【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 信線一條； 12V小變壓器一個(gè)，帶電源線； RT1602C液晶屏一塊； 6中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）ISP下載線一條； PC并口線一條； 資料光盤一張； DS1820溫度傳感器； 通用電路板； 開發(fā)平臺(tái)的基本功能： 由于采用了 AVR高性能單片機(jī) Atmega16為開發(fā)板核心，再配合其他外圍電路，使得該板具有豐富的外設(shè)和測(cè)量與控制功能。其中主要功能包括： 1) 3路 PWM輸出，8－16位可編程分辨率，適用于電機(jī)調(diào)速控制等 2) 3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，2個(gè) 8位，1個(gè) 16位； 3) 8路 10位 ADC，可實(shí)現(xiàn) 0～5V單極性信號(hào)測(cè)量；采樣速率達(dá) 15Ksps，可實(shí)現(xiàn)大多數(shù)模擬式傳感器的信號(hào)測(cè)量； 4) 板載一個(gè)功率 NMOS管和一個(gè)光電耦合器，分別連接到單片機(jī)的一路 PWM輸出和一路計(jì)數(shù)器，可直接實(shí)現(xiàn)小功率直流電機(jī)的調(diào)速和轉(zhuǎn)速測(cè)量； 5) 具有標(biāo)準(zhǔn) RS232的通訊接口，方便和 PC機(jī)進(jìn)行通訊控制； 6) 具備液晶顯示器和鍵盤操作接口； 7) 具備 ISP在線編程調(diào)試功能，編程軟件可選匯編或 C語言開發(fā)軟件； 開發(fā)板硬件原理圖： ISP下載線如圖 ，開發(fā)板的電路原理圖見圖 ，ISP下載線的 PCB板中標(biāo)“ *”號(hào)的電阻均為 Ω，其余電阻為 100歐。根據(jù)該原理圖和元件制作出實(shí)物電路板，并調(diào)試成功。圖 ISP下載線原理圖 7 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 開發(fā)板電路原理圖 8中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ATMEGA16單片機(jī)介紹： Atmega16單片機(jī)是ATMEL公司的基于增強(qiáng)的AVR－RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位微控制器，具有先進(jìn)指令集及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，使ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz。Atmega16單片機(jī)的主要特性如下： .先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu) –16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，擦寫壽命：10，000次 –512字節(jié)的EEPROM，擦寫壽命：100，000次 –1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM . JTAG接口（） .外設(shè)：–兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器–一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器–具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC –四通道PWM –8路10位ADC 8個(gè)單端通道–面向字節(jié)的兩線接口–兩個(gè)可編程的串行USART –可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口–具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器–片內(nèi)模擬比較器 . I/O和封裝 –32個(gè)可編程的I/O口　 40引腳PDIP封裝，44引腳TQFP封裝，與44引腳MLF封裝圖 ATMEGA16單片機(jī)管腳圖 9中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）.工作電壓：ATmega16L： .速度等級(jí)：08MHz ATmega16L PDIP40封裝的 ATMEGA16單片機(jī)管腳圖如圖 。 元器件清單 硬件系統(tǒng)中所用元件如下表所示：表 1 元器件清單元件名稱封裝形式規(guī)格數(shù)量 電容0805 1uf 5 0805 9 0805 15pf 2 直插 16V/470uf 2 電阻 0805 12 0805 100歐姆 13 集成芯片直插 DIP40 ATMEGA16L8PU 1 DIP MAX232CPE 1 SOP20 HC244（中體） 1 DIP8 LM358或 HA17358 2 SOT223 1 TO252 IRLR014 1 貼片光偶 P181 1 其他元件整流橋 2W08或 2W10 1 無源晶振 8M 1 接插件 9芯串口 1 3296 10K三端電位器 2 66 小按鍵 5 IC插座 DIP40 1 IC插座 DIP16 1 IC插座 DIP8 2接插件雙排插針 1 接插件單排插針 1 接插件 5．08兩芯（綠色） 1 接插件 5．08四芯（綠色） 1 接插件 10芯插座（雙排） 1 接插件 25針并口頭（焊線式） 1 并口殼 1 9芯串口線 1 25芯并口線 1 液晶屏 RT1602 1 10 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3. DS18B20溫度傳感器 DS18B20的主要特性 ，電壓范圍：～，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。 ，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20的雙向通訊。 3. DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。 4. DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。 －55℃～＋125℃，在10～+85℃時(shí)精度為177。℃。 9～12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃、℃、 ℃和 ℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。 9位分辨率時(shí)最多在 ，12位分辨率時(shí)最多在 750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。 ，以一線總線 串行傳送給 CPU，同時(shí)可傳送 CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。 ：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 DS18B20的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH和 TL、配置寄存器。圖 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 11中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）DS18B20的外形及管腳排列如下圖 圖 DS18B20的外形及管腳 DS18B20工作原理 DS18B20的讀寫時(shí)序和測(cè)溫原理與 DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由 2s減為 750ms。DS18B20測(cè)溫原理如圖 。圖 DS18B20測(cè)溫原理框圖 12 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 ，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器 1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器 2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器 1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器 1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置值減到 0時(shí)，溫度寄存器的值將加 1，計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器 1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器 2計(jì)數(shù)到 0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖 ，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置值。 DS18B20主要數(shù)據(jù)部件 DS18B20主要有四個(gè)數(shù)據(jù)部件： (1)光刻 ROM中的 64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20的地址序列碼。64位光刻 ROM的排列是：開始 8位(28H)是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的 48位是該 DS18B20自身的序列號(hào)，最后 8位是前面 56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC=X8+X5+X4+1)。光刻 ROM的作用是使每一個(gè) DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè) DS18B20的目的。 (2)DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以 12位轉(zhuǎn)化為例：用 16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以 ℃/LSB形式表達(dá)，其中 S為符號(hào)位。表 2 DS18B20溫度值格式表 23 22 21 20 21 22 23 24 MSB LSB S S S S S 26 25 24這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面 5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于 0，這 5位為 0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于 ；如果溫度小于 0，這 5位為 1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加 1再乘于 。例如+125℃的數(shù)字輸出為 07D0H，+℃的數(shù)字輸出為 0191H，℃的數(shù)字輸出為 FF6FH，55℃的數(shù)字輸出為 FC90H。溫度數(shù)據(jù)表如表 3。 13中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）表 3 DS18B20溫度數(shù)據(jù)表溫度數(shù)據(jù)輸出（二進(jìn)制）數(shù)據(jù)輸出（十六進(jìn)制）＋125℃ 0000 0111 1101 0000 07D0H＋85℃ 0000 0101 0101 0000 0550H＋℃ 0000 0001 1001 0001 0191H ℃ 0000 0000 1010 0010 00A2H ℃ 0000 0000 0000 1000 0008H 0℃ 0000 0000 0000 0000 0000H ℃ 1111 1111 1111 1000 FFF8H ℃ 1111 1111 0101 1110 FF5EH ℃ 1111 1110 0110 1111 FE6FH 55℃ 1111 1100 1001 0000 FC90H DS18B20溫度采集電路 DS18B20溫度采集電路 14中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4. 軟件的設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)分成兩部分，一部分直接置于硬件平臺(tái)上，稱為下位機(jī)軟件，主要完成現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行控制算法、輸出控制量、現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)設(shè)定、現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)數(shù)碼管顯示等底層功能，所有工作通過建立在硬件平臺(tái)的軟件模塊由單片機(jī)主程序組織在一起構(gòu)成系統(tǒng)軟件平臺(tái)，所以是軟硬件綜合設(shè)計(jì)的結(jié)合點(diǎn)；另一部分用于與上位管理機(jī)進(jìn)行通訊，稱為通訊軟件，它主要完成與上位管理機(jī)的通訊，傳遞現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、狀態(tài)和接受上位機(jī)指令等工作。下位機(jī)軟件一方面要充分發(fā)揮硬件平臺(tái)的潛力，在現(xiàn)有硬件資源的條件下，讓系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際溫度測(cè)試系統(tǒng)的工藝要求完成更多的工作，從而節(jié)省硬件成本費(fèi)用；另一方面，系統(tǒng)軟件平臺(tái)是用戶二次開發(fā)的主要依據(jù)，為了縮短開發(fā)周期，其軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能都可以做成標(biāo)準(zhǔn)模塊，方便二次開發(fā)使用。下位機(jī)軟件遵循一定的協(xié)議通過通訊程序和上位機(jī)進(jìn)行通訊，就可以互傳數(shù)據(jù)。這樣不但可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，而且可以有更好的人機(jī)對(duì)話界面。 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 溫度檢測(cè)系統(tǒng)以 ATmega16單片機(jī)為核心，它控制 RT1602CLCD液晶屏的顯示、DS18B20數(shù)字溫度傳感器的數(shù)據(jù)傳送、按鍵的響應(yīng)、串口通訊等。圖 單片機(jī)控制示意圖鍵盤的按鍵可以通過 ATMEGA16來控制溫度上下限的增減，ATEMEGA16控制液晶屏的顯示，DS18B20采集到的溫度通過 ATEMEGA16中的程序顯示到液晶屏，并可將數(shù)據(jù)通過 PC通訊將數(shù)值傳給上位機(jī)軟件，同時(shí)溫度上下限值也通過 PC通訊傳可給上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件設(shè)定的上下限值同樣可通過串口通訊傳給液晶屏顯示。利用四個(gè)按鍵來對(duì)溫度上下限值進(jìn)行調(diào)整，第一個(gè)鍵設(shè)定下限溫度值的降低，第二個(gè)鍵設(shè)定下限溫度值的升高，第三個(gè)鍵設(shè)定上限溫度的降低，第四個(gè)鍵設(shè)定上限溫度值的升高。溫度傳感器 DS18B20的讀寫流程圖如圖 15中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 溫度傳感器 DS18B20的讀寫流程圖下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的方法，主要有主程序、鍵盤掃描以及按鍵處理程序、溫度測(cè)試采集程序、數(shù)碼管顯示程序，串口通訊程序等。鍵盤掃描電路及按鍵處理程序：實(shí)現(xiàn)按鍵的識(shí)別及相關(guān)處理。溫度測(cè)試采集程序：對(duì)溫度芯片送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理。數(shù)碼管顯示程序：向數(shù)碼的顯示傳送數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)的顯示部分。串口通訊程序：實(shí)現(xiàn)下位機(jī)通過串口和 PC機(jī)進(jìn)行通訊，互傳數(shù)據(jù)。下位機(jī)的軟件編程可以由很多種語言編寫，而 C語言作為一種高級(jí)語言，在單片機(jī)程序編寫中占據(jù)很大地位。按鍵及顯示流程圖如圖 。 16中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 按鍵和顯示流程圖 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 利用 Microsoft Visual Basic軟件制作上位機(jī)溫度監(jiān)控預(yù)警的應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序可以通過串口和單片機(jī)互傳數(shù)據(jù)。該應(yīng)用程序可以利用下位機(jī)的串口程序而改變單片機(jī)液晶屏上顯示的一些數(shù)據(jù)，如果溫度超限，上位機(jī)軟件和下位機(jī)的顯示屏都可以報(bào)警。上位機(jī)溫度監(jiān)控軟件包括當(dāng)前溫度顯示、當(dāng)前下限溫度顯示、當(dāng)前上限溫度顯示和狀態(tài)顯示溫度（正常、太高、太低）。上位機(jī)軟件界面上有報(bào)警圖標(biāo)，正常則為藍(lán)色，如果超限則圖標(biāo)由原來的藍(lán)色變?yōu)榧t色。該軟件還可以由用戶輸入溫度的上限和下限值，點(diǎn)擊下載按鈕后，用戶所設(shè)定的溫度下限和上限值可以由計(jì)算機(jī)直接傳給單片機(jī)，單片機(jī)顯示屏上的下限和上限溫度值就會(huì)隨用戶設(shè)定的值而改變。上位機(jī)軟件利用 Microsoft Visual Basic軟件的 Msm控件通過串口和單片機(jī)互傳數(shù)據(jù)，上位機(jī)應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)首先通過程序自動(dòng)將 Msm控件安裝到指定目錄，從而做好準(zhǔn)備工作。然后利用程序設(shè)置好 Msm控件的以下參 17中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）數(shù)，為傳輸數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。 =1 其作用是對(duì) 1口進(jìn)行操作 =9600,n,8,1 設(shè)置波特率為 9600不作奇偶校驗(yàn) 8位數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位 =1 設(shè)置事件發(fā)生傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的傳輸字符數(shù)為 1 =True 將串口打開設(shè)置好參數(shù)后如果事件發(fā)生則可以傳輸數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊上位機(jī)應(yīng)用程序的下載按鈕則可以將用戶輸入的數(shù)據(jù)下載到緩存區(qū)，單片機(jī)可以接受數(shù)據(jù)并改變顯示屏上限和下限溫度值，考慮到溫度傳感器的測(cè)量范圍和以免用戶錯(cuò)誤輸入非數(shù)字的字符等要求，用戶輸入的數(shù)據(jù)已經(jīng)由上位機(jī)應(yīng)用程序作了一些限制（只能輸入55到 125之間的整數(shù)），以免數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑫r(shí)出錯(cuò)，該應(yīng)用程序由當(dāng)前溫度值和溫度的上限和下限的數(shù)據(jù)比較來判斷顯示狀態(tài)是正常、太高還是太低，判斷之后利用程序來改變報(bào)警圖標(biāo)的顏色，并且是否調(diào)用響鈴程序。如果溫度超限，則調(diào)用響鈴程序，從而有響鈴報(bào)警。上位機(jī)響鈴可執(zhí)行程序是用 C編寫的，當(dāng)溫度超過所設(shè)定值時(shí)，上位機(jī)軟件就會(huì)調(diào)用響鈴可執(zhí)行程序，從而實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警。 18中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5. 功能調(diào)試 上位機(jī)軟件可以顯示當(dāng)前溫度值、當(dāng)前所設(shè)定的溫度下限值和上限值、顯示報(bào)警的狀態(tài)，可以設(shè)定溫度上下限值，可以描繪未來 24小時(shí)（或者 24秒）內(nèi)的溫度曲線，從而反映出一段時(shí)間內(nèi)的溫度變化。此上位機(jī)軟件可以顯示開始測(cè)量溫度時(shí)的日期和時(shí)間，它具有記憶功能，可以描繪出最近一次測(cè)量過的溫度曲線，并且可以顯示上一次測(cè)量的時(shí)間。當(dāng)溫度超過所設(shè)定的上限值時(shí)，狀態(tài)顯示太高，當(dāng)溫度低于所設(shè)定的下限值時(shí)，狀態(tài)顯示太低，并且當(dāng)溫度顯示太高或太低的同時(shí)，狀態(tài)的顏色由正常狀態(tài)的藍(lán)色變?yōu)閳?bào)警時(shí)的紅色，并且有聲音報(bào)警發(fā)出。圖 上位機(jī)軟件的溫度顯示界面圖 ，溫度下限值和溫度上限值，狀態(tài)顯示“正常”，則表示前溫度值在所設(shè)定的溫度下限和溫度上限之間。在溫度下限設(shè)定輸入框內(nèi)和溫度上限設(shè)定輸入框內(nèi)輸入數(shù)據(jù)后點(diǎn)擊下載按鈕，則所設(shè)的溫度上限和下限值就會(huì)下載到下位機(jī)的單片機(jī)內(nèi)，下位機(jī)的顯示屏和上位機(jī)軟件都可以顯示新的溫度上下限值。在溫度曲線的繪圖過程中，橫坐標(biāo)選用 24小時(shí)時(shí)，系統(tǒng)每分鐘采集一次溫度值，并在坐標(biāo)內(nèi)描繪出溫度曲線圖；橫坐標(biāo)選用 24秒時(shí)，系統(tǒng)每秒采集一次溫度值，并在坐標(biāo)內(nèi)描繪出溫度曲線圖。溫度曲線可以描繪的溫度范圍為 (20℃ 50℃)。點(diǎn)擊溫度曲線描繪按鈕，則開始在溫度曲線坐標(biāo)系內(nèi)描繪溫度變化，點(diǎn)擊添加輔助線按鈕，可以添加紅色的輔助線，點(diǎn)擊上次測(cè)量曲線圖，則可以顯示上一次所描繪的溫度曲線。圖 24秒，所測(cè)的溫度變化。 19中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 上位機(jī)曲線描繪 20中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 24小時(shí)，所測(cè)的溫度變化，此次曲線圖也表示了上位機(jī)軟件具有記憶功能，它可以記錄上一次的溫度變化，并且記錄了上一次溫度測(cè)