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正文內(nèi)容

基于單片機的酒精濃度檢測機電路設計(編輯修改稿)

2024-12-22 17:07 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 /O 線全部帶可設置的上拉電阻、可單獨設定為輸入 /輸出、可設定(初始)高阻輸入、驅(qū)動能力強(可省去功率驅(qū)動器件)等特性,使的得 I/O 口資源靈活、功能強大、可充分利用。 AVR 單片機片內(nèi)具備多種獨立的時鐘分頻器,分別供 URAT、 I2C、 SPI使用。其中與 8/16 位定時器配合的具有多達 10 位的預分頻器,可通過軟件設定分頻系數(shù)提供多種檔次的定時時間。 AVR 單片機獨有的 “ 以定時器 /計數(shù)器(單)雙向計數(shù)形成三角波,再與輸出比較匹配寄存器配合,生成占空比可變、頻率可變、相位可變方波的設計方法 (即脈寬調(diào)制輸出 PWM)”更 是令人耳目一新。 畢業(yè)設計(論文) — 9— 增強性的高速同 /異步串口,具有硬件產(chǎn)生校驗碼、硬件檢測和校驗偵錯、兩級接收緩沖、波特率自動調(diào)整定位(接收時)、屏蔽數(shù)據(jù)幀等功能,提高了通信的可靠性,方便程序編寫,更便于組成分布式網(wǎng)絡和實現(xiàn)多機通信系統(tǒng)的復雜應用,串口功能大大超過 MCS51/96 單片機的串口,加之 AVR 單片機高速,中斷服務時間短,故可實現(xiàn)高波特率通訊。面向字節(jié)的高速硬件串行接口 TWI、 SPI。 TWI 與 I2C 接口兼容,具備 ACK 信號硬件發(fā)送與識別、地址識別、總線仲裁等功能,能實現(xiàn)主 /從機的收 /發(fā)全部 4 種組合的多機通信。 SPI 支持主 /從機等 4 種組合的多機通信。 AVR單片機有自動上電復位電路、獨立的 看門狗 電路、低電壓檢測電路 BOD,多個復位源 (自動上下電復位、外部復位、看門狗復位、 BOD復位 ),可設置的啟動后延時運行程序,增強了嵌入式系統(tǒng)的可靠性。 AVR 單片機具有多種省電休眠模式,且可寬電壓運行( ),抗干擾能力強,可降低一般 8 位機中的軟件抗干擾設計工作量和硬件的使用量。 AVR 單片機技術體現(xiàn)了單片機集多種器件 (包括 FLASH 程序存儲器、看門狗、 EEPROM、同 /異步串行口、 TWI、 SPI、 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時器 /計數(shù)器等 )和多種功能 (增強可靠性的復位系統(tǒng)、降低功耗抗干擾的休眠模式、品種多門類全的中斷系統(tǒng)、具輸入捕獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定時器 /計數(shù)器、具替換功能的 I/O 端口 ?? ) 于一身,充分體現(xiàn)了單片機技術的從 “ 片自為戰(zhàn) ” 向 “ 片上系統(tǒng) SoC” 過渡的發(fā)展方向。 綜上所述, AVR單片機博采眾長,又具獨特技術,不愧為 8 位機中的佼佼者。 AVR 最大特點 AVR 單片機功能強大,其特點與別的單片機不同,下面我們簡單的介紹一下AVR 單片機的特點。 ① 哈佛結構,具備 1MIPS / MHz 的高速運行處理能力; ② 超功能精簡指令集( RISC),具有 32 個通用工作寄存器,克服了如 8051 MCU 采用單一 ACC 進行處理造成的瓶頸現(xiàn)象; ③ 快速的存取寄存器組、單周期指令系統(tǒng),大大優(yōu)化了目標代碼的大小、執(zhí)行效率,部分型號 FLASH 非常大,特別適用于使用高級語言進行開發(fā); ④ 作輸出時與 PIC 的 HI/LOW 相同,可輸出 40mA(單一輸出),作輸入時可設置為三態(tài)高阻抗輸入或帶上拉電阻輸入 ,具備 10mA20mA 灌電流的能力; ⑤ 片內(nèi)集成多種頻率的 RC 振蕩器、上電自動復位、看門狗、啟動延時等功能,外圍電路更加簡單,系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠; ⑥ 大部分 AVR 片上資源豐富:帶 E2PROM, PWM, RTC, SPI, UART,TWI, ISP, AD, Analog Comparator, WDT 等; 畢業(yè)設計(論文) — 10— ⑦ 大部分 AVR 除了有 ISP 功能外,還有 IAP 功能,方便升級或銷毀應用程序 。 AVR 系列單片機的選型 AVR 單片機系列齊全 ,可適用于各種不同場合的要求。 AVR 單片機有 3個檔次 : 低檔 Tiny 系列 AVR 單 片機 : 主要有 Tiny11/12/13/15/26/28 等; 中檔 AT90S 系列 AVR 單片機 : 主要有 AT90S1200/2313/8515 等; 高檔 ATmega 系列 AVR 單片機 : 主要有 ATmega8/16/32/64/128( 存儲容量為 8/16/32/64/128 KB)以及 ATmega8515/8535 等。 AVR 也是自動電壓調(diào)節(jié)器的縮寫 。 ATmega16 引腳功能 參照圖 4。 VCC 電源正 。 GND 電源地 。 端口 A(PA7..PA0) 端口 A 做為 A/D 轉(zhuǎn)換器的模 擬輸入端。端口 A 為 8 位雙向 I/O 口,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,端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中,即使系統(tǒng)時鐘還未起振,端口 A 處于高阻狀態(tài)。 端口 B(PB7..PB0) 端口 B 為 8 位雙向 I/O 口,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,端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中,即使系統(tǒng)時鐘還未起振,端口 B 處于高阻狀 態(tài)。 端口 B 也可以用做其他不同的特殊功能 。 端口 C(PC7..PC0) 端口 C 為 8 位雙向 I/O 口,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,端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中,即使系統(tǒng)時鐘還未起振,端口 C 處于高阻狀態(tài)。如果 JTAG 接口使能,即使復位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、 PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活。端口 C 也可以用做其他不同的特殊功能 。 端口 D(PD7..PD0) 端口 D 為 8 位雙向 I/O 口,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。在復位過程中,即使系統(tǒng)時鐘還未起振,端口 D 處于高阻狀態(tài)。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能 。 RESET 復位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復位。門限時間見 P36Table 15。持續(xù)時間小于門限間的脈沖不能保證可靠復位。 畢業(yè)設計(論文) — 11— XTAL1 反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端。 XTAL2 反向振蕩放大器的輸出端。 AVCC AVCC 是端口 A 與 A/D 轉(zhuǎn)換器的電源。不使用 ADC 時,該引腳應直接與 VCC 連接。使用 ADC 時應通過一個低通濾波器與 VCC 連接 。 AREF A/D 的模擬基準輸入引腳。 圖 4 ATmega16 引腳圖 圖 5 ATmega16內(nèi)核 畢業(yè)設計(論文) — 12— ATmega16 內(nèi)核介紹 為了獲得最高的性能以及并行性, AVR 采用了 Harvard 結構 (如圖5) ,具有獨立的數(shù)據(jù)和程序總線。程序存儲器里的指令通過一級流水線運行。 CPU 在執(zhí)行一條指令的同時讀取下一條指令 ( 在本文稱為預取 )。這個概念實現(xiàn) 了指令的單時鐘周期運行。程序存儲器是可以在線編程的 FLASH。 快速訪問寄存器文件包括 32 個 8 位通用工作寄存器,訪問時間為一個時鐘周期。從而實現(xiàn)了單時鐘周期的 ALU 操作。在典型的 ALU 操作中,兩個位于寄存器文件中的操作數(shù)同時被訪問,然后執(zhí)行運算,結果再被送回到寄存器文件。整個過程僅需一個時鐘周期。 寄存器文件里有 6 個寄存器可以用作 3 個 16 位的間接尋址寄存器指針以尋址數(shù)據(jù)空間,實現(xiàn)高效的地址運算。其中一個指針還可以作為程序存儲器查詢表的地址指針。這些附加的功能寄存器即為 16 位的 X、 Y、 Z 寄存 器。 ALU 支持寄存器之間以及寄存器和常數(shù)之間的算術和邏輯運算。 ALU也可以執(zhí)行單寄存器操作。運算完成之后狀態(tài)寄存器的內(nèi)容得到更新以反映操作結果。 程序流程通過有 / 無條件的跳轉(zhuǎn)指令和調(diào)用指令來控制,從而直接尋址整個地址空間。大多數(shù)指令長度為 16 位,亦即每個程序存儲器地址都包含一條 16 位或 32 位的指令。 程序存儲器空間分為兩個區(qū):引導程序區(qū) (Boot 區(qū) ) 和應用程序區(qū)。這兩個區(qū)都有專門的鎖定位以實現(xiàn)讀和讀 / 寫保護。用于寫應用程序區(qū)的 SPM 指令必須位于引導程序區(qū)。 在中斷和調(diào)用子程序時返回地址的程 序計數(shù)器 (PC) 保存于堆棧之中。堆棧位于通用數(shù)據(jù) SRAM,因此其深度僅受限于 SRAM 的大小。在復位例程里用戶首先要初始化堆棧指針 SP。這個指針位于 I/O 空間,可以進行讀寫訪問。數(shù)據(jù) SRAM 可以通過 5 種不同的尋址模式進行訪問。 AVR 存儲器空間為線性的平面結構。 AVR 有一個靈活的中斷模塊。控制寄存器位于 I/O 空間。狀態(tài)寄存器里有全局中斷使能位。每個中斷在中斷向量表里都有獨立的中斷向量。各個中斷的優(yōu)先級與其在中斷向量表的位置有關,中斷向量地址越低,優(yōu)先級越高。 I/O 存儲器空間包含 64 個可以直接 尋址的地址,作為 CPU 外設的控制寄存器、 SPI,以及其他 I/O 功能。映射到數(shù)據(jù)空間即為寄存器文件之后的地址 0x20 0x5F。 數(shù)碼管 數(shù)碼管分類 數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管,八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元(多一個小數(shù)點顯示);按能顯示多少個 “8” 可分為 1 位、 2畢業(yè)設計(論文) — 13— 位、 4 位等等數(shù)碼管;按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極 (COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應用時應將公共極 COM 接到 +5V, 當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時,相應字段就點亮。當某一字段的陰極為高電平時,相應字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 (COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應用時應將公共極 COM 接到地線 GND 上,當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時,相應字段就點亮。 數(shù)碼管驅(qū)動方式 數(shù)碼管要正常顯示,就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼,從而顯示出我們要的數(shù)字,因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同,可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 ① 靜態(tài)顯示驅(qū)動:靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù) 碼管的每一個段碼都由一個單片機的 I/O 端口進行驅(qū)動,或者使用如 BCD 碼二 十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單,顯示亮度高,缺點是占用 I/O 端口多,如驅(qū)動 5 個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 58= 40 根 I/O 端口來驅(qū)動,要知道一個 89S51 單片機可用的 I/O 端口才 32 個呢:),實際應用時必須增加譯碼驅(qū)動器進行驅(qū)動,增加了硬件電路的復雜性。 ② 動態(tài)顯示驅(qū)動:數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一,動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起 ,另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路,位選通由各自獨立的 I/O 線控制,當單片機輸出字形碼時,所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼,但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形,取決于單片機對位選通 COM 端電路的控制,所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開,該位就顯示出字形,沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的 COM 端,就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示,這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中,每位數(shù)碼管的點亮時間為 1~ 2ms,由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應,盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮 ,但只要掃描的速度足夠快,給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù),不會有閃爍感,動態(tài)顯
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