环境温度光强采集系统讲解.docx

1、环境温度光强采集系统讲解目录前言.1第1章 系统设计.21.1温度光强采集系统.2第2章 硬件设计.22.1控制器.22.1.1 STM8S103单片机.2 2.1.2 STM8S103单片机内部ADC.42.2测温电路.42.2.1测温使用的是NTC热敏电阻.42.2.2热敏电阻硬件原理图.62.2.3热敏电阻硬件连接图.72.3 光强测试电路.72.3.1光强测试电路使用的是光敏电阻性.72.3.3光敏电阻硬件原理图.82.3.4光敏电阻硬件连接图.112.4 显示电路.112.4.1数码管.112.4.2 TM1628芯片.122.4.3显示电路原理图.13第3章 软件设计.173.1设

2、计思路与流程图.173.2 ADC子程序.173.3数据处理子程序.193.4显示子程序.203.5整体程序.20第4章系统调试和功能测试.284.1系统硬件调试.284.2系统软件调试.294.3系统功能测试.30第5章结束语.31参考文献.32前言 随着电子计算机信息技术的不断发展和善，采用单片机实现的温度与光强采集系统的应用越来越多。且采用单片机实现的温度与光强采集系统具有自动化和无人值守等特点，使得它们在许多应用场合得到了广泛的应用。本文介绍的温度和光强采集系统具有一定的通用性，它采用传感器与单片机的A/D通道相连，简化了模拟采集的设计，从而减小设计的复杂性，增加系统的可靠性，也同时减

3、小了PCB的面积。显示模块主要是驱动数码管便于实时观察。该系统充分体现了智能化、低功耗、高精度的发展趋势。重点在于传感器的设计及智能化、低功耗的硬件电路设计上。第1章 系统设计1.1温度光强采集系统 如图1.1所示为环境温度光强采集系统框图，该学年设计以单片机控制的温度光强采集系统为主，利用单片机来完成对温度及光强的检测，实现在安全温度和光强内正常显示温度值和光强值。 系统在温度采集时主要应用了NTC热敏电阻，在光强采集时主要应用了光敏电阻。这两个器件同时与STM8单片机的ADC通道3连接，通过跳冒进行对温度和光强采集的切换。系统中还应用了TM1628芯片进行数码管显示的驱动，一共应用了3位数

4、码管。图1.1系统方框图第2章 硬件设计2.1控制器 2.1.1 STM8S103单片机 STM8系列是意法半导体公司生产的低电压、高性能8位的单片机；片内含8k字节可反复擦写的Flash和1k字节的随机存储器（RAM）；带有32个中断的嵌套中断控制器，6个外部中断向量，最多27个外部中断；16位通用定时器，同时带有3个捕获/比较通道（IC、OC或PWM）；带有同步时钟输出的UART，智能卡红外IrDA，LIN接口，SPI接口最高到8Mbit/s,I2C接口最400Kbit/s；同时STM8S103单片机内还具有10位的+1LSB的A/D，通道数随芯片不同而不同，少的有4 个通道，多的则有 1

5、6 个通道。STM8S103单片机还具有通用输入输出口(GPIO),通用输入/输出口用于芯片和外部进行数据传输。一个IO端口可以包括多达8个引脚，每个引脚可以被独立编程作为数字输入或者数字输出口。另外部分口还可能会有如模拟输入，外部中断，片上外设的输入/输出等复用功能。但是在同一时刻仅有一个复用功能可以映射到引脚上。复用功能的映射是通过选项字节控制的。请参考数据手册关于选项字节的描述。每个端口都分配有一个输出数据寄存器，一个输入引脚寄存器，一个数据方向寄存器，一个选择寄存器，和一个配置寄存器。一个I/O口工作在输入还是输出是取决于该口的数据方向寄存器的状态。GPIO 主要功能 端口的各个位可以

6、被单独配置 可选择的输入模式：浮动输入和带上拉输入 可选择的输出模式：推挽式输出和开漏输出 数据输入和输出采用独立的寄存器 外部中断可以单独使能和关闭 输出摆率控制用以减少EMC噪声 片上外设的I/O功能复用 当作为模拟输入时可以关闭输入施密特触发器来降低耗 在数据输出锁存时支持读-修改-写 输入兼容 5V电压 I/O口工作电压范围为1.6 V 到V DDIOmax图2.1为STM8S103单片机示意图图2.1 STM8S1032.1.2 STM8S103单片机内部ADC在 STM8 单片机中，提供的两个A/D，分别是ADC1和ADC2。ADC1和ADC2是10位的逐次比较型模拟数字转换器,提

7、供多达16个多功能的输入通道A/D转换的各个通道可以执行单次和连续的转换模式。（1）主要功能ADC1和ADC2的功能如下：10位的分辨率单次和连续的转换模式可编程的(转换频率的)预分频：f MASTER 可以被分频 2 到 18可以选择ADC专用外部中断(ADC_ETR)或者定时器触发信号(TRGO)来作为外部触发信号模拟放大 (对于具有V REF 引脚的型号)转换结束时可产生中断灵活的数据对齐方式ADC 输入电压范围：VSSAV IN V DDA2.2测温电路2.2.1测温使用的是NTC热敏电阻（型号：MF52AT）（1）型号MF52103H3950FANTC热敏电阻环氧系列电阻值阻值允差B

8、值B值允差B值类别10K5%3950K1%B25/50（2）电气性能序号项目符号测试条件最小值正常值最大值单位3-1.25的电阻值R25Ta=250.05PT0.1mw9.910.010.1k3-2.50的电阻值R50Ta=500.05PT0.1mw/4.0650/k3-3.B值B25/50343634703504K3-4.耗散系数Ta=250.52.0/mw/3-5.时间常数Ta=250.5/15sec3-6.绝缘电阻/500VDC50/M3-7.使用温度范围/-55/+125（3）温度特性MF52 10K3950温度特性表 R25=10KB(25/50)=3950KT()R(K)T()R(

9、K)T()R(K)T()R(K)12 18.1489 25 10.0000 38 6.1418 51 3.9271 13 17.6316 26 9.5762 39 5.9343 52 3.7936 14 16.9917 27 9.1835 40 5.7340 53 3.6639 15 16.2797 28 8.8186 41 5.5405 54 3.5377 16 15.5350 29 8.4784 42 5.3534 55 3.4146 17 14.7867 30 8.1600 43 5.1725 56 3.2939 18 14.0551 31 7.8608 44 4.9976 57 3.1

10、752 19 13.3536 32 7.5785 45 4.8286 58 3.0579 20 12.6900 33 7.3109 46 4.6652 59 2.9414 21 12.0684 34 7.0564 47 4.5073 60 2.8250 22 11.4900 35 6.8133 48 4.3548 61 2.7762 23 10.9539 36 6.5806 49 4.2075 62 2.7179 24 10.4582 37 6.3570 50 4.0650 63 2.6523 （4）电阻与温度关系式的特性曲线温度与电阻值的关系式：T=68.5751+0.1917*R2-6.2

11、730*R2.2.2热敏电阻硬件原理图：图2.2热敏电阻硬件原理图热敏电阻两端电压与电阻的关系为：R=V*10.0/(4.0-V)根据这几个关系式，我们就根据 ADC 采进来的电压可以推算出当前温度的大概值了。2.2.3热敏电阻硬件连接图：2.3光强测试电路2.3.1光强测试电路使用的是光敏电阻光敏电阻，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。光敏电阻的工作原理是基于内光电

12、效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半

13、导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。作用：光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器对光的敏感性与人眼对可见光（0.40.76m）的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。图2.3光敏电阻原理图2.3.2光敏电阻的基本特性（1）伏安特性：在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图46-2为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，光敏电阻在一定的电压范围内，

14、其特性曲线为直线。（2）光照特性：光敏电阻的光照特性是描述光电流和光照强度之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。图46-3为硫化镉光敏电阻的光照特性。（3）光谱特性：光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。图46-4 为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。 对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。（4）频率特性：实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性

15、，这种惰性通常用时间常数表示。 大多数的光敏电阻时间常数都较大， 这是它的缺点之一。 不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数(毫秒数量级)， 因而它们的频率特性也就各不相同。 图46-5为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性。（5）温度特性：光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应，同时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也随之改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图46-6为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。2.3.3光敏电阻硬件原理图：图2.3光敏电阻硬件原理图2.3.4光敏电阻硬件连接图：2.4 显示电路本设

16、计显示电路应用的是一个由TM1628芯片驱动的3位的数码管电路。2.4.1数码管数码管由八个发光二极管构成，分共阴和共阳两种，本设计应用的是的是共阴的数码管，即如图 2.4 所示：图 2.4 共阴极数码管共阴极数码管就是发光二极管的所有的阴极连接到一块，当 GRID1置0时，选定当前的数码管，SEG17任意一位或多位置 1，则可点亮相应的段。本设计的数码管原理图：SEG18控制每个数码管的段，GRID57控制3个数码管位，同时控制数码管的段和位的引脚都接在了TM1628芯片的对应引脚上，即数码管由TM1628芯片驱动，是数码管点亮，下面就介绍一下本设计中应用的TM1628芯片。2.4.2 TM

17、1628芯片（1）概述TM1628 是一种带键盘扫描接口的LED（发光二极管显示器）驱动控制专用电路，内部集成有MCU 数字接口、数据锁存器、LED 高压驱动、键盘扫描等电路。本产品性能优良，质量可靠。 主要应用于VCR、VCD、DVD 及家庭影院等产品的显示屏驱动。 采用SOP28的封装形式。（2）特性说明 采用功率CMOS 工艺 多种显示模式（11 段7 位 14 段4 位） 键扫描（102） 辉度调节电路（占空比8 级可调） 串行接口（CLK，STB，DIO） 振荡方式：内置RC 振荡（450KHz+ 5%） 内置上电复位电路（3）管脚定义：（4）管脚功能定义： 符号 管脚名称 说明 D

18、IO数据输入/输出在时钟上升沿输入/输出串行数据，从低位开始。输出为N-ch open drain STB 片选在上升或下降沿初始化串行接口，随后等待接收指令。STB 为低后的第一个字节作为指令，当处理指令时， 当前其它处理被终止。 当STB 为高时， CLK 被忽略 CLK 时钟输入在上升沿读取串行数据，下降沿输出数据KEY1KEY2键扫数据输入输入该脚的数据在显示周期结束后被锁存Seg1/KS1Seg10/KS10 输出（段） 段输出（也用作键扫描）,p管开漏输出Grid1 Grid4 输出（位）位输出，N管开漏输出Seg12/Grid7 Seg14/Grid5输出（段/位）段/位复用输出

19、 VDD 逻辑电源5V10% VSS逻辑地 接系统地 NC空脚内部未连线 注意：DIO口输出数据时为N管开漏输出，在读键的时候需要外接1K-10K的上拉电阻。推荐10K的上拉电阻。DIO在时钟的下降沿控制N管的动作，此时读数时不稳定，如图所示在时钟的上升沿读数才时稳定。（5）指令说明： 指令用来设置显示模式和LED 驱动器的状态。在STB下降沿后由DIO输入的第一个字节作为一条指令。经过译码，取最高B7、B6两位比特位以区别不同的指令。 B7 B6 指令 0 0 显示模式设置 0 1 数据命令设置 1 0 显示控制命令设置 1 1 地址命令设置如果在指令或数据传输时STB被置为高电平，串行通讯

20、被初始化，并且正在传送的指令或数据无效（之前传送的指令或数据保持有效）。（6）串行数据传输格式：读取和接收1个BIT都在时钟的上升沿操作。数据接收（写数据）数据读取（读数据）注意：读取数据时，从串行时钟CLK 的第8 个上升沿开始设置指令到CLK 下降沿读数据之间需要一个等待时间Twait(最小1S)。2.4.3显示电路原理图: 其中数码管的段选引脚与位选引脚与TM1628芯片的对应引脚相连，图中标号相同的即为连在一起的引脚；TM1628芯片中的LED-DIO、LED-CLK和LED-CS 与单片机相连，已使温度与光强采集回来的信号由ADC转换后在数码管上显示出来。第3章 软件设计 本部分详细

21、介绍了基于STM8S103单片机的温度光强采集系统的软件设计。根据系统功能，可以将系统设计分为若干个子程序进行设计，如光强采集子程序，数据处理子程序、显示子程序、执行子程序。采用IAR Embedded Workbench集成编译环境和C语言来进行系统软件的设计。本章从设计思路、软件系统框图出发，先介绍整体的思路后，再逐一分析各模块程序算法的实现，最终编写出满足任务需求的程序3.1设计思路与流程图系统要完成温度光强采集，需要实现温度和光强信号的采集与A/D转换、数据处理、数据显示、数据输出等基本功能。从功能上可将其分为温度和光强信号采集及A/D转换、数据处理、人机交互、执行四大部分进行设计，软

22、件系统框图如图3.1所示：温度光强信号采集子程序，主要完成温度光强信号采集与A/D功能。采集子程序主要包括单片机ADC的配置、单片机从ADC通道中读数据等部分。数据处理子程序，当单片机收到ADC通道温度和光强信号后，数据处理子程序对该数据进行处理，主要是把采集到的二进制的温度光强数据转换成十进制光强数据。人机交互子程序为数码管显示子程序。数码管显示子程序的功能是实现将数据处理后的十进制光强数据，使用数码管显示出来。执行子程序，该子程序所实现的功能是把系统采集来的温度和光强值进行数据处理后，执行单片机的I/O口输出的状态，从而控制数码管的显示。3.2 ADC子程序模/数（A/D）转换测量子函数用

23、来控制对ADC的模拟输入电压进行A/D转换，并将对应的数值移入内存单元。首先应配置单片机的I/O口，使之成为ADC的通道；然后选择A/D转换模式，STM8S103单片机的ADC支持5种转换模式：单次模式、连续模式、带缓存的连续模式、单次扫描模式、连续扫描模式；本设计只用到了最简单的单次模式，由定时器控制每次转换的开启，注意 ADON 位的两次开启，第一次只是把 ADC 从低功耗模式唤醒，之后每次要开启转换时都要将 ADON 位置位才可以。单次模式：ADC 仅在唯一的通道（由ADC_CSR寄存器的CH3:0选定）上完成一次转换，一旦转换完成，转换后的数据存储在 ADC_DR寄存器中，EOC（转换

24、结束）标志被置位。最后就是启动A/D转换。这些都是需要配置单片机中的寄存器，下面介绍一下需要配置的寄存器。ADC配置寄存器：ADC_CR寄存器地址偏移值：0x02复位值：0x00 7 6 5 4 3 2 1 0保留EXTTRIG EXSEL1：0ALIGN保留SCAN保留ADC控制/状态寄存器：ADC_CSR 寄存器地址偏移值：0x00复位值：0x00 7 6 5 4 3 2 1 0 EOC AWD EOCIEAWDIE CH3：0把位 5 置 1 后，每次转换结束后都会产生转换结束中断，在中断里要清除EOC 标志，位3:0是选择要转换的通道 AINx，如果是单次模式，则转换的就是AINx 通

25、道，如果是扫描模式，则转换的是从 AIN0 到 AINx 通道。ADC数据高位寄存器：ADC_DRH寄存器地址偏移值：0x04复位值：未定义 7 6 5 4 3 2 1 0 DH7：0ADC数据低位寄存器：ADC_DRL寄存器地址偏移值：0x06复位值：0X00 7 6 5 4 3 2 1 0 DH7：0当转换结束后，采样结果从这两个寄存器里读出，如果是多通道扫描模式，数据则储存在 ADC_DBRH 和 ADC_DBRL 寄存器里。3.3 数据处理程序设置分辨率为10位转化后得到的数据，进行相应的处理，系统根据数据情况进行控制处理。温度或光强信号的采集与A/D转换，并把数据传递给单片机，并保存

26、起来。数据处理时，把数据取出来，放在一个整型变量中。首先取出整数部分进行处理，求出数据十进制表示时的百位、十位及个位，再求小数部分数据。计算流程图如图所示：3.4 显示子程序 因为显示用到4个LED数码管，考虑到STM8S103的I/O口不足，所以采用STM8S103控制TM1628，TM1628驱动数码管动态扫描法实现3位数码管的数值显示。节省I/O口的目的。测量所得的A/D转换数据放在定义的ad_data内存单元中，测量所得的A/D数据在显示时需要经过转换变成十进制BCD码。同时显示子程序还要完成单片机对TM1628芯片的初始化和配置的程序。3.5 整体程序：3.5.1 main.c#include #include #include TM1628.h#define u8 unsigned char#define u16 unsigned int#define u32 unsigned