【文章內(nèi)容簡介】 入電壓提供0dB(1x)、20dB(10x)或46dB(200x)的放大級。七路差分模擬輸入通道共享一個通用負端(A/D1),而其他任何A/D輸入可做為正輸入端。如果使用1x或10x增益，可得到8位分辨率。如果使用200x增益，可得到7位分辨率。A/D包括一個采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到A/D的電壓保持恒定。A/。A/D由AVCC引腳單獨提供電源。AVCC與VCC之間的偏差不能超過177。，以及AVCC都位于器件之內(nèi)?；鶞孰妷嚎梢酝ㄟ^在AREF引腳上加一個電容進行解耦，以更好地抑制噪聲。主要技術(shù)參數(shù)和特點：? 10位精度；? ；? 177。2LSB的絕對精度；? 65~260181。s的轉(zhuǎn)換時間；? 最高分辨率時采樣率高達15KSPS；? 8路復(fù)用的單端輸入通道；? 7路差分輸入通道；? 2路可選增益為10x與200x的差分輸入通道；? 可選的左對齊A/D讀數(shù)；? 0~VCC的A/D輸入電壓范圍；? A/D參考電壓； ? 連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式；? 通過自動觸發(fā)中斷源啟動A/D轉(zhuǎn)換；? A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷；? 基于睡眠模式的噪聲抑制器。 A/D轉(zhuǎn)換模塊與信號采集電路的連接由于Atmega16內(nèi)部自身帶有A/D轉(zhuǎn)換器，因此信號采集電路可直接與Atmega16單片機連接，利用其內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進實行A/D轉(zhuǎn)換。： A/D轉(zhuǎn)換連接原理圖 LCD顯示電路的設(shè)計LCD1602內(nèi)部集成了放大器和數(shù)據(jù)存儲器，Atmega16輸出的信號可直接輸送給LCD1602，由其進行顯示。LCD顯示電路原理圖如圖所示： LCD1602與ATmega16的連接，所以應(yīng)當保持PD3為高電平；LCD_RW為讀數(shù)據(jù)端口，又由于LCD1602只用于顯示，因此需保持PD1為低電平，單片機只用向LCD1602寫入數(shù)據(jù)即可。 電源電路 電源電路ATmega16單片機供電電壓為+～+，推薦用+5V電壓供電，電源電路采用三端穩(wěn)壓集成電路LM7805為核心設(shè)計的開關(guān)穩(wěn)壓電路。電路由變壓器供電，但是由于變壓器輸出電壓非常不穩(wěn)定，會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，故需進行穩(wěn)壓處理。7805是常用的三端穩(wěn)壓芯片，輸出為+5V由它組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路復(fù)雜度低，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且成本低廉。 鍵盤電路與報警電路鍵盤是由兩個輕觸開關(guān)和兩個限流電阻構(gòu)成的觸發(fā)式鍵盤，觸發(fā)式鍵盤的缺點在于會占用過多的硬件資源，但是由于此次設(shè)計中電子式拉力計所需按鍵不多，而觸發(fā)式鍵盤結(jié)構(gòu)簡單實用且編程容易，用于電子式拉力計的量程選擇已經(jīng)足夠。[15]，按鍵S3用于選擇量程為50~500N。當有鍵按下時PC1或PC2端口可以檢測到信號由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，從而判斷是那個鍵按下，進而得知所選擇的量程。圖中的報警器件為無源的蜂鳴器，報警信號通過三極管放大后驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出報警聲。在以下幾種情況下會發(fā)生報警：一、測量值大于50N而實際量程為50N或者測量值小于50N而實際量程為500N時，蜂鳴器將鳴響，LCD1602顯示“ERROR”，系統(tǒng)自動完成停止鳴響、LCD1602清屏、量程切換、量程顯示、測量值顯示操作；二、當測量值大于500N時，蜂鳴器將鳴響，LCD1602顯示“ERROR”和“OVER: RST”,提示操作者測量值超過系統(tǒng)設(shè)計，需要系統(tǒng)復(fù)位。 鍵盤電路與報警電路 晶振電路與復(fù)位電路 。 晶振電路與復(fù)位電路同51單片機一樣，AVR單片機內(nèi)部有一個反相振蕩器，外圍振蕩電路只需接上晶振提供外部時鐘，兩個30pF電容用于穩(wěn)定時鐘頻率、快速起振的作用。本系統(tǒng)采用8MHz晶振。ATmega16的復(fù)位方式為低電平復(fù)位，該系統(tǒng)復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位方式，即使在系統(tǒng)運行期間，也可以通過輕觸開關(guān)S4對系統(tǒng)進行復(fù)位操作。 4 軟件設(shè)計及程序?qū)崿F(xiàn)在當前的電子設(shè)計中，無論是軟件設(shè)計，還是硬件的設(shè)計，都普遍采用模塊化設(shè)計方法。所謂的模塊化設(shè)計就是按功能的劃分把一個情況復(fù)雜、規(guī)模較大的系統(tǒng)劃分為很多個較小的、功能相關(guān)而又相對獨立的模塊。其特點是各個模塊相對獨立、功能單一、結(jié)構(gòu)清晰、接口簡單。這樣降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，提高軟件系統(tǒng)或硬件系統(tǒng)的可靠性，縮短了開發(fā)周期，能避免程序開發(fā)的重復(fù)勞動，易于維護和功能擴充。此次拉力計的軟件設(shè)計就充分運用了模塊化設(shè)計思想。所以總體上，此次設(shè)計中電子式拉力計的軟件部分分為A/D轉(zhuǎn)換模塊、按鍵控制模塊、液晶顯示模塊、報警電路模塊。 端口初始化 在系統(tǒng)開始進行拉力測量與顯示之前，必須先對單片機的端口屬性進行定義，包括端口的輸入、輸出特性、A/D轉(zhuǎn)換器通道寄存器定義初始化。 ATmage16AVR單片機I/O口ATmega16AVR單片機有32個通用I/O口，分別為PA、PB、PC和PD四組，每組都是8位這些I/O口都可以通過各自的端口寄存器設(shè)置成輸入或輸出，部分端口具有第二功能。本系統(tǒng)中不用考慮端口的第二功能，每個端口的基本輸入輸出功能是相同的。ATmega16AVR單片機提供了由位控制的I/O口，每個管腳的工作狀況都可以通過對方向寄存器DDRX(X=A、B、C、D，下同)、端口寄存器PORTX和輸入引腳PINX的操作完成。表41列出了ATmega16AVR單片機的I/O口的組合控制設(shè)置[22]。表41 I/O口組合設(shè)置DDRXn*PORTXnI/O上拉電阻說明00輸入否I/O口三態(tài)輸入01輸入是I/O口帶上拉電阻輸入10輸出否推挽0輸出11輸出否推挽1輸出ATmega16AVR單片機的每組I/O口的所有管腳都可以單獨選擇上拉電阻。引腳緩沖器可以吸收20mA的電流。能直接驅(qū)動LED顯示。如果設(shè)置了上拉電阻，當管腳被拉低時，管腳會輸出電流。 I/O口寄存器(1) 端口方向寄存器DDTX(表42)表42 DDTXBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0DDRX7DDRX6DDRX5DDRX4DDRX3DDRX2DDRX1DDRX0 DDRX為I/O口的方向寄存器，可讀可寫。在寫操作時，DDRX用于指定I/O口是作為輸入口還是輸出口用；在讀操作時，從DDRX寄存器讀出來的是端口的方向設(shè)定值。DDRX寄存器的初始值為0x00。(2) 端口數(shù)據(jù)寄存器PORTX(表43)表43 PORTXBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0PORTX7PORTX6PORTX5PORTX4PORTX3PORTX2PORTX1PORTX0PORTX是I/O口的數(shù)據(jù)寄存器，可讀可寫。在寫操作時，從PORTX寫入的數(shù)據(jù)將存入內(nèi)部鎖存器，以確定端口的工作狀態(tài)(端口設(shè)定)或者將寫入的數(shù)據(jù)送到外部數(shù)據(jù)總線(數(shù)據(jù)傳輸)。PORTX寄存器的初始值為0x00。(3) PINX(表44)表44 PINXBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0PIN7PIN6PIN5PIN4PIN3PIN2PIN1PIN0PINX不是I/O的寄存器，這個地址用于訪問端口的邏輯值，且只允許讀操作。從PINX讀入的數(shù)據(jù)反映的是I/O口引腳的邏輯狀態(tài)。單片機初始化時，PINX為高阻態(tài)。 端口初始化程序void port(void){PORTB=0xff。 //端口B推挽1輸出 DDRB=0xff。 PORTD=0xff。 //端口D推挽1輸出 DDRD=0xff。 PORTC=0xff。 //PC0推挽1輸出,PC1~PC7帶上拉電阻輸入 DDRC=0x01。 ADMUX=0x00。 //選擇ADC通道PA0 ADCSR=0xe6。 //選擇125K的轉(zhuǎn)換速率，自由轉(zhuǎn)換模式，啟動ADC delay(100)。 //延時 A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理程序 A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理主要完成對數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采樣以及數(shù)據(jù)的物理量之間的轉(zhuǎn)換，其設(shè)計是否合理極為重要，因為它直接影響到本系統(tǒng)的測量精度。 ATmega16的A/D轉(zhuǎn)換器的工作方式ATmega16單片機的ADC具有兩種工作方式：單次轉(zhuǎn)換方式和自由轉(zhuǎn)換方式。在單次轉(zhuǎn)換方式下，由程序啟動每一次轉(zhuǎn)換；而在自由轉(zhuǎn)換方式下，ADC會連續(xù)采樣并更新ADC數(shù)據(jù)寄存器，以保持最近一次的采樣值。系統(tǒng)在ADC時鐘的上升沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，第一次啟動A/D轉(zhuǎn)換，將引發(fā)一次啞轉(zhuǎn)換過程及初始化ADC而并不得到采樣值。每一次A/D轉(zhuǎn)換需要13個時鐘周期。在進行第一次A/，在第13個時鐘周期結(jié)束啞轉(zhuǎn)換，從而開始真正的A/D轉(zhuǎn)換，在第25個時鐘周期時完成第一次A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)進入ADC的數(shù)據(jù)寄存器。 ADC第一次轉(zhuǎn)換時序當ADC工作在單次轉(zhuǎn)換方式時，每次的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后需要一個額外的時鐘周期，以開始下一次的A/D轉(zhuǎn)換。 ADC單次轉(zhuǎn)換時序當ADC工作在自由轉(zhuǎn)換模式時，第13個時鐘周期結(jié)束A/D轉(zhuǎn)換后即可以開始下一次的A/D轉(zhuǎn)換。 ADC自由轉(zhuǎn)換時序ADC的時鐘由系統(tǒng)時鐘經(jīng)過一個7位的與分頻器分頻得到。ATmega16單片機的ADC的時鐘應(yīng)該在50~200KHz，過高的工作頻率將降低采樣精度。 ADC時鐘分頻器 與A/D轉(zhuǎn)換相關(guān)的寄存器與A/D轉(zhuǎn)換的相關(guān)寄存器包括ADC多路選擇寄存器ADCMUX、ADC控制和狀態(tài)寄存器ADCSR、ADC數(shù)據(jù)寄存器ADCH、ADCL。(1) ADC多路選擇寄存器ADCMUX($07)（表45）表45 ADCMUXBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0—————MUX2MUX1MUX0ADC多路選擇寄存器ADCMUX用于選擇A/D轉(zhuǎn)換的通道。ADCMUX可讀可寫，初始值為0x00。位7~3：保留位。位2~0：MUX2~MUX0選擇A/D轉(zhuǎn)換的通道，轉(zhuǎn)換選擇表如表46所示。 表46 ADC通道選擇表MUX2MUX1MUX0通道選擇說明000通道0模擬信號從PA0（ADC0）輸入001通道1模擬信號從PA1（ADC1）輸入010通道2模擬信號從PA2（ADC2）輸入011通道3模擬信號從PA3（ADC3）輸入100通道4模擬信號從PA4（ADC4）輸入101通道5模擬信號從PA5（ADC5）輸入110通道6模擬信號從PA6（ADC6）輸入111通道7模擬信號從PA7（ADC7）輸入 (2) ADC控制和狀態(tài)寄存器ADCSR(0x06)（表47）表47 ADCSRBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0ADENADSCADFRADIFADIEADPS2ADPS1ADPS0ADCSR用于設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器的工作方式和頻率。ADCSR可讀可寫，初始值為0x00。位7：ADEN位為ADCSR的使能位。位6：ADSC位為ADCSR的單次轉(zhuǎn)換方式選擇位。如果ADC使能，置位ADSC位將啟動一次A/D轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過程中ADSC一直保持為高。在轉(zhuǎn)換過程結(jié)束后，轉(zhuǎn)換結(jié)果進入ADC數(shù)據(jù)寄存器之前的一個ADC時鐘，ADSC變?yōu)榈?。?：ADFR位為ADC 自由轉(zhuǎn)換方式選擇位。如果ADC使能，置位ADFR，則ADC工作在自由轉(zhuǎn)換模式下。ADC將不斷對信號進行采樣并將最近一次的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入ADC數(shù)據(jù)寄存器。ADC工作于自由轉(zhuǎn)換模式時，第一次轉(zhuǎn)換時也必須置位ADSC位啟動一次啞轉(zhuǎn)換，以初始化ADC。位4：ADIF位為ADC中斷標志位。ADC轉(zhuǎn)換完成后ADIF置位。如果全局中斷位I和ADC中斷使能位ADIE置位，則ADIF置位時將執(zhí)行中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序里，ADIF被硬件清零，對ADIF寫1也可以對其清零。位3：ADIE位ADC中斷使能位。位2~0：ADPS2~ADPS0位用于選擇ADC時鐘。如表48所示。表48 A/D轉(zhuǎn)換時鐘選擇ADPS2ADPS1ADPS0時鐘分頻系數(shù)ADC時鐘頻率0002CLK/20012CLK/20104CLK/40118CLK/810016CLK