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1、中北大学2010届毕业设计说明书1 引言1.1 课题研究意义 温度是工业生产中主要的参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。单片机在工业生产中的应用尤其广泛，温度采集系统则是单片机在工业生产中的一个典型的应用。采用单片机对温度进行采集不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用，单片机已经以其体积小、功能强、价格低、使用灵活等特点显示出了明显的优势和广泛的应用前景。作为一名测控技术与仪器专业的学生，理应对单片机有更深的了解，本着
2、开拓创新的思想，需要设计了带语音播报功能的温度测量仪。普通大众所常见的温度计是玻璃管温度计，它是靠管内水银升降来判断温度值的高低。当光线较暗时，就看不清水银位置，这给观察者带来不便。而使用负温度系数热敏电阻结合凌阳16位单片机系统开发出来的热敏电阻温度计则克服了普通温度计的许多缺点，使用更方便，而且更加准确。1.2 课题研究的背景温度数据采集系统作为数据采集系统大家族的普通一员也是其一方面的具体应用，数据采集系统的发展就是她的发展。数据采集系统始于20世纪50年代，1965年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非熟练人员操作，并且测试任务由测试设备高速自动控
3、制完成。由于该种数据采集系统具有高速属性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。20世纪70年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机融为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因而获得了惊人的发展。从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业现场数据采集系统。20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展，开始出现了，通用的数据采集与自动化测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪器仪表和采集器、通用接口
4、总线和计算机等构成。例如：国际标准ICE625（GPIB）接口总线系统就是一个典型的代表。这类系统主要用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机够成。例如：STD总线系统。1.3 课题研究的现状时至今日，由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的数据采集系统。现代的数据采集系统，在系统初始化、编程、修改、扩充等方面，变得比过去更加容易。A/D变换器的技术发展，允许以更高的分辨率，更快的采集速度和更低的成本，实现更精密的测量。目前，数据采集系统的一种较为肯定的发展趋势是：把个人计算机同数据采集系统结合起来，实现测量和控制任务的自动化。随着科学技术
5、的发展和数据采集技术的广泛应用，对数据采集系统的各项指标，如采样率、分辨率、存储深度、数字信号处理的、抗干扰能力等方面提出了越来越高的要求，这时超高速数据采集系统应运而生。特别是在高速电路中的毛刺捕获、火箭喷气流量的动态测试以及遥感测试等场合需要高速或超高速数据采集系统技术。超高速数据采集技术已广泛应用在雷达、导弹、通信、声纳、遥感、地质勘测、振动工程、无损检测、智能仪器、语音处理、激光多普勒测速、光时间域反射测量、物质光谱学与光谱测量、生物医学工程等领域，进而不断推动这些领域的发展。2 设计需求分析2.1 总体需求结合当前我的设计及实际情况，具有以下任务需求：利用凌阳SPCE061A单片机和
6、负温度系数热敏电阻的组合编程实现温度的实时测量和语音播报。温度的测量范围为-20至80，当按下报温键时，系统通过监测热敏电阻两端电压，经过计算得到实时温度值，再播报出来。2.2 硬件需求 基于本设计的需要并从经济角度考虑，我选择了凌阳SPCE061A单片机作为硬件支持，它除了具有单片机最小系统外，还包扩有电源电路、音频电路、复位电路等，采用电池供电，方便携带。温度传感器选择了负温度系数热敏电阻MFD-502-34，热敏电阻是一种新型半导体感温元件，具有灵敏度高、体积小、寿命长的优点。2.3 软件工具需求选定了硬件后就需要编写软件了，本设计选用的编程软件为C语言和凌阳汇编。同硬件的设计一样，软件
7、也是分块进行的。主要包括以下部分的程序：系统初始化程序、键盘扫描程序、A/D转换程序、温度计算程序、语音播报程序。各部分程序由主程序（main.c）调用，组成一个整体。3 凌阳单片机简介作为整个设计的核心部件，凌阳SPCE061A单片机起着至关重要的作用，影响着整个设计的各个步骤，本章将对凌阳SPCE061A单片机进行具体详细的介绍。3.1 SPCE061A概述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
8、阳最新推出的nSP（Microcontroller and Signal Processor）16位微处理器芯片（以下简称nSP）。围绕nSP所形成的16位nSP系列单片机（以下简称nSP家族）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3.1所示。 图3.1 nSP家族的模块式结构nSP内核是一个通用的核结构。除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。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，以适合不同的应用场合。这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。nS
9、P家族有以下特点: 体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展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。 具有较强的中断处理能力nSP家族的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。 高性能价格比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，nSP的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
10、廉价。 功能强、效率高的指令系统nSP指令系统的指令格式紧凑，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。 低功耗、低电压nSP家族采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。另外，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。 SPCE061A 是继nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。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
11、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SPCE500A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。其主要性能有： 内核采用16位nSP微处理器； 工作电压(CPU)VDD为2.43.6V ，I/O端口高电平VDDH为2.45.5V; CPU时钟：0.32MHz49.152MHz ； 内置2K字SRAM和32K FLASH； 可编程音频处理； 晶体振荡器; 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为2A3.6V； 两个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；
12、两个10位DAC(数-模转换)输出通道； 32位通用可编程输入/输出端口； 14个中断源可来自定时器A / B，时基，两个外部时钟源输入，键唤醒 具备触键唤醒的功能； 使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4kb/s)，能容纳210s的语音数据； 32768Hz实时时钟，由锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号； 7通道10位电压模/数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器； 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； 具备串行设备接口； 具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能； 内置在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）
13、接口； 具有保密能力； 具有Watch Dog功能。SPCE061A的结构如图3.2所示。其主要功能模块有并行I/O端口、模/数转换ADC、存储RAM&FLASH、定时器/计数器T/C（脉宽调制输出PWM）、WatchDog、异步串行通信口UART、指令寄存器IR、设备串行口SIO、低电压检测LVD（低电压复位）等。图3.2 SPCE061A的结构SPCE061A有两种封装片，一种为84个引脚，PLCC84封装形式；另一种为80个引脚，LQFP80封装。而我选用的是84个引脚的，它的排列如图3.3所示。图3.3 SPCE061A PLCC84封装引脚排列图在PLCC84封装中，有15个空余脚，
14、在使用时这15个空余脚悬浮。在LQFP80封装中有9个空余脚，在使用时这9个空余脚接地。 下面为LQFP84封装管脚功能介绍。表3.1 LQFP84封装管脚功能 管脚名称管脚功能IOA0IOA15(4148，5360)I/OA口，16个IOB0IOB15（51，8176，6864）I/OB口，16个OSCI 13振荡器输入，采用石英晶振时，接晶振OSCO 12振荡器输出，采用石英晶振时，接晶振RES_B 6复位信号输入端，低电平有效ICE_EN 16ICE使能端，接在线调试器PROBE的使能脚ICE_ENICE_CLK 17ICE时钟脚，接在线调试器PROBE的时钟脚ICE_CLKICE_SDA 18ICE数据脚，接在线调试器PROBE的数据脚ICE_SDAPVIN 20程序保密设定电源输入脚PFUSE 29程序保密设定输入脚DAC1 21音频输入通道1DAC2 22音频输入通道2VREF2 23 2 V参考电压输入脚AGC 25语音输入自动增益控制引脚OPI 26Microphone第二级运放输入脚MICOUT 27Microphone第一级运放输入脚MICN 28Microphone正向输入脚MICP 33Micr
