嵌入式系統(tǒng) 溫度傳感器

1、安徽工程大學課程設計說明書課程設計名稱：嵌入式系統(tǒng)課程設計題目：基于ARM的溫度采集系統(tǒng)指導教師：鮑廣喜專業(yè)班級：計算機102學生姓名：劉斌學號：3090701206起止日期：2013.12.10-2013.12.25成績：設計任務書設計題目：基于ARM的溫度采集系統(tǒng)設計的主要內容：設計嵌入式技術作為主處理器的溫度采集系統(tǒng)，利用S3C44B0x ARM微處理器作為主控CPU，輔以單獨的數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能化的溫度數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理與顯示等功能，并討論如何提高系統(tǒng)的速度、可靠性和可擴展性。設計步驟和基本要求：1. 設計實驗電路（要求利用實驗儀的硬件資源）2. 分析實驗原理3. 列出實

2、驗接線表4. 采用匯編語言編寫實驗程序5. 通過實驗驗證功能的實現(xiàn)6. 編寫課程設計說明書 摘要近年來，隨著計算機技術、電子技術等技術的發(fā)展，如何對數(shù)據(jù)進行采集和處理顯得越發(fā)重要，數(shù)據(jù)采集的速度和精度是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展的兩個主要方向。單片機、ARM、DSP 等各種微處理器的廣泛應用，為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一個有效的平臺。對信號進行高速和高精度的采集以及對采集數(shù)據(jù)處理的研究和設計是本課題的主要任務。本設計是基于嵌入式技術作為主處理器的溫度采集系統(tǒng)，利用S3C44B0x ARM微處理器作為主控CPU，輔以單獨的數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了智能化的溫度數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理與顯示等功能，并討論

3、了如何提高系統(tǒng)的速度、可靠性和可擴展性。并解決了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于存在響應慢、精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，能夠完全適應現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展。關鍵詞：嵌入式系統(tǒng) ARM S3C44B0 溫度采集 數(shù)據(jù)處理一、緒論1.1設計目的（1） 了解所選擇的ARM芯片各個引腳功能，工作方式，計數(shù)/定時，I/O口，中斷等的相關原理，并鞏固學習嵌入式的相關內容知識。（2） 通過軟硬件設計實現(xiàn)利用ARM芯片對周圍環(huán)境溫度信號的采集及顯示。1.2設計背景嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，且軟硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由以下

4、幾部分組成：嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產品、面向應用的，它必須與具體應用相結合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。因此嵌入式系統(tǒng)是與應用緊密結合的，它具有很強的專用性，必須結合實際系統(tǒng)需求進行合理的裁減利用。嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術和各個行業(yè)的具體應用相結合后的產物，這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以，如果能建立相對通用的軟硬件基礎，然后在其上開發(fā)出適應各種需要的系統(tǒng)，是一個比較好的發(fā)展模

5、式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個只有幾K到幾十K微內核，需要根據(jù)實際的使用進行功能擴展或者裁減，但是由于微內核的存在，使得這種擴展能夠非常順利的進行。數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集非電量或者電量信號，送到上位機中進行分析，處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。被采集數(shù)據(jù)是已被轉換為電訊號的各種物理量，如溫度、水位、風速、壓力等，可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。采集一般是采樣方式，即隔一定時間（稱采樣周期）對同一點數(shù)據(jù)重復采集。采集的數(shù)據(jù)大多是瞬時值，也可是某段時間內的一個特征值。

6、準確的數(shù)據(jù)量測是數(shù)據(jù)采集的基礎。數(shù)據(jù)量測方法有接觸式和非接觸式，檢測元件多種多樣。不論哪種方法和元件，均以不影響被測對象狀態(tài)和測量環(huán)境為前提，以保證數(shù)據(jù)的正確性。傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)由于存在響應慢、精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，已經(jīng)不能完全適應現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展。隨著嵌入式技術的迅猛發(fā)展，設計高速度、高效率、低成本、高可靠性、操作方便的溫度采集系統(tǒng)成為當務之急?；贏RM的溫度采集系統(tǒng)就成為了解決傳統(tǒng)溫度采集系統(tǒng)各種弊端的優(yōu)先選擇方案。二、設計方案2.1設計要求（1）查閱相關文獻資料，熟悉所選ARM芯片及溫度傳感器（2）總體設計方案規(guī)劃（3）系統(tǒng)硬件設計，熟悉AD轉換原理及過程，溫

7、度傳感器與ARM芯片的硬件接口實現(xiàn)及溫度顯示。（4）系統(tǒng)軟件設計，包括溫度的AD轉換及顯示的軟件實現(xiàn)，用匯編語言編程（5）設計心得體會及總結2.2方案論證有許多客觀需求促進了ARM處理器的設計改進。首先，便攜式的嵌入式系統(tǒng)往往需要電池供電。為降低功耗，ARM處理器已被特殊設計成較小的核，從而延長了電池的使用時間。 高的代碼密度是嵌入式系統(tǒng)的又一個重要需求。由于成本問題和物理尺寸的限制，嵌入式系統(tǒng)的存儲器是很有限的。所以，高的代碼密度對于那些只限于在板存儲器的應用是非常有幫助的。另外，嵌入式系統(tǒng)通常都是價格敏感的，因此一般都使用速度不高、成本較低的存儲器。 ARM 內核不是一個純粹的RISC體系

8、結構，這是為了使它能夠更好的適應其主要應用領域嵌入式系統(tǒng)。在某種意義上，甚至可以認為ARM 內核的成功，正是因為它沒有在RISC的概念上沉入太深?，F(xiàn)在系統(tǒng)的關鍵并不在于單純的處理器速度，而在于有效的系統(tǒng)性能和功耗。在本系統(tǒng)的設計過程中，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的基本設計思想，系統(tǒng)采用了模塊化的設計方法，并且根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和技術指標，系統(tǒng)遵循自上而下、由大到小、由粗到細的設計思想，按照系統(tǒng)的功能層次，在設計中把硬件和軟件分成若干功能模塊分別設計和調試，然后全部連接起來統(tǒng)調。三、硬件設計3.1設計思路本設計的基于ARM 的嵌入式數(shù)據(jù)采集和顯示裝置的原理框圖如圖3-1 所示。由圖可見，本系統(tǒng)采用“電源部分

9、ARM 核心控制模塊溫度采集模塊”實現(xiàn)所需功能。并考慮到系統(tǒng)的可擴展性和延伸性，本系統(tǒng)采用主從CPU協(xié)同工作，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸與顯示，具有處理速度快、精度高、人機交互界面友好、穩(wěn)定性高、擴展性好等優(yōu)點。本設計的基于ARM 的嵌入式數(shù)據(jù)采集和顯示裝置的原理框圖如圖3-1 所示。由圖可見，本系統(tǒng)采用“電源部分ARM 核心控制模塊溫度采集模塊”實現(xiàn)所需功能。ARM處理器LCD顯示器鍵 盤RS-232協(xié)控制器多路溫度傳感器ARM核心控制模塊溫度采集模塊電源電路電源部分Flash ROM存儲器SD RAM存儲器圖3-1  系統(tǒng)原理框圖3.2系統(tǒng)電路設計3.2.1 電源電路設計本系統(tǒng)的

10、電源電路由兩部分組成：系統(tǒng)總電源電路和RAM核心模塊電源電路。如圖3-2：+12V恒定直流電源經(jīng)電容濾波，分別進入7809和7805穩(wěn)壓，得到+9V和+5V的穩(wěn)定電壓輸出后分別供給ARM核心控制模塊和其余電路部分使用。圖中IN4148是為了防止輸出端并接高于本穩(wěn)壓模塊的輸出電壓而燒壞7809和7805而特別設計，達到了可靠性電源設計目的。另外，由于系統(tǒng)正常工作電流較大，因此使用時均應在7809和7805上加散熱片散熱。 由圖可見，系統(tǒng)采用雙電源供電，提供了系統(tǒng)正常工作所需的電源電壓。另外，由于考慮到便攜目的，本系統(tǒng)采用+12V鉛蓄電池提供系統(tǒng)所需的恒定直流電源。圖3-2  系統(tǒng)電源電

11、路原理圖如圖3-2：I/O 口提供了相應的穩(wěn)定直流電源。其中的IN4004是為了防止電源輸入反接燒壞集成穩(wěn)壓塊而設計的。由于S3C44B0x采用2.5V作為ARM 內核電源，使用3.3V作為I/O 口電壓，故ARM核心控制模塊電源需要另外單獨設計，其電源電路如圖3-2所示。由系統(tǒng)總電源電路提供的+9V穩(wěn)壓電源作為輸入，分別經(jīng)AS1117-5.0、AS1117-3.3、 AS1117-2.5穩(wěn)壓后，輸出5.0V、3.3V和2.5V恒定電源，為RAM 內核和I/O口提供了相應的穩(wěn)定直流電源 。其中的IN4004是為了防止電源輸入反接燒壞集成穩(wěn)壓塊而設計的。3.2.2溫度采集電路設計溫度采集模塊電路

12、采用AT89S52單片機作為模塊的協(xié)控制器。對于溫度傳感器的選用DS18B20，因為DS18B20是Dallas公司最新單總線數(shù)字溫度傳感器，該傳感器集溫度變換、A/D轉換于同一芯片，輸出直接為數(shù)字信號，大大提高了電路的效率。由于現(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，且提高了CPU的效率。AT89S52單片機的P0 口與8路溫度傳感器相連，用于采集溫度數(shù)據(jù)；另外，模塊提供RS-232串行口與RAM核心控制模塊通信，達到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。溫度采集模塊電路原理圖如圖3-3。圖3-3  溫度采集電路原理圖四、軟件設計4.1設計思路本系統(tǒng)軟件設計是在CodeWar

13、rior for ADS開發(fā)環(huán)境下完成的。本溫度數(shù)據(jù)采集與顯示裝置的主體由S3C44B0x核心控制模塊和溫度數(shù)據(jù)采集模塊構成，所以系統(tǒng)軟件也是圍繞這兩個模塊來編寫的。而又由于系統(tǒng)采用了S3C44Box和AT89S52兩個CPU協(xié)同工作，所以軟件的編寫需要對這兩個CPU分別編寫，以實現(xiàn)所要求的功能。程序流程圖如圖4-1。開始ARM初始化硬件裝置初始化通信初始化LED顯示初始化鍵盤初始化掃描鍵盤有鍵按下處理數(shù)值相應顯示數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)顯示YN圖4-1程序流程圖由該流程圖可看出，剛上電時，S3C44B0x要先進行ARM 內部的初始化，以使ARM進入相應的狀態(tài)和模式；然后初始化硬件裝置，以使硬件系

14、統(tǒng)可以正常支持溫度數(shù)據(jù)采集；接著通信初始化，以確定溫度采集模塊與ARM核心控制模塊連接正常，并通過UART復位溫度數(shù)據(jù)采集模塊，確保其進入正常溫度數(shù)據(jù)采集狀態(tài)；然后初始化LCD顯示和鍵盤，在LCD上顯示相應的菜單列表，供用戶通過鍵盤選擇操作；至此，系統(tǒng)初始化完成，并進入正常主程序循環(huán)狀態(tài)。在正常主程序循環(huán)狀態(tài)中，首先掃描鍵盤，以快速的響應用戶的按鍵操作；若沒有鍵值按下，則ARM立即進行數(shù)據(jù)的采集、處理與顯示，以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集與顯示等功能。 其主程序包括溫度采集程序、ARM獲取溫度子程序、溫度處理和轉換子程序。當ARM 處理器接收到正確的溫度數(shù)據(jù)后，立即進行相應的溫度數(shù)據(jù)處理與轉換，變成可被L

15、CD直接顯示的正確溫度值。在設置通道初值、通道數(shù)、采樣次數(shù)和存放數(shù)據(jù)的開始地址后，啟動A/D轉換，隨后檢測標志位狀態(tài)。標志位被清零，標志著本通道的A/D轉換已經(jīng)結束，在修改通道號和數(shù)據(jù)存放地址后，對下一通道繼續(xù)檢測。當8個通道的檢測工作完成后，判斷5次采樣是否全部完成，若沒完成，則對8個通道繼續(xù)采樣，直至完成5次采樣工作。數(shù)據(jù)采樣程序流程框圖如圖所示。定時器中斷流程框圖5.2 LED顯示程序設計 LED顯示程序的設計：  動態(tài)顯示程序流程圖如圖所示 五、心得體會在這次ARM嵌入式系統(tǒng)課程設計中，我對ARM嵌入式系統(tǒng)尤其是數(shù)據(jù)處理中的溫度采集系統(tǒng)

16、有了更進一步的了解，同時知識面也進一步得到了擴展和加深。本次課程設計的任務主要是對基于傳統(tǒng)溫度采集系統(tǒng)的使用環(huán)節(jié)中遇到的一些問題提出的一種改進方法，有助于溫度采集系統(tǒng)更好的發(fā)展與使用，幫助我們更好的理解嵌入式系統(tǒng)和溫度采集系統(tǒng)的原理和應用。溫度采集是一種直接數(shù)字處理方法。所謂溫度采集系統(tǒng)，就是通過溫度傳感器對被采集物體進行溫度數(shù)據(jù)的收集與處理，最后得到所需要的有用的數(shù)字信號并送入系統(tǒng)的下一環(huán)節(jié)進行其他操作。目前，由于傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)存在響應慢、精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，已經(jīng)不能完全適應現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展。隨著嵌入式技術的迅猛發(fā)展，設計高速度、高效率、低成本、高可靠性、操作方

17、便的溫度采集系統(tǒng)成為當務之急。所以，學習和應用溫度采集系統(tǒng)及其應用技術對我們以后的學習和工作有著十分重要的意義。通過本次課程設計，讓我很好的鍛煉了理論聯(lián)系實際，與具體項目、課題相結合開發(fā)、設計產品的能力。既讓我懂得了怎樣將理論應用于實際，又讓我懂得了在實踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。在設計過程中，總是會遇到這樣或那樣的問題。有時一個問題可能會需要去查閱資料，做大量的工作，花大量的時間才能解決。通過不斷地發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，我的發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力便在其中建立起來了。這都為以后的工作積累了經(jīng)驗，同時也增強了我解決問題的能力參考文獻1 周立功，ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程M. 北京：北京航空航天大學出版社 20082 周立功，深入淺出ARM7-LPC213X/214XM. 北京：北京航空航天大學出版社20063 周立功，從51到ARM-32位嵌入式系統(tǒng)入門M. 北京：北京航空航天大學出版社20064 王田苗，嵌入式系統(tǒng)設計與實例開發(fā)M. 北京:清華大學出