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1、概 要本文介绍了以SPI总线器件TMP122为测温核心，用单片机AT89S611 供电系统. .18612 基于TMP122的测温单元. .19613 控制单元电路. .20614 显示单元电路. .2162 PCB设计. . . . .2263 程序调试. . . . .23631 主程序及显示中断程序流程图. .23632 部分程序清单. .2464 系统调试与分析. .25结论. . . .27致谢. . .28参考文献. . .29附录1. . .30附录2. . .31前 言本实训项目通过电子测温计系统总体方案设计、选择具有ISP下载方式的AT89S51、绘制电子测温计电路原理图、绘
2、制电子测温计印制电路板图、制作电子测温计印制电路板图、安装、焊接电子测温计印制电路板、绘制流程图、上机调试电子测温计程序等环节设计并制作一个电子测温仪，使之能够测量-10125的温度，并且用数码管显示出来。本报告正是以实训项目为载体，对实训项目中用到的软硬件主要技术、主要芯片特性进行阐述。第一章 DXP软件介绍1.1 DXP的发展历史随着计算机业的发展，从80年代中期计算机应用进入各个领域。在这种背景下，87、88年由美国ACCEL Technologies Inc推出了第一个应用于电子线路设计软件包TANGO，这个软件包开创了电子设计自动化（EDA）的先河。随着电子业的飞速发展，TANGO显
3、示出其不适应时代发展需要的弱点，Protel Technology公司以其强大的研发能力推出了Protel For Dos作为TANGO的升级版本，从此Protel1这个名字在业内日益响亮。八十年代末，Protel相继推出了Protel For Windows 1.0、Protel For Windows1.5等版本。这些版本的可视化功能给用户设计电子线路带来了很大的方便，设计者再也不用记一些繁琐的命令。九十年代中，Win95开始出现，Protel也紧跟潮流，推出了基于Win95的3.X版本。98年，Prote公司推出了给人全新感觉的Proel98。Protel98以其出众的自动布线能力获得了
4、业内人士的一直好评。99年，Protel公司又推出了最新一代的电子线路设计系统Protel99。在Protel99中加入了许多全新的特色。Altium公司作为EDA领域里的一个领先公司，在原来Protel 99SE的基础上，应用最先进的软件设计方法，率先推出了一款基于Windows2000和Windows XP操作系统的EDA设计软件Protel DXP。Protel DXP是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。12 DXP 2004的特点Protel DXP20042是Altium公司于2004年推出的最新
5、版本的电路设计软件，该软件能实现从概念设计，顶层设计直到输出生产数据以及这之间的所有分析验证和设计数据的管理。Protel DXP 2004已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是由多个模块组成的系统工具，分别是SCH（原理图）设计、SCH（原理图）仿真、PCB（印制电路板）设计、Auto Router（自动布线器）和FPGA设计等，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。第二章 PCB制作2.1 PCB的发展简史印制电路基本概念在本世纪初已有人在专利中提出
6、过，1947年美国航空局和美国标准局发起了印制电路首次技术讨论会,当时列出了26种不同的印制电路制造方法。并归纳为六类:涂料法、喷涂法、化学沉积法、真空蒸发法、模压法和粉压法.当时这些方法都未能实现大规模工业化生产, 直到五十年代初期，由于铜箔和层压板的粘合问题得到解决,覆铜层压板性能稳定可靠,并实现了大规模工业化生产，铜箔蚀刻法，成为印制板制造技术的主流，一直发展至今。六十年代，孔金属化双面印制和多层印制板实现了大规模生产,七十年代收于大规模集成电路和电子计算机和迅速发展,八十年代表面安装技术和九十年代多芯片组装技术的迅速发展推动了印制板生产技术的继续进步,一批新材料、新设备、新测试仪器相继
7、涌现.印制电路生产动手术进一步向高密度,细导线,多层,高可靠性、低成本和自动化连续生产的方向发展. 我国从五十年代中期开始了单面印制板的研制，首先应用于半导体收音机中。六十年代中自力更生地开发了我国的覆箔板基材,使铜箔蚀刻法成为我国PCB生产的主导工艺，六十年代已能大批量地生产单面板,小批量生产双面金属化孔印制 ,并在少数几个单位开始研制多层板。七十年代在国内推广了图形电镀蚀刻法工艺,但由于受到各种干扰,印制电路专用材料和专用设备没有及时跟上,整个生产技术水平落后于国外先进水平。到了八十年代,由于改革开放政策,不仅引进了大量具有国外八十年代先进水平的单面、双面、多层印制板生产线,而且经过十多年
8、消化、吸收,较快地提高了我国印制电路生产技术水平.1990年以来香港、台湾地区及日本等外国PCB厂商纷纷来到我国合资或独资设厂，使我国PCB生产产量猛增，发展很快。2.2 PCB的应用 PCB(Printed Circute Board)印制线路板的简称，通常把在绝缘材上，按预定设计，制成印制线路、印制元件或两者组合而成的导电图形称为印制电路。而在绝缘基材上提供元器件之间电气连接的导电图形，称为印制线路。这样就把印制电路或印制线路的成品板称为印制线路板，亦称为印制板或印制电路板。标准的PCB上头没有零件，也常被称为“印刷线路板Printed Wiring Board（PWB）”。2.3 PCB
9、的制造原理挠性银浆印制线路板使用丝网漏印方法得到图形。刚性板所用的基材是由纸基（常用于单面）或玻璃布基（常用于双面及多层），预浸酚醛或环氧树脂，表层一面或两面粘上覆铜簿再层压固化而成，我们就称它为刚性印制线路板。单面有印制线路图形称单面印制线路板，双面有印制线路图形，再通过孔的金属化进行双面互连形成的印制线路板，称其为双面板。如果用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的印制线路板，通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印制线路板就成为四层、六层印制电路板了，也称为多层印制线路板。2.4 PCB的生产过程PCB的生产过程较为复杂，它涉及的工艺
10、范围较广，从简单的机械加工到复杂的机械加工，有普通的化学反应还有光化学电化学热化学等工艺，计算机辅助设计CAM等多方面的知识。由于其生产过程是一种非连续的流水线形式，任何一个环节出问题都会造成全线停产或大量报废的后果，印刷线路板如果报废是无法回收再利用的。板子本身的基板是由绝缘隔热、并不易弯曲的材质所制作成在表面可以看到的细小线路材料是铜箔，原本铜箔是覆盖在整个板子上的，而在制造过程中部份被蚀刻处理掉，留下来的部份就变成网状的细小线路了这些线路被称作导线（conductor pattern）或称布线，并用来提供PCB上零件的电路连接为了将零件固定在PCB上面，我们将它们的接脚直接焊在布线上在最
11、基本的PCB（单面板）上，零件都集中在其中一面，导线则都集中在另一面，PCB的正反面分别被称为零件面（Component Side）与焊接面（Solder Side）。 如果PCB上头有某些零件，需要在制作完成后也可以拿掉或装回去，那么该零件安装时会用到插座（Socket）由于插座是直接焊在板子上的，零件可以任意的拆装。如果要将两块PCB相互连结，一般我们都会用到俗称金手指的边接头（edge connector），金手指上包含了许多裸露的铜垫，这些铜垫事实上也是PCB布线的一部份。通常连接时，我们将其中一片PCB上的金手指插进另一片PCB上合适的插槽上。PCB上的绿色或是棕色，是阻焊漆（sol
12、der mask）的颜色，这层是绝缘的防护层，可以保护铜线，也可以防止零件被焊到不正确的地方在阻焊层上另外会印刷上一层丝网印刷面（silk screen）通常在这上面会印上文字与符号（大多是白色的），以标示出各零件在板子上的位置丝网印刷面也被称作图标面（legend）。印刷电路板将零件与零件之间复杂的电路铜线，经过细致整齐的规划后，蚀刻在一块板子上，提供电子零组件在安装与互连时的主要支撑体，是所有电子产品不可或缺的基础零件。印刷电路板以不导电材料所制成的平板，在此平板上通常都有设计预钻孔以安装芯片和其它电子组件。组件的孔有助于让预先定义在板面上印制之金属路径以电子方式连接起来，将电子组件的接脚
13、穿过PCB后，再以导电性的金属焊条黏附在PCB上而形成电路。本次实训我们就亲自实践了整个PCB板的制作过程，掌握了生产实际中PCB板的制作技术，很有成就感，对锻炼我们的动手能力有极大的帮助，而且在学校中就学到了对我们很实用的技能，增强了我们的信心，很有意义！第三章 AT89S51单片机介绍AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工
14、业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器6。其主要特性如下：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 AT89S51是市场上开发工程师应用的比较多的一种单片机，市场份额很大，价位在6元左右，比较便宜，我们的课程中也是讲得它，本次实训中我们就选用了AT89S51。第四章 温
15、度传感器41模拟量温度传感器热电偶的应用原理温度传感器热电偶3是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：测量精度高。因温度传感器热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的温度传感器热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊温度传感器热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。构造简单，使用方便。温度传感器热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。42 模拟量温度传感器热电阻的应用原理温度传感器热电阻4是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精
16、确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。温度传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。温度传感器热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造温度传感器热电阻。4.3 TMP122温度传感器TMP12211是一款数字输出温度传感器，其内部的集成电路，带有与SPI接口并采用微型SOT23封装技术。适用于诸如计算机外设热保护、笔记本电脑、手机、恒温控制器、电池管理与环境监控等对空间要求极严格的低功耗系统。其工作温度范围介于 -55C至+150C 之间，其在温度范围为 -25C 至 +8
17、5C 时，测量所得温度的精确度在0.5摄氏度以内（最大为1.5C）。该器件具有50uA的极低电流、仅为 0.1uA的关断电流，以及2.7V至5.5V的电源范围等卓越特性，因而是低功耗应用的最佳选择。此外，TMP122 还可为报警引脚提供9至12位的可编程精度以及可编程设置点。TMP122是TI日益壮大的温度传感器产品系列的最新成员，是高精度、多功能及低功耗为一体的完美集成。由于 TMP122 具有可编程功能、纤小的封装以及极大的温度范围，因而可广泛应用于各种各样的应用之中。与模拟量输出的温度传感器相比，数字输出温度传感器可以节约前端调理电路，使电路尺寸减小，稳定度提高，因此，本次实训我们就选用
18、了这种传感器。第五章 数码管简介51数码管的分类数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字0 9、字符A F、H、L、P、R、U、Y、符号“-”及小数点“.”。数码管的外形结构如图5-1所示。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构。图5-1 数码管引脚图52 数码管的工作原理共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起。通常，公共阳极接高电平（
19、一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮。根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起。通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。这次实训设计中我们
20、采用了八段共阴数码管。第六章 项目制作6.1方案认证与电路设计经过同组同学们查阅资料，大家在一起讨论，在分析了几个方案的基础上确定了以下方案。本设计是制作一个电子测温仪，其整体结构如图6-1所示，下面就框图的每一部分作出分析。图6-1：结构框图6.1.1 供电系统因为本系统是采用+5供电，所以从各方面考虑，决定使用性价比较高的三端稳压器7805作为稳压芯片，相关电路如图6-2所示：U2U1图6-2：直流稳压电源原理图查电子手册得知,7805的输入电压是730V，本电路采用12V电压输入。即，交流电经变压、整流、滤波（滤波电容C5=470F）变成12V电压，则有（U2/2）x0.9=12V，即U
21、2=12V/0.9=13.3V。于是U1：U2=220：13.3=16：1（变压比）；本电路二极管所承受的最大反向电压为Urm=U2/1.414=19V,即可选用反向击穿电压为Ubr38V的二极管1N4007。图6-2中：C6主要是输入电压的纹波; C8用来消除电路中可能存在的高频噪声，即改善负载的瞬时响应。6.1.2 基于TMP122的测温单元 该单元其实就是一片TMP122数字化温度传感器芯片， 它是以SPI总线方式与控制单元通信。 TMP122适合于恶劣环境的现场温度测量,测量温度范围为 40 +125，在25 +85内测量所得温度的精确度在0.5C以内（最大为1.5C）。该器件具有50
22、uA的极低电流、0.1uA的关断电流，以及2.7V至5.5V的电源范围。下面就TMP122读写命令及寄存器配置做简单说明11。对于TMP122的使用，必须要了解它的相关读、写命令，下面给出了有关的寄存器配置及命令时序图。复合命令时序如图6-3，TMP122对于温度的转换是连续的，当CS 为低电平后，先得到的16位数据就是温度值，先是一个符号位，然后是最高位，格式见表6-1，前13个数据是符号位加12个位的温度值，D2是1， D1、D0是高阻态.。表6-3是几个温度数据格式的具体例子。在温度转换完成后，我们可以将CS变为高电平，表示转换完成，此时不再是复合命令时序，只是一个单一的读温度数据，命令
23、时序见图6-4。若我们让CS 依然为低电平，表6-2为读命令。图6-3：复合命令时序表6-1：温度寄存器数据格式表6-2：读命令表6-3：温度数据格式图6-4：读温度数据6.1.3 控制单元根据AT89S51单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好等优点，本设计即以AT89S51作为控制核心，组成本电路的控制单元模块。图6-5为AT89S51单片机最小系统。P1.5,P1.6,P1.7作为ISP下载口，P1.0,P1.1,P1.2作为SPI总线连接口。P0，P2作为显示信号输入输出端口。图6-5：最小系统6.1.4 显示单元设计运用四个八段共阴数码管作显
24、示，但为了增加I/O的驱动能力使用两片74lS06、达林顿管UNL2003，所以在编程序时，我们基本可以把该数码管当作是共阳数码管来给其显示代码，同时八只330电阻作上拉也是增加I/O口的驱动能力。具体电路如图6-6所示：图6-6：显示电路原理图6.2 PCB设计这次实训我们自己动手设计，制作了PCB板。在设计的过程中我们遇到了一些问题，像SCH库中并不是每一个电子元器件都有的，所以在画原理图时，我们首先要用编辑元器件，然后再画原理图，有些地方我们使用了总线画图，但没有把对应连接引脚间用网络标号标注，所以在ERC检查时怎么也过不去，每每都是一推错误和警告。再设计PCB时，PCB元器件封装库中有
25、许多封装都没有，我们一边看书一边动手操作，还使用了游标卡尺等测量元件的引脚间距。在这次实训中还遇到的问题是元器件原理图的引脚标号与封装引脚标号不一致，在加载网络表时出错，我们用更改其中一个与另一个相同的方法来解决。这其中较为典型的就是二极管了，在原理图中它的两个引脚标号是1和2，而在封装库中标号是S和K。尽管遇到很多困难，但是还是作出了如图6-7所示的PCB版图。图6-7：PCB版图6.3 程序调试6.3.1 主程序及显示中断子程序流程图 图6-8是主程序流程图，对于TMP122的温度读取，直接进入温度的读状态，为了不影响温度转换的时序，在TMP122的温度的过程中一定要关断中断，转换完成后再
26、打开。图6-9是显示中断子程序流程图，我们利用定时/计数器T0的定时功能，每2ms 进一次中断，然后进行显示。TMP122温度转换，开中断从RAM中读前两字节数据，得到温度数据处理，得到实际温度值初始化，T0中断定时赋值2ms，关中断图6-8：主程序流程图初始化,T0中断定时赋值2ms数据送显示缓冲区，依次显示百位（负数显示 ）、十位、个位、小数点位图6-9：中断显示子程序流程图6.3.2 部分程序清单/*程序开始部分#includereg51.h#includeintrins.h#includemath.hsbit cs=P10; /定义数据端口sbit sio=P11;sbit sck=P
27、12;code unsigned char disdata=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;int templ=0,temph=0; /定义整型全局变量，分别存放从TMP122读出数据的高字节位和低字节位lint temperature=0x8f,T;long float TN;bit flag; /定义标志位unsigned char m=0;/*下面是定时器0的中断服务程序*/ void display(void) interrupt 1 using 0 TH0=0xf8; TL0=0x30; switch(m) case
28、 0:if(flag=1) P0=0xbf; /显示“” flag=0; /标志位值0 else P0=disdataT/10000; P2=0x08; /点亮第一个数码管 break; case 1:P0=disdataT%10000/1000; P2=0x04;break; case 2:P0=disdataT%1000/100&0x7fff; /显示带小数点的个位 P2=0x02;break; case 3:P0=disdataT%100/10; P2=0x01;break; default: m=0;break; /m3时，m值0 m+;/*主函数*/void main(void) T
29、MOD=0x01; /将定时器0设置为模式1定时方式 TH0=0xf8; /定时2ms的初值 TL0=0x30; EA=1; /开中断 ET0=1; /允许定时器0产生中断 TR0= 1; /开始计数 while(1) readtmp122(); /读温度 zh(); /转换温度 6.4 系统调试与分析调试工具：稳压源，温度器，加热器，PC机，AT89S51下载线，keil C，Atmel下载软件。调试步骤：1.把编译好的程序下载到单片机中；2.拔下数据线，测温并记录数据（数据如表4所示）；3.用加热器加热，再测温记录数据。测试环境：一杯95的开水，在室温为29室内自然冷却，用分辨率为1温度计
30、和被测得温度器同时测量得水得温度，每隔10分钟读一次温度值，数据如下表所示：表6-7：温度对比表 123456789温度计测试值957357494239373534作品实测值9572.557.54842.53936.53534101112131415161718温度计测试值333130302929292929作品实测值33.531.530.53029.529.5292929经过三个小时的测试，由上表数据可知，温度下降幅度基本符合温度曲线，与温度计所测值比较，我们的作品能够完成精确测温。结 论五周时间很快就过去了，关于TMP122温度计设计制作的综合实训已经结束了，在此次实训中我们完成了从资料收
31、集、确定方案、计划制定、电路图设计、焊接到程序的调试、检查和评估等一系列任务，实现了具有ISP在线可编程的电子测温仪的设计和制作，收获很大，圆满地完成了实训任务。致 谢本综合实训项目是在老师的悉心指导下完成的，他对本次实训工作倾注了大量的心血。五周来，老师深厚的专业背景、严谨的治学态度、平易宽厚的人格作风使我受益匪浅。感谢您对我的悉心教诲，使我顺利地完成了实训任务，在实训任务完成之际，衷心感谢老师对我的关心和培养！感谢我同组同学及同班同学的帮助和关心！最后向审阅技术报告的老师致以深深的谢意！参考文献1.王振营、李满、杨君等. PROTEL DXP 2004电路设计与制版实用教程.中国铁道出版社
32、,2.王利强、杨旭、李成、胡建明电路CAD-Protel DXP2004电路设计与实践.天津大学,3.刘畅生、宣宗强、雷振亚、张昌民.传感器简明手册及应用电路-温度传感器分册(上 册).西安电子科技大学出版社.2005.114. 吕泉.现代传感器原理及应用.清华大学出版社.2006.65.杨学昭、王东云. 单片机原理、接口技术及应用(含C51).西安电子科技大学出版社 2009.26.唐颖.单片机原理与应用及C51程序设计.北京大学出版社.2008.87.陈权昌等.单片机原理及应用(21世纪高职高专电类系列规划教材).华南理工大学出版社. 2008.88. 李朝春. 单片机&DSP外围数字IC
33、技术手册. 北京航空航天大学出版社9. 求是科技.单片机典型模块设计实例导航.人民邮电出版社10 . 11. 附 录1 电路图附 录二 元器件清单元器件清单序号名称代号规格/型号数量备注1电阻R1,R5,R6,R7,R8 R9,R10,R11,R12 3302%9AXIAL0.42电阻R41K2%1AXIAL0.43电阻R310K2%1AXIAL0.44电阻R24.7K2%1AXIAL0.45电容C8、C930p2RAD0.16电容C2,C3,C4,C5,C6,C70.1F6RAD0.17电解电容C122F/16V/20%1RB.2/.48电解电容C1147f/16V/20%1RB.2/.49电解电容C10470uF/25V/20%1RB.2/.410晶振Y111.0592Mhz1RAD0.211数码管外接八段共阴412探测头外接TMP122113集成块U1AT89S511DIP4014集成块U2、U374LS062DIP1415集成块U6ULN20031DIP1616集成块U5LM78051TO-22017接插件J1CON22SIP218接插件JP1HEADER 5X21十针下载接口19按键S16*6小按键120其他3*8螺丝及螺母
