【文章內(nèi)容簡介】 電平、0為低電平）指令1：清除顯示。指令碼01H,光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置。指令2：光標(biāo)復(fù)位。光標(biāo)返回到地址00H。指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置I/D。光標(biāo)移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。指令4：顯示開/關(guān)控制。D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo) B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。指令5：光標(biāo)或顯示移位S/C。高電平時(shí)移動顯示的文字，低電平時(shí)移動光標(biāo)。指令6：功能設(shè)置命令D/L：高電平時(shí)為4位總線，低電平時(shí)為8位總線 N：低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示 F: 低電平時(shí)顯示5x7的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示5x10的點(diǎn)陣字符。指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置。指令8：數(shù)據(jù)存儲器地址設(shè)置。指令9：讀忙標(biāo)志和光標(biāo)地址BF。為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。指令10：寫數(shù)據(jù)到CGRAM或DDRAM。指令11：從DGRAM或DDRAM讀數(shù)。 3 硬件設(shè)計(jì)及電路實(shí)現(xiàn) 信號采集電路的設(shè)計(jì)在此次課題設(shè)計(jì)中拉力信號首先通過拉力傳感器轉(zhuǎn)換為模擬電信號，然后經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆糯蠛笏腿階Tmega16AVR芯片的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。由于采集到的拉力信號在傳輸過程中會受到外界干擾，因此在將信號放大之前必須采用濾波電路消除干擾。然后再送入AD623進(jìn)行放大。 傳感器本課題設(shè)計(jì)采用的是應(yīng)變式拉力傳感器，拉力傳感器主要采用的是橋電路，： 傳感器電路原理圖其中輸入是直流電流，輸出是模擬電壓信號。傳感器由統(tǒng)一的系統(tǒng)供電模塊供電。其中傳感器負(fù)激勵信號連接到終端X11，正激勵信號連接到終端X14，由ATmega16AVR 的電源統(tǒng)一供電。傳感器的電橋電阻為200(典型值)，電源電壓為5V，在激勵狀態(tài)下耗電5mA。就功耗來講，傳感器在整個(gè)系統(tǒng)中占用的功耗是比較大的。 濾波電路電源線EMI濾波器是由電容、電感等集總參數(shù)元件組成的無源雙向多端口網(wǎng)絡(luò)，它實(shí)際上等效于兩個(gè)低通濾波器，一個(gè)衰減共模干擾，一個(gè)衰減差模干擾。它能在阻帶(10KHZ)范圍內(nèi)衰減射頻能量而讓工頻信號無衰減或很少衰減地通過。這種電源線濾波器對高頻信號有很好的濾波效果，在本系統(tǒng)起了很大作用。傳感器信號出來后經(jīng)過了濾波電路才把信號送入放大電路。，上下兩個(gè)電容的容值為102PF即是103μF。 放大電路此次課題設(shè)計(jì)采用通過外接電阻的控制來實(shí)現(xiàn)增益變換的放大器AD623（）。AD623是美國ADI公司推出的一種低成本、單電源、輸出擺幅能達(dá)到電源電壓(通常稱之為電源限輸出)的儀表放大器，它能在單電源(+3V到+12V)下提供滿電源幅度的輸出。AD623允許使用一個(gè)增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程，以便于用戶更靈活的設(shè)置放大倍數(shù)，且符合8引腳的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引腳配置，在無外接電阻條件下，AD623 被設(shè)置為單位增益( G =1)，在接入外接電阻后，AD623編程設(shè)置增益，其增益最高可達(dá)到 1000 倍。[14]AD623的增益由RG電阻進(jìn)行編程，或更準(zhǔn)確的說，由1腳或8腳之間的阻抗來決定。%—1%容限的電阻提供精確的增益。當(dāng)G=1時(shí)，GR端不相連（RG=∞）。對于任意的增益值，RG可由RG=100KΩ/(G?1)計(jì)算。對這個(gè)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化可得：G =1+100KΩ/RG在本系統(tǒng)中RG= ，所以G≈84，即放大倍數(shù)為84倍左右，滿足系統(tǒng)的要求。 可編程放大器AD623電路原理圖信號采集電路主要由傳感器、濾波電路、放大電路組成，： 信號采集電路原理圖 信號處理電路 ATmega16AVR功能詳述單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，本系統(tǒng)選擇并采用了ATmega16AVR型的單片機(jī)。這款單片機(jī)詳細(xì)的功能特性如下[14]： ? 高性能、低功耗的8位AVR微處理器? 先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)– 131條指令（大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期）– 32個(gè)8位通用工作寄存器– 全靜態(tài)工作– 工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS– 只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器? 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器– 16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash 擦寫壽命：10000次– 具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程真正的同時(shí)讀寫操作– 512字節(jié)的EEPROM– 擦寫壽命: 100000次– 1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM– 可以對鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密? JTAG 接口( 與IEEE )– 符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能– 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能– 通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程? 外設(shè)特點(diǎn)– 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A/D– 8個(gè)單端通道TQFP封裝的7個(gè)差分通道2個(gè)具有可編程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道– 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? 特殊的處理器特點(diǎn)– 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測– 片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC振蕩器– 片內(nèi)/片外中斷源– 6種睡眠模式：空閑模式、A/D噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴(kuò)展的Standby模式? 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(如圖所示)? 工作電壓：~? 速度等級：0~16MHz? 在1 MHz,3V, 25176。C時(shí)的功耗– 正常模式：– 空閑模式：– 掉電模式：1181。AAVR單片機(jī)的快速存取寄存器由32個(gè)通用寄存器組成。這32個(gè)寄存器全部直接與運(yùn)算邏輯單元（ALU）相連，每個(gè)寄存器都可以代替累加器工作。這使得處理器可以在執(zhí)行當(dāng)前指令時(shí)取出將要執(zhí)行的下一條指令，從而避免了傳統(tǒng)的累加器結(jié)構(gòu)造成的累加器和存儲器之間的數(shù)據(jù)瓶頸效應(yīng)，提高了系統(tǒng)性能。在傳統(tǒng)的CISC結(jié)構(gòu)中，單片機(jī)外部振蕩器的時(shí)鐘被分頻降低到內(nèi)部執(zhí)行周期，而AVR卻沒有對外部時(shí)鐘進(jìn)行分頻，直接用一個(gè)時(shí)鐘周期來執(zhí)行一條指令，提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度,具有比普通的CISC 微控制器最高至少10倍的數(shù)據(jù)吞吐能力。[10]AVR單片機(jī)采用了哈佛(Harvard)總線結(jié)構(gòu)，程序存儲器與數(shù)存儲器是分開的。微處理器能直接訪問全部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。 AVR結(jié)構(gòu)方框圖Atmel公司將高密度、非易失性存儲器技術(shù)運(yùn)用在了AVR單片機(jī)上，使得AVR單片機(jī)都具有了ISP(In System Programming,系統(tǒng)內(nèi)編程)的功能。即使在程序運(yùn)行時(shí)，也能對系統(tǒng)進(jìn)行重新編碼。AVR單片機(jī)除了支持匯編語言之外，還支持C、VC、Basic的等高級計(jì)算機(jī)語言編程。采用高級語言對系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，是單片機(jī)應(yīng)用發(fā)展的一個(gè)趨勢。采用高級語言編程能夠搞笑的進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，并能輕易的在不同平臺上實(shí)現(xiàn)程序移植。ATmega16是基于增強(qiáng)的RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其簡潔的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而能夠緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。本芯片是以Atmel高密度非易失性存儲器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash允許程序存儲器通過ISP串行接口，或者使用通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過運(yùn)行于AVR內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序能夠使用任意接口將應(yīng)用程序下載到Flash存儲區(qū)(Application Flash Memory)。在更新應(yīng)用Flash存儲區(qū)時(shí)引導(dǎo)Flash區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了RWW操作。 通過將8位RISC式CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash集成在一個(gè)芯片內(nèi)，ATmega16成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式應(yīng)用提供了靈活且低成本的解決方案。[11] ATmega16引腳分布圖 A/D轉(zhuǎn)換模塊介紹及參考電壓 A/D轉(zhuǎn)換模塊簡介ATmega16AVR集成了一個(gè)8路10位的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。A/D與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對來自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以 0V(GND)為基準(zhǔn)。器件還支持16路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入(A/DA/D0與A/DA/D2)有可編程增益級，在A/D轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供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(gè)通用負(fù)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(gè)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(dú)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)。基準(zhǔn)電壓可以通過在AREF引腳上加一個(gè)電容進(jìn)行解耦，以更好地抑制噪聲。主要技術(shù)參數(shù)和特點(diǎn)：? 10位精度；? ；? 177。2LSB的絕對精度；? 65~260181。s的轉(zhuǎn)換時(shí)間；? 最高分辨率時(shí)采樣率高達(dá)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(jī)連接，利用其內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)實(shí)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(jì)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(jìn)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(dāng)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(jī)只用向LCD1602寫入數(shù)據(jù)即可。 電源電路 電源電路ATmega16單片機(jī)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(jì)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(jìn)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(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且成本低廉。 鍵盤電路與報(bào)警電路鍵盤是由兩個(gè)輕觸開關(guān)和兩個(gè)限流電阻構(gòu)成的觸發(fā)式鍵盤，觸發(fā)式鍵盤的缺點(diǎn)在于會占用過多的硬件資源，但是由于此次設(shè)計(jì)中電子式拉力計(jì)所需按鍵不多，而觸發(fā)式鍵盤結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用且編程容易，用于電子式拉力計(jì)的量程選擇已經(jīng)足夠。[15]，按鍵S3用于選擇量程為50~500N。當(dāng)有鍵按下時(shí)PC1或PC2端口可以檢測到信號由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑瑥亩袛嗍悄莻€(gè)鍵按下，進(jìn)而得知所選擇的量程。圖中的報(bào)警器件為無源的蜂鳴器，報(bào)警信號通過三極管放大后驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。在以下幾種情況下會發(fā)生報(bào)警：一、測量值大于50N而實(shí)際量程為50N或者測量值小于50N而實(shí)際量程為500N時(shí)，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(dāng)測量值大于500N時(shí)，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(jì)，需要系統(tǒng)復(fù)位。 鍵盤電路與報(bào)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(jī)一樣，AVR單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)反相振蕩器，外圍振蕩電路只需接上晶振提供外部時(shí)鐘，兩個(gè)30pF電容用于穩(wěn)定時(shí)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(yùn)行期間，也可以通過輕觸開關(guān)S4對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作。 4 軟件設(shè)計(jì)及程序?qū)崿F(xiàn)在當(dāng)前的電子設(shè)計(jì)中，無論是軟件設(shè)計(jì)，還是硬件的設(shè)計(jì)，都普遍采用模塊化設(shè)計(jì)方法。所謂的模塊化設(shè)計(jì)就是按功能的劃分把一個(gè)情況復(fù)雜、規(guī)模較大的系統(tǒng)劃分為很多個(gè)較小的、功能相關(guān)而又相對獨(dú)立的模塊。其特點(diǎn)是各個(gè)模塊相對獨(dú)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(jì)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(hù)和功能擴(kuò)充。此次拉力計(jì)的軟件設(shè)計(jì)就充分運(yùn)用了模塊化設(shè)計(jì)思想。所以總體上，此次設(shè)計(jì)中電子式拉力計(jì)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(bào)警電路模塊。 端口初始化 在系統(tǒng)開始進(jìn)行拉力測量與顯示之前，必須先對單片機(jī)的端口屬性進(jìn)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(jī)I/O口ATmega16AVR單片機(jī)有32個(gè)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(gè)端口的基本輸入輸出功能是相同的。ATmega16AVR單片機(jī)提供了由位控制的I/O口，每個(gè)管腳的工作狀況都可以通過對方向寄存器DDRX(X=A、B、C