基于SPCE061A的环境测试仪的设计与实现毕业设计.docx
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基于SPCE061A的环境测试仪的设计与实现毕业设计
燕山大学
毕业设计(论文)
基于SPCE061A的环境测试仪的设计与实现
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:
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指导教师签名:
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使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:
按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名:
日 期:
摘要
环境测试仪是人们生活中经常用到的电子测量仪,本文对基于SPCE061A的环境测试仪的设计与实现进行了详细的研究。
环境测试仪主要用于环境温度测量和光线强度测试,借以发现温度与光线强弱是否符合我们的生理需要。
虽然现今市面上有很多环境测试仪,但针对人们学习生活需要的环境测试仪却很少,尤其是光线强度的测量,因此设计出可见光范围内的光线测试仪十分必要。
本设计以凌阳SPCE061A单片机作为控制平台,以红外线作为传输介质。
系统采用热敏电阻作为温度传感器,光敏电阻作为光线传感器,实现环境温度值和光线强度值的测量,测试结果表明了环境温度高低和光线状态,并由语音播报以提醒人们保护眼睛。
该环境测试仪在视距范围内可以独立灵活使用,而不受物理位置影响。
本测试仪在测量时,系统进行十次测量,再取平均值,大大提高了测量精度。
最后,通过对硬件和软件的调试,系统达到了本设计的要求。
关键词SPCE061A;温度测量;光线测量;传感器
Abstract
Environmentaltestingforpeople'slivesisoftenusedintheelectronicmeasuringinstrument,thepaper-basedenvironmentSPCE061Ainstrumentdesignandimplementationofadetailedstudy.Environmentaltestingismainlyusedformeasuringambienttemperatureandlightintensitytesttofindtemperatureandlightintensityisinaccordancewithourphysiologicalneeds.Althoughmanyoftoday'smarketenvironmenttester,butforpeopletostudytheneedsforenvironmentaltestingarefew,especiallylightintensitymeasurement,designedwithintheframeworkofthevisiblelighttesterisverynecessary.
ThedesignSunplusSPCE061ASCMisacontrolplatformtotheinfraredasatransmissionmedium.Thesystemusesthethermistortotakethetemperaturesensor,photosensitiveresistancetakestheopticalfibersensor,toachieveenvironmentaltemperatureandlightintensityofthemeasurement,testresultsshowedthattheambienttemperatureandlightinglevels,andbythevoicebroadcasttoremindpeopleofeyeprotection.Thetestenvironmentwithintheframeworkofflexibilityintheuseofindependent,freefromthephysicallocationofimpactin-the-horizon.Thetestinstrumentinthemeasurement,themeasurementsystemistakes10timestheaverage,greatlyimprovingthemeasurementaccuracy.Finally,thehardwareandsoftwaredebugging,thesystemreachedthedesignrequirements.
KeywordsSPCE061A;Temperaturemeasurement;Lightmeasurement;
Sensors;
第1章绪论
1.1课题背景
随着人们生活水平的提高,各种电子产品进行着突飞猛进的发展,电子测量仪也逐渐丰富起来,原来的模拟产品逐步向数字化转化,并且不断走向人性化。
本文中设计的环境测量系统充分发挥了人性化的特质,该环境测量系统由SPCE061A控制,配合传感器模组设计而成,利用SPCE061A的语音功能,配合传感器模组,测量温度或者光线,并且语音播放测量结果,并提醒人们保护眼睛。
1.1.1国内外研究动态
现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。
传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度传感器和光线传感器,被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首。
现在人们的生活水平不断提高,对生活质量的要求也逐渐增强,因而对于生活产品的要求也随之加强。
现阶段,各种电子测量仪发展迅猛,产品更新速度快,原来的模拟产品逐步向数字化、综合化转化,并且不断走向人性化。
对于电子测量仪,随着人们的需求加大,不管是从技术还是外型,发展空间还很大。
我研究的课题就是利用SPCE061A的语音功能配合传感器模组,实现带语音播报功能的环境测试仪。
该测试仪主要应用温度传感器和光线强度传感器。
最新开发的智能温度传感器(例如MAX6654、LM83)还增加了传感器故障检测功能,能自动检测外部晶体管温度传感器(亦称远程传感器)的开路或短路故障。
MAX6654还具有选择“寄生阻抗抵消”(ParasiticResistanceCancellation,PRC)模式,能抵消远程传感器引线阻抗所引起的测温误差,即使引线阻抗达到100欧姆,也不会影响测量精度。
远程传感器引线可采用普通双绞线或者带屏蔽层的双绞线。
而光线强度传感器则是利用语音播报功能使环境测试仪趋于人性化、智能化发展[1]。
1.1.2环境测试仪的研究现状以及发展趋势
随着信息社会的发展,人类要求更舒适、便捷、高效的生活环境,而信息家电和计算机技术的发展也使这一要求越来越变为现实。
目前,国际上环境测试仪正由模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。
本设计以凌阳SPCE061A单片机作为控制平台,以红外线作为传输介质。
系统采用光敏电阻和热敏电阻作为传感器,通过红外遥控测试仪实现环境光线强度值的测量,测试结果表明了环境状态并由语音播报以提醒人们保护眼睛。
该环境测试仪在视距范围内可以独立灵活使用,而不受物理位置影响。
智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶[2]。
目前,国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器、随机存取存储器和只读存储器。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器;并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的,其智能化程度也取决于软件的开发水平[3-6]。
1.2课题研究的目的和意义
环境测试仪主要是应用于人们生活中,应用简单方便。
本环境测试仪可以通过测量进行语音播报,提醒人们保护眼睛,使其更加人性化,更适合人们生活中应用。
通过对环境测试仪的设计,使我更加了解了SPCE061A的内部结构,了解了其温度/光线测量的原理,对电子测量仪的工作原理有了简单的了解,对其研究也产生了很大的兴趣。
本次设计加强了我对以前所学的专业知识的认识并加以巩固,并学以之用,初步了解了现实生活中简单电子产品的工作原理。
1.3本文主要内容与结构
本文对基于SPCE061A的环境测试仪的设计与实现进行了详细的研究。
环境测试仪主要用于环境温度测量和光线强度测试,借以发现温度与光线强弱是否符合我们的生理需要。
本设计以凌阳SPCE061A单片机作为控制平台,以红外线作为传输介质。
系统采用热敏电阻作为温度传感器,光敏电阻作为光线传感器,实现环境温度值和光线强度值的测量,测试结果表明了环境温度高低和光线状态,并由语音播报以提醒人们保护眼睛。
本文结构如下:
第一章介绍了环境测试仪的课题背景,国内外研究的动态和环境测试仪的发展现状,从总体上对课题的发展进行了概述。
第二章系统介绍了环境测试仪的设计方案,从总体上讲述了环境测试仪的工作原理以及实现功能。
第三章介绍了环境测试仪设计中应用到的硬件部分。
环境测试仪的核心元件是SPCE061A,本章主要介绍了SPCE061A的性能特点和内部结构,对其内部的主要部分:
A/D转换、并行I/O口、看门狗等。
SPCE061A与传感器、液晶模块相连,通过61按键测量环境温度。
下面介绍了传感器模组和液晶显示的工作原理以及各模块的电路。
第四章介绍了环境测试仪的软件设计,通过各个功能实现程序的流程图系统介绍了内部实现的原理。
最后是本文的结论。
第2章方案概述
2.1设计的要求
本方案利用61板作为控制板,通过传感器模组进行温度和光线的测量,并能实现温度值和光线状况的播放功能:
SPCE061A监测环境光线状况,并根据光线强弱进行温馨提示:
如果光线太弱,系统播报“光线太弱,请注意保护眼睛”,如果光线太强,系统播报“光线太强,请注意保护眼睛”;通过61板的KEY3键启动测量,并播放当前环境的温度值和光线状态;温度测量最小单位为1°C;光线监测分为三个等级:
光线太强、光线太弱、光线柔和;液晶显示测量结果。
2.2方案简介
2.2.1方案选择
采用常规单片机如89C51实现,单片机软件编程自由度大,可用编程实现各种控制,但89C51需要外界模数传感器来满足数据采样,如果系统增加语音播报功能,还需要语音芯片,对外围电路来说比较复杂,且软件实现也比较麻烦。
另外89C51单片机需要用仿真器来实现软硬件的调试,较为繁琐。
利用51单片机进行开发,硬体开发系统要求很多,如仿真器、烧录器、开发板等。
软体开发工具有富兰克林、Keil51等。
61板是SPCE061A的硬体开发系统,用户只采用61板就可以进行开发,与61板配套的软体开发工具名称为凌阳十六位单片机集成开发环境(μ’nSP™),SPCE061A是继μ’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,此单片机内置8路ADC,2路DAC,且集成开发环境中,配有很多语音播报函数,用SPCE061A实现语音播报极为方便。
SPCE061A中包括2K字的SRAM和32K字的闪存ROM,仅占一页存储空间。
另外,该芯片内置在线仿真、编程接口,可以方便实现在线调试,这大大加快了系统的开发与调试[3]。
铂热电阻的物理化学性虽然能在高温和氧化性介质中很稳定,它能用作工业测温元件,且此元件线性较好,但反应相应得较慢。
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、寿命长等特点。
负温度系数热敏电阻具有负的温度特性,当温度升高时,电阻值减小;当温度降低时,电阻值增大。
热敏电阻阻值——温度曲线是非线性的,在实际应用只使用其线性度较好的一段。
本方案选用的热敏电阻其线性度较好的一段是-20℃~+80℃,精度为1﹪。
2.2.2方案原理
这次设计主要是以凌阳单片机SPCE061A为控制核心。
SPCE061A单片机款式新颖,而且性价比高。
SPCE061A在2.6V~3.6V工作电压范围内的工作速度范围为0.32MHz~49.152MHz;2K字SRAM和32K字FLASH仅占一页存储空间;32位可编程的多功能I/O端口;两个16位定时器/计数器;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;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。
较高的处理速度使SPCE061A能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。
开发数字声音和语音识别产品,选择SPCE061A是一种经济的选择。
环境测试仪是通过凌阳单片机SPCE061A与传感器模组进行温度和光线的测量,并利用SPCE061A的语音功能,实现温度值和光线状况的播放功能,通过与液晶显示模块相连显示当前温度值。
温度测量最小单位为1摄氏度,光线监测分为三个等级:
光线太强、光线太弱、光线柔和。
该环境测试仪通过传感器模组中光敏电阻和热敏电阻的电压值来测量环境的温度和光线状况,这些电压值是通过SPCE061A的ADC模块进行采集的。
为了提高测量的精度,系统进行十次测量,也就是取端口电压十次,然后求和取平均,通过SPCE061A的模数转换功能,把测量的结果输出,并通过61板自带的扬声器语音播报。
通过SPCE061A来监测环境光线状况,并根据光线强弱进行温馨提示:
如果光线太弱,系统播报“光线太弱,请保护眼睛”;如果光线太强,系统播报“光线太强,请保护眼睛”。
本环境测量系统充分发挥了人性化的性质,利用SPCE061A的语音播报功能,配合传感器模组,实现语音播报功能。
通过61板进行温度测量,并能实现播报当前温度值和光线状况,播放温度值的格式为“温度,XX摄氏度”。
对于液晶显示,由于点阵式液晶显示模块功耗低、体积小,且可以显示各种字符、汉字以及图形,因而可广泛应用于数字式仪表和各种低功耗监测系统中[4]。
这次设计就是利用SPLC501液晶显示测量结果当SPCE061A送出数据到I/O口时,通过软件驱动显示器把文字显示出来。
图2-1为环境测试仪的硬件连接图。
图2-1环境测试仪的硬件连接图
2.3开发环境
61板是以16位单片机SPCE061A为核心的精简开发-仿真-实验板,是“凌阳大学计划”专为大学生、电子爱好者等进行电子实习、课程设计、毕业设计、电子制作及电子竞赛所设计的,61板的主要特点是:
简单、易学、实用。
它采用的是精简指令集,共有41条指令,指令功能简单且容易掌握。
“61板”除了具备单片机最小系统电路外还包括有电源电路、音频电路(含MIC输入部分和DAC音频输出部分)、复位电路等,而且体积小、采用电池供电,方便随身携带。
61板开发系统的开发环境叫做集成开发环境,它具备以下功能:
程序编写,可以在开发环境里录入程序;编译程序,负责把程序翻译成机器码;程序下载,把机器码下载到仿真板或开发系统上;可以组织多个程序文件形成一个系统开发的项目,这样更有利于一些大型系统的开发和各功能模块的模块化,同时它还结合SPCE061A单片机的硬件提供各类在线调试窗口,使调试程序变得更加直观和简单,除此之外,它还提供一些软件模拟SPCE061A单片机仿真的功能,在没有硬件的情况下也可以完成一些简单程序的调试。
在此环境中,支持标准C语言,可以实现C语言与凌阳汇编语言的互相调用,并且提供了语音录放的库函数,只要了解库函数的使用,就会很容易完成语音录放,这些都为软件开发提供了方便的条件。
可以通过集成开发环境使用C语言和汇编语言对SPCE061A进行编程,之所以会有语言的出现主要是因为单片机或电脑只认识“0”和“1”,但人就难于理解,所以后来人们就发明了一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言,这就是所谓的汇编语言,当然用汇编语言写的程序必需通过编译器翻译成机器码才能被单片机认识和执行。
人常用的语言是更上一层的高级语言,比如C,BASIC。
这些语言编写的程序更容易理解,并且一般都能在多种电脑上运行(多种电脑上运行就是所谓平台概念,可方便的实现资源重复利用),但同样必须先由一个叫作编译器或者是解释器的软件将高级语言程序翻译成特定的机器语言程序。
汇编语言主要优点是占用硬件资源少、程序直接对硬件操作加快了处理速度。
但是不同的单片机,其汇编语言可能有所差异,所以不利于资源重复利用。
C语言是一种比汇编更高级语言。
其优点是可以很好的组织程序,并且容易读懂,可以在多种单片机上运行,是普遍使用的一种计算机语言。
缺点是占用硬件资源较多,处理速度和效率没有汇编高,当然这也取决于编译器的翻译结果。
2.4本章小结
本章主要讲述了环境测试仪的设计方案以及环境测试仪设计中选择的元件。
本方案选用SPCE061A,其实现语音播报极为方便,系统介绍了环境测试仪实现的功能。
第3章系统硬件设计
图3-1为环境测试仪的系统框图,系统采用SPCE061A作为主控制器,通过传感器模组测量温度或者光线,并通过61板配带的扬声器播放测量结果。
该环境测试仪通过传感器模组中光敏电阻和热敏电阻的电压值来测量环境的温度和光线状况,这些电压值是通过SPCE061A的ADC模块进行采集的;61板上的按键KEY3主要是用来启动温度的测量,测量的结果都通过61板子带的扬声器播放出来,并由SPLC051液晶显示模组显示测量的温度值。
图3-1环境测量仪系统框图
3.1SPCE061A概述
SPCE061A是凌阳科技开发的采用μ’nSP™内核的16位结构的微控制器。
SPCE061中内嵌32K字的闪存FLASHROM。
较高的处理速度使μ’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。
因而,以μ’nSP™为核心的SPCE061A微控制器也适用在数字语音识别应用领域。
SPCE061A在2.6~3.6V工作电压范围内的工作频率范围为0.32~49.152MHZ,较高的工作速度使其应用领域更加拓宽。
SPCE061A中包括2K字的SRAM和32K字的闪存ROM,仅占一页存储空间;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/低电压监测功能,8通道10位模/数转换输入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等。
SPCE061A尤其适合于数字声音和语音识别领域。
3.1.1性能特点和应用领域
SPCE061A是凌阳科技公司研制的一个16位结构的微控制器。
它的性能特点有:
(1)16位μ'nSP内核的微处理器;
(2)工作电压:
内核工作电压VDD为3.0~3.6V(CPU),I/O口工作电压VDDH为VDD~5.5V(I/O);
(3)CPU时钟:
0.32MHz~49.152MHz;
(4)内置2K字的静态RAM;
(5)置32K字闪存ROM;
(6)可编程音频处理;
(7)锁相环晶体振荡器或RC振荡器,为系统提供时钟信号;
(8)系统处于备用状态下(时钟处于停止状态),耗电可降至3.6V电源电压下的2μA;
(9)2个16位可编程定时器/计数器(可自动重预置初始计数值);
(10)2个10位DAC(数-模转换)输出通道;
(11)32位通用可编程输入/输出端口;
(12)14个中断源,两级优先级,中断可来自系统时钟、定时器/计数器、时间基准发生器、外部中断、键唤醒、通用异步串行通信及软中断;
(13)具备触键唤醒的功能;
(14)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;
(15)锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号;
(16)内置32768Hz实时时钟;
(17)7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器;
(18)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功能;
(19)具备串行设备接口;
(20)低电压复位(LVR)功和低电压监测(LVD)功能;
(21)内置在线仿真板(ICE,In-CircuitEmulator)接口;
(22)运行/睡眠方式下的看门狗功能[5]。
SPCE061A的应用领域有:
(1)语音识别类产品;
(2)智能语音交互式玩具;
(3)寓教于乐类玩具;
(4)电子故事书类产品;
(5)通用语音合成器类产品;
(6)需较长语音持续时间类产品。
3.1.2SPCE061A的结构
SPCE061A是凌阳科技公司研制的一个16位结构的微控制器。
它的内核采用公司最新推出的16位微处理器芯片,工作电压范围为2.6~5.5V,系统工作频率为0.375-49.152MHz。
它不仅具有微处理器的功能,还具有DSP运算功能。
较高的处理速度使μ’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。
低电压、较高的系统工作频率使该单片机可以快速的处理复杂的数字语音信号。
片内集成了具有自动增益控制功能的麦克风输入方式以及DAC音频输出功能,使用凌阳音频编码SACMS240方式(2.4Kb/s)。
它还提供了丰富的C函数库和语音处理函数库,因此非常适合数字语音和语音识别产品的开发。
SPCE061A主要包括并行输入/输出口(I/O)、定时器/计数器、数/模转换器、模/数转换器、串行设备输入输出、通用异步串行接口、低电压监测和复位等部分,并且内置在线仿真电路ICE接口,较高的处理速度使其能够快速的处理复杂的数字信号。
SPCE061A单片机应用领域非常广泛,例如应用在家用电器控制器、工业控制、通信产品、医疗设备以及电子书籍等诸多方面。
SPCE061A还具有唤醒功能,即当输入电平发生变化时会触发CPU中断。
在电池供电、追求低功耗的应用场合,可以让CPU进入睡眠模式(利用软件控制)以降低功耗,需要时才唤醒CPU,使其进入工作状态,这样既可以节省能耗,又可以延长机器的使用寿命。
正因为有以上特点,我们可以说SPCE061A微处理器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种理想、经济的选择。
目前,SPCE061A主要应用于家用电器控制器、工业控制、智能玩具、通信产品、医疗设备以及语音识别类产品等领域。
SPCE061A的结构图如图3-2所示。
图3-2SPCE061A内部结构图
图3-2中,输入/输出接口是单片机与外设交换信息的通道。
输入端口负责从外界接收检测信号、键盘信号等各种开关量信号。
输出端口负责向外界传送由内部电路产生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。
μ’nSP™内有并行和串行两种方式的I/O口。
并行口线路成本较高,但是传输速率也较高;与并行口相比,串行端口的传输速率较低但可以节省大量的线路成本。
SPCE061A有两个16位的通用并行I/O口:
A口
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