数字式多路温度采集系统

专 科 毕 业 大 作 业

毕业大作业 题目名称 专业班级 学生姓名 学 号 指导教师

数字式多路温度采集系

统的硬件设计

计算机信管（一）班

谭海洋 61002131001 李长旺

二○一三年四月二十七日

数字式多路温度采集系统的硬件设计

目 录

摘要 .................................................................................................................................................................... - 3 - ABSTRACT ....................................................................................................................................................... - 4 - 1 概述 .............................................................................................................................................................. - 5 - 1.1课题的研究意义 ..................................................................................................................................... - 5 - 1.2设计要求 ................................................................................................................................................. - 5 - 1.3系统总体方案： ..................................................................................................................................... - 5 - 2 凌阳SPCE061A单片机简介......................................................................................................................... - 6 - 3 系统硬件设计 ............................................................................................................................................ - 10 - 3.1系统总体方案： ................................................................................................................................... - 10 - 3.2方案论证： ........................................................................................................................................... - 10 - 3.3 61板电路设计 ...................................................................................................................................... - 11 - 3.4 61板模块电路分析 .............................................................................................................................. - 11 -

3.4.1 电源电路模块分析 ...................................................................................................................... - 11 - 3.4.2 音频输出电路模块分析： .......................................................................................................... - 12 - 3.5 LED键盘模组 ...................................................................................................................................... - 13 - 3.5.1 主要功能 .................................................................................................................................... - 13 - 3.5.2 结构框图 .................................................................................................................................... - 13 - 3.5.3 布局框图 .................................................................................................................................... - 14 - 3.6 LED硬件说明 ........................................................................................................................................ - 14 - 3.6.1 电路原理图 .................................................................................................................................. - 14 - 3.6.2 主要元器件 .................................................................................................................................. - 15 - 3.6.3 接口说明 ...................................................................................................................................... - 17 - 3.7 SPR4096存储模块 ................................................................................................................................ - 19 -

4 结 论 .......................................................................................................................................................... - 20 - 谢 辞 .............................................................................................................................................................. - 21 - 参考文献 .......................................................................................................................................................... - 22 - 附 录： .......................................................................................................................................................... - 23 -

数字式多路温度采集系统

摘要: 随着社会的进步，电子类产品也得到了广泛的发展。尤其是单片机的发展异

常迅速。由于单片机的特殊结构形式，在某些应用领域中，它承担了一些通用的微型计算机无法完成的工作，它是一种高性能，低价格的处理器。集成度高，体积小，可靠性又高，控制功能强，电压低。由于单片机具有这些特点，在人类的生活应用中十分广泛。例如, 在医学方面, 有血糖测量仪, 血压测量仪; 在物理学方面, 有温度采集系统,电感测量仪,频率测量仪, 红外测量仪等; 在环境方面, 有空气测量仪, 噪声测量仪等一系列电子测量仪器。而原来的模拟产品也逐步向数字化、综合化转化, 并且不断走向人性化

在日常生活和工业控制过程中，经常需要进行多路温度测量，并对温度结果

进行分析，以做出相应的处理。本大作业利用SOCE061A单片机作为核心控制器，通过两个DS18B20器件实现两路温度的实时采集和显示，且可以设置温度值，实现超温报警功能。

关键词：SPCE061A、DS18B20、LED键盘模组

Digital multi-channel temperature acquisition

System

Abstract: As society advances, electronic products have been widely developed. In

particular the very rapid development of SCM. Since the special structure microcontroller, in some applications, it assumes some common micro-computer could not be done, it is a high performance, low price processor. High integration, small size and high reliability, high control, low voltage. MCU has these characteristics because, in human life a wide range of applications. For example, in medicine, there is blood glucose meter, blood pressure measuring instrument; in physics, there is temperature acquisition System，inductance meter, frequency meter, infrared measuring instrument; in the environment, air-measuring instrument, measuring instrument and a series of electronic noise measuring instruments. The original analog products are also gradually to digital, integrated into, and move towards humanity.

In the daily life and in the industry controlled process, frequently needs to carry on the multi- spots temperature survey, and carries on the analysis to the temperature result, makes corresponding processing .This plan using the SPCE061A monolithic integrated circuit took the core controller, realizes two groups temperatures real-time gathering and the demonstration through two DS18B20 component, also may establish the temperature value, realizes ultra warm reports to the police the function.

Key Words: SPCE061A、DS18B20、LED

数字式多路温度采集系统

1 概述

1.1课题的研究意义：

温度是工业生产中最常见的和最基本的参数之一，在生产过程中常需要对温度进行检测和监控。采用微型机进行检测、显示、信息存储及实时控制对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用。考虑到许多工业环境对多点温度进行监控一般需要测量几十个点以上，对此我们设计了采用SPCE061A单片机的多通道温度及检测系统。

单片机的问世和飞速发展掀起了计算机工程应用领域的一场新革命，使计算机技术冲破了实验室和机房的界限，广泛地应用于工业控制系统、数据采集系统、自动测试系统、网络通信系统、智能仪表和接口以及各类功能模块等广阔领域。单片机应用系统已经成为实现许多控制系统的常规性工具。随着计算机科学和微电子集成技术的飞速发展，单片机自身也在不断地向高层次和更大规模发展。

本毕业设计方案采用凌阳科技公司的SPCE061A单片机，DS18B20传感器, LED键盘模组制作一个简易的温度检测系统，实现完整显示温度数据以及对温度的实时检测。

1.2设计要求：

利用SPCE061A单片机、DS18B20基本要求如下：

1.两路温度的实时采集；

2.温度通过数码管显示，分手动和自动两方式：自动状态循环显示各 通道温度，每隔2秒切换一个通道；手动方式只显示被选择的通道温度； 3.可以为每一个通道设置独立的报警温度；

1.3系统总体方案：

整个系统以SPCE061A为核心，前向通道包括DS18B20传感器输入电路，按键输入电路；后向通道包括：LED显示电路和语音输入电路。

2 凌阳SPCE061A单片机简介

SPCE061A是凌阳科技公司研发生产的一款性价比很高的十六位单片机，它采用高性能的μ’nSP 内核，具有丰富的硬件资源，并集成了ICE（在线仿真接口），可以直接利用该接口对芯片进行下载（烧写）、仿真、调试等操作。SPCE061A在存储器资源方面内嵌了32K的FLASH ROM，且SPCE061A的外围功能模块丰富。

SPCE061A能在2.6V-3.6V工作电压范围内工作，时钟频率为0.32MHz-49.152MHz，较高的工作速度使其能快速处理复杂的数字信号，因而大大地拓宽了其应用领域。SPCE061A内嵌2KB SRAM和32KB的FLASH ROM，有32位可编程的多功能I/O端口；两个16位定时器/计数器；32768Hz实时时钟；低电压复位/监测功能；8通道10位模-数转换输入功能并具有内置自动增益控制功能的麦克风输入方式；双通道10位DAC方式的音频输出功能。其特性参数表如下表2-1：

表2-1 SPCE061A特性参数表

SPCE061A的内部模块主要分为：CPU、存储模块、定时器/计数器、ADC、I/O接口、电源电路模块、音频电路。SPCE061A单片机的内部结构如图2-2所示。

图2-2 SPCE061A的内部结构图

SPCE061A单片机具有一套易学易用且效率较高的指令系统和一个使用方便的集成开发环境。此开发环境支持C语言，可以实现C语言与汇编语言的互相调用，并且提供了用于语音录放的库函数。只要了解了库函数的使用方法，就能很容易地完成语音录放，所有这些都大大方便了软件开发。

在单片机应用系统中，常常需要将检测到的连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、转速、声音、光亮等转换成数字信号才能用单片机中进行处理。这种将模拟量转换成数字量的过程即是A/D转换。许多新型的单片机已经在片内集成了许多A/D和D/A转换器及PWM输出，这样就大大简化了外围电路和编程工作。

ADC的结构及工作原理：u’nSP单片机的内部集成了一个10位的A/D转换器，它采用逐次逼近式原理实现模/数转换。u’nSP中的ADC由以下几部分组成：10位数/

模

转换器DAC0、10位数据缓存器DAR0、逐次逼近寄存器SAR、比较器COMP以及ADC控制寄存器。其输入信号有两个通道：一个由LINE_IN通道输入；另一个由MIC_IN通道输入。MIC_IN一般用于麦克风通道输入，对较弱的信号一般经音频放大器AGC（Automation Gain Control）自动增益控制放大后再进行A/D转换。具体控制参数如表2-3所示。

表2-3 A/D转换中的量化和编码

SPCE061A内嵌了凌阳科技开发的最新的16位微处理器µ’nSP 。它内含有8个寄存器：4个通用寄存器R1～R4，1个程序计数器PC，1个堆栈指针SP，1个基址指针BP和1个段寄存器SR。通用寄存器R3和R4结合形成一个32位寄存器MR，MR可被用作乘法运算和内积运算的目标寄存器。此外，SPCE061A有3个FIQ中断和14个IRQ中断，并且带有一个由指令BREAK控制的软中断。 µ’nSP 不仅可以进行加、减等基本算术运算和逻辑运算，还可以完成用于数字信号处理的乘法运算和内积运算。

CPU及其外围的基本模块构成SPCE061A的最小系统。外围基本模块包括：晶振输入模块（OSC）、锁相环外围电路（PLL）、复位电路（RESET）、指示灯（LED）等。

SPCE061A芯片内部集成了ICE（在线仿真接口），PC机通过Probe（在线调试器）或EZ_Probe（简易下载线）与61板相连，就可以方便地完成程序的下载、调试等。61板为Probe和EZ_Probe各自提供了一组接口，可通过S5跳线来选择使用的接口类型。

ICE电路框图如图2-4。

图2-4 ICE电路框图

3 系统硬件设计

3.1系统总体方案：

系统整体硬件设计如图3.1-1所示，整个系统以SPCE061A为核心，前向通道包括DS18B20传感器输入电路，按键输入电路；后向通道包括：LED显示电路和语音输入电路。

图3.1-1系统整体硬件结构图

3.2方案论证：

方案一：采用现在比较通用的51系列单片机。51系列单片机的发展以有比较长的时间，应用技术都比较成熟，但此系列单片机是8位机，处理速度不是很快，资源不够充足，而且其最小系统的外围电路都要自己设计和制作，使用起来不是很方便，故不采用。

方案二：选用凌阳公司的SPCE061单片机。SPCE061A单片机是16位的处理器，主频可以达到49MHz，速度很快，再加上其方便的ADC接口，非常适合对高频信号进行数字调频，如果对音频信号进行A/D采样，经过数字调频并发射，完全可以实现预设的目的。

结合大作业的要求及SPCE061A板的特点，本系统选用凌阳公司的此款单片机。

3.3 61板电路设计

61 板电路设计主要是完成 SPCE061A 单片机的最小系统设计， 电源设计和 SPCE061A 的 D/A外扩功率器件设计，如图 3-3：

图 3-3 61板整体电路图

3.4 61板模块电路分析

3.4.1 电源电路模块分析：

整个系统由三节电池供电，电池盒提供的4.5V直流电压经过SPY0029后稳压到3.3V后再给系统供电（因为SPCE061A单片机的工作电压位3.3V）。SPY0029是凌阳公司设计的电压调整IC，采用CMOS工艺，具有静态电流低、驱动能力强、线性调整出色等特点。

图中的VDDH3为61单片机I/O口的参考电压，如果跳线口J5接1、2，则I/O口的高电平为电池盒供电电平；如果跳线口J5接2、3，则I/O口高电平为3.3V。VDDP为PLL锁相环电源，接SPCE061A的7脚；VDD和VDDA分别为数字电源与模拟电源，分别接SPCE061A的15脚和36脚；AVSS1是模拟地，接SPCE061A的24脚；VSS是数字地，接SPCE061A的38脚； AVSS2接音频输出电路的AVSS2。

图3-4-1 61板电源电路图

3.4.2 音频输出电路模块分析：

SPCE061A内置2路10位精度的DAC，只需要外接功放电路即可完成语音的播放。如图2.5，图中的SPY0030是一款音频驱动放大芯片，可以工作在2.4～6V范围内(两节电池即可工作) ，最大输出功率可达700mW，由于它的便携性而有着广泛的实际应用。使用时用跳线将J2的1、2端连接起来即可。

图3-4-2 音频输出电路原理图

3.5 LED键盘模组

3.5.1 主要功能

1. 扩展了6位8段数码管，最大显示数据为999999； 2. 8个发光二极管，可作为显示状态信息使用； 3. 8个按键，可以组成1*8KEY也可组成2*4KEY；

4. 一个电位器，可以提供0－5V的模拟电压信号或者0—3.3V的模拟电压,与模组输入的VDD有关。

5. 键盘LED模组接口简单，可方便与任何一款单片机进行软硬件接口设计。

3.5.2 结构框图

图 3-5-1 LED键盘模组结构框图

3.5.3 布局框图

图 3-5-2 LED键盘模组的布局框图

3.6 LED硬件说明

3.6.1 电路原理图

图3-6-1 LED键盘模组的电路原理图

3.6.2 主要元器件

1. ULN2003A 其内部为三极管阵列，其IN脚相当于三极管的B极，OUT较相当于三极管的C极。若IN脚输入高电平，对应的OUT脚接地；IN脚输入低电平，对应的OUT脚截止输出。

ULN2003A元件图如下：

图3-6-2-1 ULN2003A元件图

图中：IN1~IN7为输入信号，OUT1~OUT7为输出信号。输入信号高有效。

2. LG5621AH

LG5621AH元件图如下:

图3-6-2-2 LG5621AH元件图

图中：a~dp为数码管的段信号，G1、G2为2位数码管的位信号。段信号高有效，位信号低有

效。

3. LG5641AH 共阴极4位数码管。 LG5641AH元件图如下

图3-6-2-3 LG5641AH元件图

图中：a~dp为数码管的段信号，d1、d2为时钟冒号的段信号；G1~G4为4位数码管的位信号，G5为时钟冒号的位信号。段信号高有效，位信号低有效。 3.6.3 接口说明

接口说明：

LED模组使用十分简单，直接用排线与61板 I/O接口相连即可。 1. KEYTYPE选择接口

此接口是选择2*4KEY还是1*8KEY，具体选择方式如下：

从左至右看，将第1至4短接块连接，选择了2*4KEY；只将第5个短接块短接，选择1*8KEY。

选择2*4KEY接口连接示意图如下：

图3-6-3-1 2*4KEY接口连接示意

2. 2*4KEY接口

2*4KEY的第1组行定义为ROW1，第2组行定义为ROW2，4列定义为COL1~COL4。 使用时COL1是K1和K5的输入，COL2是K2和K6的输入，COL3是K3和K7的输入，COL4是K4和K8的输入。用户可自行选择ROW1与ROW2接至VDD还是GND，但同一时间只能使用一组。AV是模拟电压输出端，通过调整R20可以改变AV的值，AV的最大输出值与VDD相同。D_DP是第4位数码管后时钟冒号的位信号控制端，见下图中的D_DP。

图3-6-3-2 D_DP图

3. 1*8KEY接口

1*8KEY的8列分别定义为COL1~COL8，1行定义为ROW1。使用时COL1~COL8是K1~K8的列输入，ROW1是K1~K8的行输入。1*8KEY接口见下图

图 3-6-3-3 1*8KEY接口连接示意

使用1*8KEY时相应KEYTYPE连接如图 8，即只须将KEYTYPE接口的第5个短接块短接。用户可自行选择ROW1接至VDD还是GND。

4. DIG接口

6位数码管L1~L6的段发光管阳极和8个LED指示灯的阳极并联，并且8个LED指示灯采用共阴极方式。6位数码管L1~L6的阴极和8个LED的共阴极分别用DIG接口的DIG1~DIG7控制，第4位数码管后时钟冒号D_DP（见图 2）的位信号用DIG8控制，位信号均为高有效。DIG接口详见下图

图 3-6-3-4 DIG接口

5. SEG接口

A~G、DP是6位数码管L1~L6的段信号和8个LED指示灯的阳极控制信号输入端。控制信号为高有效。

图3-6-3-5 SEG接口

3.7 SPR4096存储模块

SPR4096是一个高性能的4M位FLASH，分为256个扇区，每个扇区为2K字节。SPR4096还内置一个4K×8位的SRAM。SPR4096串行接口的工作频率可达到5MHz。SPR4096有两个电源输入端VDDI和VDDQ，VDDI是给内部FLASH和控制逻辑电路供电的，VDDQ是专门为I/O供电的。VDDI供电电压为2.25V-2.75V，VDDQ供电电压为2.25-3.6V。这里采用SPR4096的串行接口模式工作，CF0-2接低电平，CF7接低电平，硬件电路如图3-7所示。

图3-7 SPR4096串行工作方式电路

4 结 论

经过一个多月的奋战，由开始的雾里看花、朦朦胧陇，到后来的水中望月，再到现在的柳暗花明。其中，有我们的悲伤与痛苦，有我们的喜悦与快乐，因为我们知道我们所经历的是一个全新的学习与实践过程。学海无涯，我们感到我们掌握的知识实在是太少了；岁月匆匆，我们感到我们正青春年少，还有机会学到更多的知识。

在这次实践中，我们对单片机有了很深的理解，而且能够还学会了相关硬件的应用。对于焊接61板，我们掌握了电烙铁的使用方法，懂得了各种零件的检查、检测方法，熟悉了各种仪表的使用。在对硬件电路连接中，我们学会了用各种方法来分析电路及其性能，这样不知不觉之中便把各种知识融入其中。

此外，通过此次毕业大作业，我深刻地感觉到，只有理论与实践相结合才能真正意义上地掌握书本上的知识，才能增强自己的动手能力，才能锻炼科研思维、提高科研能力。最大的收获就是自己的动手能力和独立解决问题的能力得到了很大的提高。从资料的收集、方案形成到准备电路图，到买材料，到制板，到焊接，到调试和维护……每一个小小的步骤，都得到了很好的锻炼。知道了怎样有效的收集整合资料；知道了怎样细心地检查电路；知道了怎样虚心地寻求帮助；知道了……也明白了，很多书本上的东西光靠趴在书本上学是学不到其中的精髓的，必须亲自去试着实践了，亲自去经历失败了才能对它们真正的掌握。理论必须联系实际，而实践是试检验真理的唯一标准，现在真正的懂得了这句话的真谛。在以后的工作和生活中，从此可以汲取很多经验，凡事都要自己去动下手，去实践一下，遇到困难，永远不要丧失一颗胜利的心，有耐心，有信心，有细心，有恒心，有虚心，只有这样，才会在逆境中不断前进。

谢 辞

在李长旺老师的精心指导下完成这次毕业大作业期间，我深深地感受对我们严厉要求的同时也流露出他对我们的关心和爱护，从他那里不仅仅学到了本学科的知识和科学研究方法，对学术的严格谨慎态度，更重要的是我学到了严谨踏实的学风。在此，我向为培养我成长而付出辛勤劳动和巨大心血的导师致以衷心的感谢和崇高的敬意。

最后要感谢同学们，在设计和焊接过程遇到困难时，正是由于同学们的帮助才能顺利的克服困难，毕业大作业的完成离不开同学们的帮助。

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