毕业设计(论文)-单片机应用系统设计——温度巡检系统.doc
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1、单片机应用系统设计温度巡检系统摘要本论文采用台湾凌阳公司生产的nSP系列16位SPCE061A单片机,设计了用于检测炉窑温度的温度巡检系统, 该系统在冶金、化工等领域应用较为广泛。课题主要内容包括硬件设计(热电偶温度传感器、热电偶温度变送器、驱动芯片、LED显示器等)以及软件程序设计(模拟量的采集、A/D转换模块、定时器、I/O模块等)。该系统可以在一个采样周期内实现四个温度采集点的巡回检测、各个采集点的温度的LED显示、温度的超限报警功能。论文详细阐述了软件设计的思路,并对硬件接口电路和程序流程图进行了详细的分析,并对系统的抗干扰性能进行了优化设置。大部分程序采用了C语言编程,相较于汇编语言
2、来说它具有结构灵活,数字信号处理能力强的特点,而且只要修改参数就可以方便地应用于其它类似的系统。关键字:SPCE061A单片机,采样,A/D转换The Design of System for Itinerant Temperature Measurement Using MCU AbstractThe author of the paper designs a itinerant measurement system of temperature in measuring the furnace temperature using the SPCE061A 16-bit MCU in the
3、 nSP series made by Taiwan Sunplus Ltd , which is used widely in the filed of metallurgical engineering and chemical industry. This paper contains the designs of hardware (the thermocouple sensor, the thermocouple convert, the driver, the LED displayer etc.) and the software (the analog data collect
4、, the ADC convert unit, the Timer,the I/O unit etc.).The system can measure the furnace temperature of the four points in a sample period, display the temperature data of each point on the LED displayer and give an alarm when the temperature oversteps the normal boundaries. The paper tells the desig
5、ning thought in detail and analyses the circuit diagrams and charts with clarity.Most of the programs are described by C language, which has the advantages of agility structure and strong Digital Signal Processing ability to the assemble language. The program can be transplanted conveniently to othe
6、r similar system just by modifying the parameters.Keywords: SPCE061A MCU, sample,analogy-digital-convert 第 69 页目录1 绪论11.1 课题的提出11.2 单片机的发展及现状11.3 课题的系统构成22 系统基本硬件42.1 凌阳16位单片机SPCE061A介绍42.1.1 SPCE061A的性能52.1.2 SPCE061A的内部结构和最小系统62.1.3 定时器和计数器82.1.4 输入输出接口112.1.5 A/D转换器132.1.6 凌阳SPCE061A的指令系统152.2 温度
7、传感器172.2.1热电偶的测温原理182.2.2 热电偶传感器的选型182.2.3 热电偶的结构形式192.2.4 热电偶的冷端补偿192.3 温度变送器213 系统硬件设计243.1 电路方框图其说明243.2 SPCE061A与计算机的接口243.3 SPCE61A与外部传感器、变送器的接口253.3.1 被测温度的输入通道253.3.2 温度传感器和温度变送器与SPCE061A的接口电路263.4 LED显示器接口电路263.4.1 七段数码管273.4.2 静态显示方式和动态显示方式273.4.3 LED显示器的接口电路283.4.4驱动芯片BIC7818293.5声光报警电路303
8、.5.1 通道14的报警电路接口303.5.2 SPCE061A的DAC输出通道与扬声器的接口313.6 SPCE061A的电源模块324 系统的软件程序设计334.1 主程序334.2 FIQ中断子程序354.3 采样及A/D转换子程序364.4数字滤波子程序384.5标度转换子程序394.6报警子程序394.6.1 报警子程序Sgbj()404.6.2报警子程序Alarm()414.7 LED显示子程序424.7.1 LED显示子程序Display()424.7.2 LED显示器的段选码434.7.3 LED显示子程序Fshow()434.8 放音子程序444.9 编程工作的总结455 系
9、统调试475.1编程工具nSP IDE的简介475.2 程序的调试516 总 结53参考文献54附录55附录一:SPCE061A引脚说明(PLCC84封装形式)55附录二:源程序代码57附录三:系统硬件电路图67致谢681 绪论1.1 课题的提出在工业的各个领域,如冶金、化工、机械、建材等部门,多种形式的炉窑成为其重要的生产设备。温度是否在工艺要求的范围之内,关系着生产是否能够顺利进行。例如在炼铁过程中,温度过低会导致铁水凝固,如果温度过高又会使铁水很容易被氧化,影响产品质量。在化工领域,反应炉温度的高低往往是化学反应是否发生的先决条件。因此在炉窑的运行过程中,温度是其必不可少的检测参数。温度
10、巡检系统就是针对工业生产中温度的检测而设计的,用于实现炉窑温度在一定周期内几个温度采集点的巡回检测,当温度超过工艺要求的最高值或者低于最低值的时候就会发出报警信号,以便于现场操作人员及时处理,保证生产的顺利进行。1.2 单片机的发展及现状单片机属于计算机的一个种类。从应用领域看,单片机之主要用于控制,所以也称它为微控制器(MCU. Microcontroller Unit)。它包括中央处理器CPU,随机存储器RAM,只读存储器ROM,中断系统,定时器/计数器,串行口和I/O 等等。现在,单片微型机已不仅指单片计算机,还包括微处理器,微控制器等。1970 年微型计算机研制成功之后,随着大规模集成
11、电路的发展又出现了单片微机,并且按照不同的发展要求,形成了两个独立发展的分支。美国Intel 公司1971 年生产的4 位单片微机4004 和1972 年生产的8 位单片微机8008,特别是1976 年MCS-48 单片微机问世以来,在短短的二十几年间,经历了四次更新换代,其发展速度为大约二到三年要更新一代,集成度增加一倍,功能翻一番。在MCS-48 单片微机成功的刺激下,世界各地厂商已研制出大约50 个系列,30 多个品种的单片微机产品。其中有Intel公司的MCS51系列、MCS96系列,Atmel公司的AT89系列,Motorola公司的6801,6802,ZiLOG 公司的Z8 系列,
12、Siemens公司的SAB80系列, Philips公司的87、80系列,日本日立公司的 HS/300,HS/600 8 位单片微机,日本NEC 公司的78K/11 系列16 位单片微机等等。随着单片微机技术的不断发展和成员的不断扩大,单片微机的品种除了有不带片内ROM,带片内掩膜ROM 和带片内EPROM 三种基本品种外,还出现了带片内EEPROM,带片内闪速存贮器(Flash),以及具有高电磁兼容性单片微机等。计算机必须由三大基本单元,即CPU,存储器和输入/输出设备组成。单片微机在一块芯片上集成了ROM/EPROM,RAM,定时器,特殊功能寄存器SFR和存储器扩展控制器,构成了单片微机的
13、存储器;还集成了可编程并行I/O控制,串行口控制器,A/D转换器及D/A输出,构成了单片微机的输入/输出通道。尽管单片微机中没有键盘等输入设备,也没有CRT等输出设备,但单片微机允许利用I/O接口与各种输入/输出设备相连。单片微型机主要应用于工业控制领域,用来实现对信号的检测,数据的采集以及对应用对象的控制。除了工业控制领域,单片微型机在家用电器、电子玩具、通讯高级音响、图形处理、语言设备、机器人、计算机等各个领域迅速发展。根据CPU字长的不同,单片微型机可分为4位机、8位机、16位机和32位机。从发展来看,8位机的性能价格比越来越高,因此8位机是单片微型机的主流机种。4位机和8位机主要用于家
14、电、电子玩具、电话、一般性的工业控制等处理速度要求不太高而又需要较大批量的领域;16位机和32位机主要用于高速数据通讯等技术要求高的领域。 1.3 课题的系统构成在目前的工业过程控制系统中,由于单片机具有抗干扰能力强,适应恶劣的工作环境等特点,被广泛的用作工业控制现场的控制,完成现场数据的适时采集和相关控制操作。PC机将编制好的程序通过在线调试器下装到单片机中,使得单片机能够在一定的周期内实现对各个采集点的温度采集,然后通过A/D转换、滤波和标度转换,成为温度值,然后送显示电路实现温度值的显示,当温度值超过工艺要求的安全范围时发出报警信号。1.4 课题研究内容本论文通过硬件电路和软件的设计,利
15、用凌阳SPCE061A单片机完成四个模拟量输入通道的数据采集和处理,实现炉窑温度的巡回检测和报警。(1) 计单片机的硬件电路板,包括单片机需要的电源,外围的输入输出接口, 单片机的硬件电路等。(2) 成模拟量输入通道的硬件设计,包括接口电路和外围电路的设计,画出硬件线路图。(3) 用Protel软件完成系统电路板的设计。(4)完成系统软件设计,画出流程图,阐述编程思想,编制相应的单片机应用程序。(5) 系统仿真工具对系统进行调试。2 系统基本硬件系统硬件是以单片机为核心,其它的部分成为单片机的外围接口电路,围绕单片机而展开。这些部分主要包括温度传感器、温度变送器、LED显示器、报警灯、蜂鸣器等
16、。2.1 凌阳16位单片机SPCE061A介绍随着单片机功能集成化的发展,其应用领域也逐渐地由传统的控制,扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理(DSP,Digital Signal Processing)等领域。凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU内核采用凌阳最新推出的nSP(Microcontroller and Signal Processor)16位微处理器芯片。围绕nSP所形成的16位nSP系列单片机采用的是模块式集成结构,它以nSP内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件,如图所示: 图2.1 nSP家族的模块式结构nSP内核是一个通
17、用的核结构。除此之外的其它功能模块均为可选结构,借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成,便可形成各种不同系列派生产品。nSP家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里,内部采用总线结构,因而减少了各功能部件之间的连线,提高了其可靠性和抗干扰能力。另外,模块化的结构易于系统扩展,以适应不同用户的需求。nSP家族片内带有高寻址能力的ROM、静态RAM和多功能的I/O口。另外,其指令系统提供具有较高运算速度的16位16位的乘法运算指令和内积运算指令,为其应用增添了DSP(数字信号处理)功能,使得nSP家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利,又比专用的DSP芯片廉价。 而且它的指令系统的指令格式紧
18、凑,执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。nSP家族的工作电压范围大,能在低电压供电时正常工作,且能用电池供电。这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。2.1.1 SPCE061A的性能SPCE061A 是继nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器,它具有16位数据线和22位地址线。与SPCE500A不同的是,在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能,SPCE061A里只内嵌32K字的闪存(FLASH)。较高的处理速度使nSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此,与SPCE50
19、0A相比,以nSP为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。 SPCE061A的主要性能介绍如下:(1)nSP微处理器; (2)工作电压(CPU)VDD为2.43.6V, (I/O)DDH为2.45.5V (3)CPU时钟:0.32MHz49.152MHz ; (4)内置2K字SRAM; (5)内置32K FLASH; (6)可编程音频处理; (7)晶体振荡器; (8)2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值); (9)2个10位DAC(数-模转换)输出通道; (10)32位通用可编程输入/输出端口(11)14个中断源可来自定时器A/B,时
20、基,2个外部时钟源输入,键唤醒; (12)使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒),能容纳210秒的语音数据; (13)锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号; (14)32768Hz实时时钟; (15)7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器; (16) 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能; (17)具备串行设备接口; (19)具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能; (20)内置在线仿真电路ICE(In- Circuit Emulator)接口; (21)具有保密能力; (22)具有Watchdog功能。2
21、.1.2 SPCE061A的内部结构和最小系统SPCE061A的结构如图所示。图 2.2 SPCE061A内部结构图SPCE061A的结构比较简单,在芯片内部集成了ICE仿真电路接口、FLASH程序存储器、SRAM数据存储器、通用I/O端口、定时器/计数器、中断控制、CPU时钟、模数转换器A/D、DAC输出、通用异步串行输入输出端口、串行输入输出接口、低电压监测/低电压复位等部分,各个部分之间存在着直接或者间接的联系。它的数据总线、地址总线和大部分的控制总线都在内部。其中数据总线16位、地址总线22位。SPCE061A最小系统当中,包括SPCE061A芯片外围的基本模块,有:晶振输入模块(OS
22、C)、锁相环外围电路(PLL)、复位电路(RESET)、指示灯(LED)等,如下图所示。2.3 SPCE061A的最小系统2.1.3 定时器和计数器在介绍SPCE061A的定时器和计数器之前,有必要介绍一下其时钟电路。nSP时钟电路采用晶体振荡器电路。下图为SPCE061A时钟电路的接线图,外接晶振使用32768HZ。外接晶振产生的频率比阻容振荡电路要稳定得多。32768HZ的实时时钟经过PLL(Phase Lock Loop)倍频电路产生系统时钟频率(Fosc),可以调整至49.152MH2,40.96MHz,32.768MHz,24.576MHz或20.480MHz。系统时钟频率(Fosc
23、)和CPU时钟频率(CPUCLK)可通过编程来控制.默认的Fosc,CPUCLK分别为24.576MHz和Fosc/8。图2.4 SPCE061A与晶体振荡器连接SPCE061A提供了两个16位的定时/计数器:TimerA和TimerB。TimerA为通用计数器;TimerB为多功能计数器。TimerA的时钟源由时钟源A和时钟源B进行“与”操作而形成;TimerB的时钟源仅为时钟源A。TimerA和TimerB的结构分别如图2.5和2.6所示:图2.5 TimerA的结构 时钟源A是一个高频时钟源,来自带锁相环的晶体振荡器输出的Fosc,时钟源B是一个低频时钟源,它的频率来自32768HZ的系
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