道號(hào)變量的低五位(實(shí)際通道號(hào)) tmp = adscr & 0b11100000; /取adscr的高三位(取上電復(fù)位默認(rèn)值000) adscr = tmp | channel; /合并上述8位 /2. 取a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果 while (adscr & (1cocobit) = 0); return adr;/總頭文件#include includes.h/主程序void main(void) disablemcuint(); /禁止總中斷 /1. 芯片初始化 mcuinit(); /2. 模塊初始化 sciinit(); /(1) 串行口初始化 adcinit(); /(2) a/d轉(zhuǎn)換初始化 while (1) /在通道0做a/d轉(zhuǎn)換,200次中值濾波,串口發(fā)送均值濾波結(jié)果 scisend1(adcave(0, 200); 注：為了使采樣數(shù)據(jù)更穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)還采用了采樣平均值的方法以消除干擾。 1.3.2 單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理模塊1.3.2.1 內(nèi)部數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過tlc2543轉(zhuǎn)換的數(shù)字量是與實(shí)際溫度成正比的數(shù)字量，但系統(tǒng)最后顯示的是實(shí)際溫度值，因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理再通過8255輸出到led顯示。設(shè)所測溫度值為t，ad轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為x，則有：vout=0.01 vtvout為lm35的輸出電壓，即運(yùn)放a741的輸入電壓，a741的輸出電壓用v1表示。因?yàn)閍741的放大倍數(shù)為5，則有：v1=5vout=0.05t根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置，溫度傳感器輸出電壓05 v對應(yīng)于轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量0255，則有： 0.05t5=x255可以近似寫為： 0.05t5=x256這樣除以256可通過把被除數(shù)右移8位來實(shí)現(xiàn)。由此可以得出x和t的關(guān)系：t=100x2561.3.2.2 串口子程序/sci.h串行通信頭文件- #include gp32c.h /gp32 mcu映像寄存器名定義#include type.h /類型別名定義#define resendstatusr scs1 /sci狀態(tài)寄存器#define retestbit 5 /接收緩沖區(qū)滿標(biāo)志位#define sendtestbit 7 /發(fā)送緩沖區(qū)空標(biāo)志位#define resenddatar scdr /數(shù)據(jù)寄存器void sciinit(void); /串行口初始化void scisend1(int8u o); /發(fā)送1字節(jié)void scisendn(int8u n, int8u ch); /發(fā)送n字節(jié)int8u scire1(int8u *p); /接收1字節(jié)int8u sciren(int8u n, int8u ch); /接收n字節(jié)_串行通信驅(qū)動(dòng)文件包括sci初始化、接收1字節(jié)、發(fā)送1字節(jié)、接收n字節(jié)和發(fā)送n字節(jié)函數(shù)。讀者可以直接使用這些函數(shù)進(jìn)行mcu的串行通信編程。/sci.c串行通信-*/硬件連接: / mcu的串口與pc方的串口相連 /-*#include sci.h/sciinit:串行口初始化-*/功能:對串行口進(jìn)行初始化,默認(rèn)為允許sci,正常碼輸出,8位數(shù) * 據(jù),無校驗(yàn), */允許發(fā)送器,允許接收器.查詢方式收發(fā),波特率為9600(設(shè)fbus * = 2.4576mhz) */-*void sciinit(void) /1.總線頻率fbus = 2.4576mhz,定義波特率bt = 9600 scbr = 0b00000010; /2.設(shè)置允許sci,正常碼輸出,8位數(shù)據(jù),無校驗(yàn) scc1 = 0b01000000; /3.設(shè)置允許發(fā)送,允許接收,查詢方式收發(fā) scc2 = 0b00001100;/scisend1:串行發(fā)送1個(gè)字節(jié)-*/功能:串行發(fā)送1個(gè)字節(jié) */-*void scisend1(int8u o) /判斷restatusr的第sendtestbit位是否為1,是1可以發(fā)送 while (1) if (resendstatusr & (1sendtestbit) != 0) resenddatar = o; break; /scisendn:串行發(fā)送n個(gè)字節(jié)-*/功能:發(fā)送數(shù)組中的n個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù) */-*void scisendn(int8u n, int8u ch) int i; for(i=0; in; i+) scisend1(chi);/scire1:串行收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)-*/功能:從串行口接收1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù) /-*int8u scire1(int8u *p) int16u k; int8u i; /restatusr第retestbit位為1表示可接收數(shù)據(jù) for(k=0; k 0xfbbb; k+) if