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正文內(nèi)容

基于avr單片機(jī)的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2024-07-23 04:41 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊;其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置8192個16*16點漢字,和128個16*、方便的操作指令,可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面??梢燥@示84行1616點陣的漢字. 。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比,不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多,且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊;所以本設(shè)計選用LCD12864顯示器。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計總體框架圖設(shè)計好,器件也選擇好了以后,接下來的工作就是一些功能模塊原理圖的設(shè)計了。原理圖的設(shè)計可以用很多方式,可以再Word上設(shè)計原理圖,也可以在紙上設(shè)計原理圖。由于本設(shè)計的一些模塊電路設(shè)計采用pcb制作硬件,這是因為采用采用pcb制作的設(shè)計,視覺效果好,抗老化能力強(qiáng),不容易出現(xiàn)連接點的虛接等問題。PCB的導(dǎo)入一般需要原理圖的導(dǎo)入,所以,本設(shè)計的原理圖采用PCB制作軟件,即Altium 和Protel 99SE。 Altium Altium ,它是一款PCB制作軟件。Altium ,適合用于本設(shè)計。首先它是唯一一款將設(shè)計流程,集成化PCB設(shè)計、混合信號仿真、信號完整性分析、可編程器件設(shè)計和基于處理器設(shè)計等嵌入式軟件工能混合在一起的產(chǎn)品;能夠同時進(jìn)行原理圖、PCB、FPGA,以及嵌入式解決方案;具有將設(shè)計方案從概念轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K產(chǎn)品的全部功能;包括所有電控不見所需要的所有功能。 這款軟件包括所有原版軟件的功能和優(yōu)點外,還增加了很多改進(jìn)的高端功能,它拓寬了版本設(shè)計的傳統(tǒng)界限,全面繼承了FPGA設(shè)計功能和SOPC設(shè)計實現(xiàn)功能。從而允許設(shè)計中國的FPGA和PCB設(shè)計及嵌入式設(shè)計集成在一起。Altium 有很多的優(yōu)越性,表現(xiàn)在:(1)設(shè)計環(huán)境的高度集成;(2)操作環(huán)境的自行設(shè)計; (3)集成的平臺性。 Protel 99SE 由于PCB生產(chǎn)廠商的設(shè)備落后,不支持Altium 設(shè)計的PCB,需要轉(zhuǎn)換成Protel 99SE支持格式的PCB,雖然Altium 是Protel 99SE的升級版本,也能進(jìn)行原理圖的實際,但是Protel 99 SE是低版本的軟件,往往高版本設(shè)計出來的東西低版本軟件不支持。比方說,Altium ,而Protel 99 SE只支持圓孔,橢圓形的不支持。Protel 99SE是Protel 99系列的產(chǎn)品中功能非常完備的版本,在Altium ,它以強(qiáng)大的功能和易用性,得到廣大硬件設(shè)計人員的青睞,也是當(dāng)前眾多電路板EDA設(shè)計軟件中用戶最多的產(chǎn)品之一。此外,這兩款軟件都支持windows操作系統(tǒng),所以運用它是可行的。 單片機(jī)的電源設(shè)計電源電路:單片機(jī)是一個電子器件,一個電子器件能夠工作的第一個前提就是要有電源,電源是一切電子器件工作的前提,對于單片機(jī)系統(tǒng)也不例外。無線發(fā)送模塊以及溫濕度測量模塊使用的器件皆為低功耗器件。對發(fā)送端而言,可以采用5 V電池供電,很適合在野外等環(huán)境進(jìn)行溫濕度測量采集。而接收端可以采用5V開關(guān)電源供電。 V輸出,此時相應(yīng)的負(fù)載電流為800mA。 V,,如圖31所示;圖31 單片機(jī)電源電路 單片機(jī)的外圍電路的設(shè)計一個單片機(jī)的最小系統(tǒng)主要包括這幾個方面:復(fù)位電路、時鐘電路、實現(xiàn)單片機(jī)工作的最簡單系統(tǒng)就是單片機(jī)最小系統(tǒng),可以這樣理解,就是指單片機(jī)不管實現(xiàn)什么功能,也不管多復(fù)雜,多簡單,所必須的最簡單的電路。下面我們一一介紹:時鐘電路一般由晶振和電容組成。單片機(jī)系統(tǒng)為什么需要時鐘電路?單片機(jī)工作的時候要有一定規(guī)律的,這個規(guī)律就是:單片機(jī)必須在周期性的時鐘信號的作用下工作,如果沒有時鐘信號的限制,那單片機(jī)的工作就亂套了。就像我們上班一樣,我們必須在規(guī)定的時間上下班,如果我們都不按照這個規(guī)定時間上下班,那整個公司就亂套了。電路中電容采用22pF的貼片電容,典型的時鐘電路如圖32所示:圖32 時鐘電路圖 其中XX2要分別接到單片機(jī)的兩個時鐘引腳上。兩個電容是諧振電容,作用是讓晶振更穩(wěn)定的工作。 復(fù)位電路就像我們看書一樣,看書的時候首先我們要拿出我們要看的書,然后翻到我們想看的那一頁。在單片機(jī)正式開始工作之前要有一個準(zhǔn)備的過程,這個過程就是復(fù)位,復(fù)位對單片機(jī)系統(tǒng)來說,是一個準(zhǔn)備開始工作的過程,在復(fù)位過程里,單片機(jī)要把所有需要用到的東西準(zhǔn)備好,這樣當(dāng)單片機(jī)正式工作的時候就可以正常干活了。復(fù)位一般分為電源復(fù)位和手動復(fù)位兩種,這個跟我們的計算機(jī)相似:有開機(jī)和重啟兩個按鈕。電源復(fù)位是單片機(jī)系統(tǒng)上電到開始工作這個時間段,而手動復(fù)位就像我們重啟計算機(jī)一樣,是強(qiáng)制讓它從頭開始工作。復(fù)位電路的電容10uf,按下開關(guān)即可實現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位。AVR單片機(jī)典型的復(fù)位電路如圖33所示:圖33 復(fù)位電路綜上所述,單片機(jī)的外圍電路由復(fù)位電路,時鐘電路組成,總的設(shè)計圖,單片機(jī)外圍電路設(shè)計如圖34所示: 圖34 ATmega16L外圍電路設(shè)計圖 溫度測量電路的設(shè)計對于溫度和濕度,它們并非是急劇變化的物理量,溫濕度的變化往往是緩慢進(jìn)行的,因此針對這個特點對于溫濕度的測量采集并非需要時時刻刻都在進(jìn)行。而是每隔T時間(T根據(jù)實際需要而定,本系統(tǒng)選用1 s)采集一次,其余時間由于低功耗的要求使得MCU處于休眠狀態(tài)。其程序流程如圖7所示。其中Atmega16L進(jìn)入休眠狀態(tài)是通過對SE編程休眠使能,然后通過定時器的計時中斷將Atmega16L喚醒,再進(jìn)行測量以及數(shù)據(jù)傳輸。SHT10傳感器默認(rèn)的測量溫度和相對濕度的分辨率分別為14位和12位,通過狀態(tài)寄存器可降至12位和8位,并具有可靠的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗功能?!?V;電流消耗?。簻y量時為550μA,平均為28μA,休眠時為3μA。是低功耗產(chǎn)品的最佳選擇之一。 由于選擇的是無線傳輸模塊,所以SCK,DATA直接與Atmega16L的兩線串行接口PA0與PA1相連,用于數(shù)據(jù)的傳輸交換,VCC,GND分別接電源與地。SHT10的應(yīng)用電路如圖35所示;圖35 SHT10應(yīng)用電路 無線發(fā)送接收電路的設(shè)計單片機(jī)與nR F24L01的接口電路很重要。通過配置寄存器可將nRF241L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式。數(shù)據(jù)在發(fā)送接收時只要設(shè)置一下無限模塊的工作方式即可。發(fā)射數(shù)據(jù)時,首先將nRF24L01配置為發(fā)射模式:接著把地址TX_ADDR和數(shù)據(jù)TX_PLD按照時序由SPI口寫入nRF24L01緩存區(qū),TX_PLD必須在CSN為低時連續(xù)寫入,而TX_ADDR在發(fā)射時寫入一次即可,然后CE置為高電平并保持至少10μs,延遲130μs后發(fā)射數(shù)據(jù);若自動應(yīng)答開啟,那么nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式,接收應(yīng)答信號。如果收到應(yīng)答,則認(rèn)為此次通信成功,TX_DS置高,同時TX_PLD從發(fā)送堆棧中清除;若未收到應(yīng)答,則自動重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動重發(fā)已開啟),若重發(fā)次數(shù)(ARC_CNT)達(dá)到上限,MAX_RT置高,TX_PLD不會被清除;MAX_RT或TX_DS置高時,使IRQ變低,以便通知MCU。最后發(fā)射成功時,若CE為低則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1;若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高,則進(jìn)入下一次發(fā)射;若發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且CE為高,則進(jìn)入空閑模式2。接收數(shù)據(jù)時,首先將nRF24L01配置為接收模式,接著延遲130μs進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當(dāng)接收方檢測到有效的地址和CRC時,就將數(shù)據(jù)包存儲在接收堆棧中,同時中斷標(biāo)志位RX_DR置高,IRQ變低,以便通知MCU去取數(shù)據(jù)。若此時自動應(yīng)答開啟,接收方則同時進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號。最后接收成功時,若CE變低,則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1。具體電路連接如圖36所示:圖36 nrf24l01無線收發(fā)硬件電路設(shè)計圖 液晶顯示LCD12864的電路設(shè)計 LCD12864的管腳共有二十個,但是連接的電路并不復(fù)雜。但是需要注意的是LCD的電源共有2組,一組是用于驅(qū)動LCD顯示,另一組用于背光顯示,可將這兩組連在一起或者背光電源省略,我的設(shè)計是將兩組連接在一起。另外有個輸入管腳需要接入LCD調(diào)整電壓來調(diào)節(jié)對比度。通常使用液晶時時由此引起的,對比度過高或者過低均會使屏幕無法正常顯示。它可接至10K—20K電位器的調(diào)整端,這里我選擇的是10K的電位器。目前市場上某些LCD12864的對比度可由單片機(jī)操作其寄存器調(diào)節(jié),可根據(jù)不同的條件進(jìn)行選擇。其余的端口連接單片機(jī)的引腳。如下圖37所示:圖37 液晶顯示LCD12864電路設(shè)計圖綜上述設(shè)計,主機(jī)結(jié)構(gòu)由無線模塊,液晶顯示和單片機(jī)組成,無線模塊NRF24L01實現(xiàn)接收SHT10采集到的溫濕度,由單片機(jī)控制,通過液晶顯示器LCD12864顯示溫濕度。主機(jī)原理圖如圖38所示: 圖38 主機(jī)原理圖從機(jī)由單片機(jī),無線模塊,溫度采集模塊組成,通過溫濕度傳感器SHT10對室外溫度進(jìn)行采集,經(jīng)過單片機(jī)的處理,由無線發(fā)送模塊NRF24L01將采集到的溫濕度值發(fā)送給主機(jī),其從機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖,如圖39所示;圖39 從機(jī)原理圖 第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 編程語言的選擇 C語言擁有程序移植方便,程序的結(jié)構(gòu)性、堅固性好,支持?jǐn)?shù)學(xué)運算,采用條理清晰的結(jié)構(gòu)化編程,程序的可維護(hù)性好,可協(xié)同開發(fā)軟件,開發(fā)周期短。同時,C語言是面向過程和計算的,屏蔽和模糊了語句的執(zhí)行時間、生成多少 字節(jié)的代碼等。因此,對于較復(fù)雜的系統(tǒng),以及開發(fā)系統(tǒng)的限制,如果需要短時問內(nèi)編出執(zhí)行效率高、代碼規(guī)范、模范化程度高的程序代碼,C語言都能滿 足要求。因此我們選用C語言編程,開發(fā)軟件選擇挪威ImageCraft公司開發(fā)的ICCAVR。 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境程序的編輯需要在編輯軟件里進(jìn)行,一個好的編輯軟件不僅操作簡便容易,并且功能強(qiáng)大,生成的程序質(zhì)量高。在AVR單片機(jī)編程中,一般采用ICCAVR。ImageCraft的ICCAVR 是一種使用符合ANSI標(biāo)準(zhǔn)的C語言來開發(fā)微控制器MCU程序的一個工具它有以下幾個主要特點:ICCAVR是一個綜合了編輯器和工程管理器的集成工作環(huán)境IDE其可在 ;WINDOWS9X/NT下工作;源文件全部被組織到工程之中,文件的編輯和工程的構(gòu)筑也在這個環(huán)境中完成;編譯錯誤顯示在狀態(tài)窗口中并且當(dāng)你用鼠標(biāo)單擊編譯錯誤時,光標(biāo)會自動跳轉(zhuǎn)到編輯窗口中引起錯誤的那一行,這個工程
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