【文章內(nèi)容簡介】 口F為三態(tài)。在ATmega103兼容模式下，端口F只能作為輸入引腳。端口F的第二功能如下：PF7 ADC7/TDI (ADC輸入通道7，或是JTAG測試數(shù)據(jù)輸入引腳)PF6 ADC6/TDO (ADC輸入通道6，或是JTAG測試數(shù)據(jù)輸出引腳)PF5 ADC5/TMS (ADC輸入通道5，或是JTAG測試模式選擇引腳)PF4 ADC4/TCK (ADC輸入通道4，或是JTAG測試時鐘)PF3 ADC3 (ADC輸入通道3)PF2 ADC2 (ADC輸入通道2)PF1 ADC1 (ADC輸入通道1)PF0 ADC0 (ADC輸入通道0)端口G(PG4..PG0)：端口G為5位雙向I/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時端口G為三態(tài)。在ATmega103兼容模式下，端口G只能作為以下描述的第二功能，而不能作為通用I/O端口。 端口G的第二功能如下：PG4 TOSC1 (RTC 振蕩器，T/C0)PG3 TOSC2 (RTC 振蕩器，T/C0)PG2 ALE (外部存儲器地址鎖存使能信號)PG1 RD (外部存儲器讀信號)PG0 WR (外部存儲器寫信號)RESET：復(fù)位輸入引腳。超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。XTAL1：反向振蕩器放大器及片內(nèi)時鐘操作電路的輸入。XTAL2：反向振蕩器放大器的輸出。AVCC ：AVCC為端口F以及ADC轉(zhuǎn)換器的電源，無論有沒有使用ADC都應(yīng)與VCC相連接，使用ADC時應(yīng)該通過一個低通濾波器與VCC連接。AREF：AREF為ADC的模擬基準輸入引腳。PEN ：PEN是SPI串行下載的使能引腳。在上電復(fù)位時保持PEN為低電平將使器件進入SPI串行下載模式。在正常工作過程中PEN引腳沒有其他功能。 Atmega128系統(tǒng)控制和復(fù)位：復(fù)位時所有的I/O寄存器都被設(shè)置為初始值，程序從復(fù)位向量處開始執(zhí)行。復(fù)位向量處的指令必須是絕對跳轉(zhuǎn)JMP指令，以使程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位處理例程。如果程序永遠不會使能中斷，則中斷向量可以由一般的程序代碼所覆蓋。ATmega128有5個復(fù)位源：? 上電復(fù)位。當電源電壓低于上電復(fù)位門限(VPOT)時，MCU復(fù)位。? 外部復(fù)位。當引腳 RESET上的低電平持續(xù)時間大于最小脈沖寬度時MCU復(fù)位。? 看門狗復(fù)位。當看門狗使能并且看門狗定時器超時時復(fù)位發(fā)生。? 掉電檢測復(fù)位。當?shù)綦姍z測復(fù)位功能使能，切電源電壓低于掉電檢測復(fù)位門限(VBOT) 時MCU即復(fù)位。? JTAG AVR復(fù)位：當復(fù)位寄存器為1時MCU即復(fù)位。ATmega128的I/O端口：作為通用數(shù)字I/O使用時，所有的AVR I/O端口都具有真正的讀 修改 寫功能。每個端口都有三個I/O存儲器地址：數(shù)據(jù)寄存器 PORTx、 數(shù)據(jù)方向寄存器 DDRx 和端口輸入引腳 PINx。數(shù)據(jù)寄存器和數(shù)據(jù)方向寄存器為讀/寫寄存器，而端口輸入引腳為只讀寄存器。當寄存器SFIOR的上拉禁止位PUD置位時所有端口的全部引腳的上拉電阻都被禁止。Atmega128未連接引腳的處理：如果有引腳未被使用，建議給這些引腳賦予一個確定電平。雖然在深層休眠模式下大多數(shù)數(shù)字輸入被禁用，但還是需要避免因引腳沒有確定的電平而造成懸空引腳在其它數(shù)字輸入使能模式( 復(fù)位、工作模式、空閑模式) 消耗電流。最簡單的保證未用引腳具有確定電平的方法是使能內(nèi)部上拉電阻。但要注意的是復(fù)位時上拉電阻將被禁用。如果復(fù)位時的功耗也有嚴格要求則建議使用外部上拉或下拉電阻。不推薦直接將未用引腳與VCC或GND連接，因為這樣可能會在引腳偶然作為輸出時出現(xiàn)沖擊電流。Atmega128引腳配置：每個端口引腳都具有三個寄存器位： DDxn、PORTxn和PINxn。DDxn位于DDRx寄存器， PORTxn位于PORTx寄存器， PINxn位于PINx寄存器。DDxn用來選擇引腳的方向。當DDxn為“1”時，Pxn配置為輸出，否則為輸入。當引腳配置為輸入時，若PORTxn為“1”，上拉電阻將使能。如果需要關(guān)閉這個上拉電阻，可以將PORTxn清零，或者將這個引腳配置為輸出。復(fù)位時各引腳為三態(tài)，即使此時沒有時鐘在運行。當引腳配置為輸出時，若PORTxn為“1”，引腳輸出高電平(“1”)，否則輸出低電平(“0”)。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ATmega128有一個10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對來自端口A的8路單端輸入電壓進行采樣。單端電壓輸入以0V(GND)為基準。ADC包括一個采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。ADC 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)。基準電壓可以通過在AREF引腳上加一個電容進行解耦，以更好地抑制噪聲。ADC 通過逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個10（0—1024）位的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換時間為13260 181。s。通過寫ADMUX寄存器的REFSn位可以把 。在 AREF上外加電容可以對片內(nèi)參考電壓進行解耦以提高噪聲抑制性能。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果為10位，存放于ADC數(shù)據(jù)寄存器ADCH及ADCL中。默認情況下轉(zhuǎn)換結(jié)果為右對齊，但可通過設(shè)置ADMUX寄存器的ADLAR變?yōu)樽髮R。 晶體振蕩器XTAL1和XTAL2分別為用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出， 這個振蕩器可以使用石英晶體，也可以使用陶瓷諧振器。熔絲位CKOPT用來選擇這兩種放大器模式的其中之一。當CKOPT被編程時振蕩器在輸出引腳產(chǎn)生滿幅度的振蕩。這種模式適合于噪聲環(huán)境，以及需要通過XTAL2驅(qū)動第二個時鐘緩沖器的情況。而且這種模式的頻率范圍比較寬。當保持CKOPT為未編程狀態(tài)時，振蕩器的輸出信號幅度比較小。其優(yōu)點是大大降低了功耗，但是頻率范圍比較窄，而且不能驅(qū)動其他時鐘緩沖器。對于諧振器，CKOPT未編程時的最大頻率為8MHz，CKOPT編程時為16 MHz。不管使用的是晶體還是諧振器，C1和C2的數(shù)值要一樣。最佳的數(shù)值與使用的晶體或諧振器有關(guān)，還與雜散電容和環(huán)境的電磁噪聲有關(guān)。一般選用石英振蕩器時，CC2典型值為2233pF，選用陶瓷振蕩器時，CC2典型值為4047pF。： 晶體振蕩器連線圖 復(fù)位電路外部復(fù)位由外加于RESET引腳的低電平產(chǎn)生。當復(fù)位低電平持續(xù)時間大于最小脈沖寬度時，即觸發(fā)復(fù)位過程，即使此時并沒有時鐘信號在運行。當外加信號達到復(fù)位門限電壓VRST(上升沿)時，tTOUT延時周期開始，延時結(jié)束后MCU即啟動。 復(fù)位電路連線圖 控溫電路 隔離放大器隔離放大器由輸入放大器、輸出放大器、隔離器以及隔離電源等幾部分組成。輸入放大器及其電源是浮置的，放大器輸入端浮置，泄漏電流極小，輸入端到公共端的電容和泄漏都很小，有極高的共模抑制能力，能對信號進行安全準確的放大，電源浮置無共模電壓。隔離電阻約，隔離電容的典型值為20PF，因此隔離放大器輸入、輸出和電源之間沒有直接的電路耦合，即信號在傳輸過程中沒有公共的接地點，大大的提高了電路的共模抑制比。本系統(tǒng)采用互補式光電耦合隔離放大電路，運算放大器N4組成輸入放大器，N5組成輸出放大器，VLC1和VLC2是特性完全對稱的光耦合器，VLC2用作輸入放大器和輸出放大器之間信號的隔離傳送，VLC1為N4的非線性反饋，用以彌補VLC2 的非線性。如果NN5處于理想工作狀態(tài)，并取R27=R31，由電路可得： 則： 互補式光電耦合隔離放大電路由于光電耦合器的工作速度遠低于運算放大器的工作速度，因此在電路中采用電容C5來改善電路的頻率特性，并采用電阻R30和電容C5來改善電路的穩(wěn)定性。但是C5值太大，會使電路頻率上限降低，R30和C5值太小，電路穩(wěn)定性變差，通常取C5值為1500PF，該電路的頻率可達0—40KHz，% 。 晶閘管電路電阻絲由過零觸發(fā)型的雙向晶閘管整流電路驅(qū)動，通過調(diào)節(jié)加熱電阻絲上的平均電壓來控制加熱功率，最終達到控制爐溫的目的。MOC3021是晶閘管光電隔離器件，它只能觸發(fā)小功率晶閘管。因此，本系統(tǒng)中通過MOC3021控制雙向晶閘管T1,再由T1控制主電路的雙向晶閘管T2。電路中采用的過零觸發(fā)型雙向晶閘管，只有當其兩端電壓過零時控制端上施加觸發(fā)信號，它才導(dǎo)通；一旦導(dǎo)通，只有再次過零時才關(guān)斷。針對這一特點，本系統(tǒng)采取了控制在M個電網(wǎng)周期內(nèi)晶閘管導(dǎo)通的周期數(shù)m()的方法來控制輸出平均電壓。為簡單起見，可以使控制運算所得到的控制量u和實際導(dǎo)通周期數(shù)m直接對應(yīng)，即：同步檢測電路檢出電網(wǎng)電壓信號的過零點，形成過零同步信號，并接到CPU中斷請求輸入端，以提供觸發(fā)參考點和控制周期M的計數(shù)信號。需要注意的是，同步檢測電路和電阻爐加熱回路的電源必須是相同的，以保證觸發(fā)信號同步。 加熱控制電路原理圖 人機接口電路 鍵盤有時因為生產(chǎn)要求，需要通過鍵盤重新設(shè)定和更改上下限值或者其它控制參數(shù)。本系統(tǒng)使用4*2鍵盤。鍵盤處理程序的關(guān)鍵是如何識別鍵碼，微型計算機對鍵盤控制的辦法是“掃描”。根據(jù)掃描的方法又可分程控掃描法、定時掃描法以及中斷掃描法三種。三種掃描方法各有其優(yōu)缺點，運用較多的是中斷掃描法和程控掃描法。本系統(tǒng)使用的是程控掃描法，程控掃描的基本原理是首先判斷是否有鍵按下，若有鍵按下，則求出鍵值，然后通過CPU對其進行處理。 2*4鍵盤連線圖 4位LED顯示LED數(shù)碼管是單片機控制系統(tǒng)中最常用的顯示器件之一，它具有體積小、抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長，工作電壓低，功耗小，響應(yīng)速度快等優(yōu)點，常用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)、系統(tǒng)中某一功能電路，甚至某一輸出引腳的電平狀態(tài)。此外，LED數(shù)碼管在單片機系統(tǒng)中，常用到一只到數(shù)只，甚至幾十只LED數(shù)碼管顯示CPU的處理結(jié)果、輸入/輸出信號狀態(tài)或大小。LED顯示器是由發(fā)光二極管作為顯示字段的數(shù)碼顯示器件，其中七只發(fā)光二極管(ag七段)構(gòu)成字型“8”，另外還有一只發(fā)光二極管dp作為小數(shù)點。 LED顯示器引腳圖根據(jù)LED數(shù)碼管內(nèi)各筆段LED發(fā)光二極管的連接方式，可以將LED數(shù)碼管分為共陰極和共陽極兩大類。共陰極LED數(shù)碼管中，所有筆段的LED發(fā)光二極管的負極連在一起，在共陽極LED數(shù)碼管中，所有筆段的LED發(fā)光二極管的正極連在一起。LED數(shù)碼管驅(qū)動電路有靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式，本系統(tǒng)中采用的是共陽極的動態(tài)顯示電路。在動態(tài)顯示方式中，各LED數(shù)碼管輪流工作，每次只能有一個器件顯示，但由于人視覺的暫留現(xiàn)象，所以，只要掃描頻率足夠快，仍會感覺所有器件同時顯示。為了防止閃爍現(xiàn)象，LED數(shù)碼管的刷新頻率必須大于25HZ，即同一LED數(shù)碼管相鄰兩次點亮的時間間隔要小于40ms。對于具有N個LED數(shù)碼管的動態(tài)顯示電路來說，如果LED顯示器刷新頻率為f，那么刷新周期為1/f，每一位的顯示時間為1/(fN)s，顯然，位數(shù)越多，每一位的顯示時間就越短，在驅(qū)動電流一定的情況下，亮度就越低（正因如此，在動態(tài)LED顯示電路中，需適當增大驅(qū)動電流，一般取20—35mA，以抵消因顯示時間短引起的亮度下降），實驗表明，為了保證一定的亮度，在驅(qū)動電流30mA的情況下，每位顯示時間不能小于1ms。 四位LED顯示 越限報警電路在控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設(shè)有緊急狀態(tài)報警系統(tǒng)，以便提醒操作人員注意，或采取緊急措施。其基本方法就是將采樣、數(shù)字濾波、標度變換之后的數(shù)據(jù)與該參數(shù)的上、下限進行比較，如果越限則進行報警，否則就作為采樣的正常值，進行顯示和控制。在控制系統(tǒng)中通常采用聲、光及語言進行報警。其中燈光一般采用發(fā)光二極管或閃爍的白熾等；聲音則由簡單的電鈴、電笛發(fā)出，也可以通過頻率可調(diào)的蜂鳴振蕩器提供。本控制系統(tǒng)中采用光報警，溫度越限報警顯示為一個LED燈。當被測溫度不在測量范圍之內(nèi)（即越限）時，PE0置為“0”，LED燈發(fā)光，顯示報警。 報警電路硬件連線圖 第四章 軟件設(shè)計硬件電路確定之后，系統(tǒng)的主要功能將依賴于軟件來實現(xiàn)。對同一個硬件電路，配以不同的軟件，它所實現(xiàn)的功能也就不同，因此，系統(tǒng)的設(shè)計很大程度上是軟件設(shè)計。 主程序設(shè)計 主程序流程圖。主程序完成硬件初始化、變量初始化等任務(wù)，然后循環(huán)檢測爐內(nèi)溫度，若發(fā)現(xiàn)溫度超出限制，則斷開控制輸出、屏蔽采樣定時中斷，然后發(fā)出報警信號，等待溫度恢復(fù)至安全值再重新啟動控制。 子程序設(shè)計 A/D采樣子程序在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被測參數(shù)，如溫度、流量、壓力、液位、速度等都是連續(xù)變化的量，稱為模擬量。而單片機處理的數(shù)據(jù)只能是數(shù)字量，所以數(shù)據(jù)在進入單片機之前，必須把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，能夠完成這一任務(wù)的器件，稱之為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，就位數(shù)來分，有8位、10位、12位、16位等。位數(shù)越高，其分辨率也越高。在Atmega128中，包含的是8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器。常用的A/D轉(zhuǎn)換的方法：計數(shù)法、雙積分法、逐次逼近法。本設(shè)計采取逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換。在該子程序中，ATMAGE128單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器首先對采樣進行A/D轉(zhuǎn)換，之后判斷A/D轉(zhuǎn)換是否完成，如果沒有完成，則繼續(xù)進行A/D轉(zhuǎn)換，直到轉(zhuǎn)換完成后，將碼值NX送到單片機緩沖單元存儲，等待數(shù)字濾波、線性化標度變換等后續(xù)子程序調(diào)用該碼值。 A/D采樣子程序 數(shù)字濾波子程序在工業(yè)測量中，被測對象所處環(huán)境往往存在電場、磁場、噪聲等干擾，使采樣值偏離真實值。所以，需要加一個濾波環(huán)節(jié)，對多次采樣信號構(gòu)成的數(shù)據(jù)系列進行平滑加工，以提高其有用信號在采樣值中所占比例，減少乃至消除各種干擾及噪音，以保證系統(tǒng)工作的可靠性。數(shù)字濾波的方法有很多種，可以根據(jù)不同的測量參數(shù)進行選擇，通常有[20]：（1）程序判斷濾波：經(jīng)驗說明，許多物理量變化都需要一定的時間，相鄰兩次采樣值之間的變化有一定的