【文章內(nèi)容簡介】 5 系統(tǒng)主要功能 本系 統(tǒng)是以 ATmega64 單片機(jī)為核心的土壤參數(shù)采集系統(tǒng)，主要采集土壤溫濕度及壓力并進(jìn)行相應(yīng)的分析，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了 3 個(gè)按鍵，當(dāng)傳感器探針插入土壤后，按鍵 1（ KEY1）按下，此時(shí)系統(tǒng)開始工作，執(zhí)行測(cè)量命令，按鍵 2（ KEY2）按下，系統(tǒng)則將采集到的溫濕度及壓力數(shù)據(jù)送 LCD 顯示同時(shí)儲(chǔ)存當(dāng)前數(shù)值到片外擴(kuò)展的 E2PROM，按鍵 3（ KEY3）按下時(shí)，系統(tǒng)檢查是否通過RS232 連接 PC 機(jī)，若連接成功， 則 執(zhí)行傳輸命令 同時(shí)清空 E2PROM 內(nèi)數(shù)據(jù)組 。 本章小結(jié) 本章分成硬件總體設(shè)計(jì)和軟件總體設(shè)計(jì)兩部分介紹了整個(gè)系統(tǒng)，在硬件總體設(shè)計(jì)方面給出了系統(tǒng)各模塊框圖，軟件設(shè)計(jì)則給出主程序流程圖。通過本章可對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在硬件和軟件方面有一個(gè)總體的認(rèn)識(shí) 。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 第 3章 硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) ATmega64單片機(jī)概述 Atmega64 單片機(jī)為基于 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的 8 位低功耗 CMOS 微處理器。由于其先進(jìn)的指令集及單周期指令執(zhí)行時(shí)間， Atmega64 單片機(jī)的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，故可以減緩系統(tǒng)的功耗和處理速度之間的矛盾。 AVR 單片機(jī)內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與邏輯單元（ ALU）相連接，使 得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的復(fù)雜指令集處理器高 10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 Atmega64 單片機(jī)是 AVR 單片機(jī)家族中的高性能單片機(jī)，具有比其他型號(hào)更高的性能， Atmega64 片內(nèi)帶有 64KB 的系統(tǒng)可編程 Flash 程序存儲(chǔ)器，具有在寫的過程中還可以讀的能力，即同時(shí)讀寫（ RWW）； 2KB 的 E2PROM； 4KB的 SRAM； 53 個(gè)通用 I/O 端口線； 32 個(gè)通用工作寄存器；實(shí)時(shí)時(shí)鐘（ RTC）； 4個(gè)靈活的具有比較模式和 PWM 的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器（ T/C）； 2 個(gè) USART；面向字節(jié)的兩線接口（ TWI）； 8 通道 10 位 ADC；可選的可編程增益；片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器；串行外圍接口（ SPI）；與 IEEE 規(guī)范兼容的 JTAG測(cè)試接口，此接口同時(shí)還可以用于片上調(diào)試； 6 種可以通過軟件選擇的省電模式。 空閑模式時(shí)， CPU 停止工作，而 SRAM、 T/C、 SPI 以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)，晶體振蕩器停止震蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作，而寄存器的內(nèi)容則一直保持；省電模式時(shí)，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，以允許用戶維持時(shí)間基準(zhǔn)，器件的其他部分處于睡眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時(shí)， CPU 和所有的 I/O 模塊停止運(yùn)行，而異步定時(shí)器和 ADC 繼續(xù)工作，以減少ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開關(guān)噪聲； Standby 模式時(shí)，振蕩器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)的能力；擴(kuò)展 Standby 模式時(shí)，則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。 Atmega64 單片機(jī)元器件是以 ATMEL 公司的高密度非易失性內(nèi)存技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi) ISP Flash 存儲(chǔ)器可以通過 SPI、通用編程器或引導(dǎo)程序多次編程。引導(dǎo)程序可以使用任何接口來下載應(yīng)用程序到 Flash 存儲(chǔ)器。在更新應(yīng)用 Flash 存儲(chǔ)器 時(shí)引導(dǎo) Flash 區(qū)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn) RWW 操作。通過將 8 位 RISC 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash 存儲(chǔ)器集成在一個(gè)芯片內(nèi)， Atmega64 單片機(jī)為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活且低成本的方案。 Atmega64 AVR 單片機(jī)有整套的開發(fā)工具，包括 C 語言編譯器、宏匯編語言、程序調(diào)試器 /仿真器和評(píng)估板。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 其具體產(chǎn)品特點(diǎn)如下： 、低功耗的 8 位微處理器。 RISC 結(jié)構(gòu)： ? 130 條指令，大多數(shù)可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。 ? 32KB*8bit 通用工作寄存器和外設(shè)控制寄存器。 ? 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。 ； ? 64KB 的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash 存儲(chǔ)器 ， 壽命為 10000 次寫 /擦出周期。 ? 具有獨(dú)立鎖定位、可選擇的啟動(dòng)代碼區(qū)，通過片內(nèi)的啟動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程真正的讀 —修改 —寫操作。 ? 2KB 的 E2PROM，壽命為 10000 次寫 /擦除周期。 ? 4KB 的內(nèi)部 SRAM。 ? 多達(dá) 64KB 的優(yōu)化的外部存儲(chǔ)器空間。 ? 可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)軟件加密。 ? 可以通過 SPI 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程。 接口（與 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)兼容）： ? 遵循 JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能。 ? 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試。 ? 通過 JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對(duì) Flash 存儲(chǔ)器， E2PROM、熔絲位和鎖定位的編程。 ： ? 2 個(gè)具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 ? 2 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。 ? 具有預(yù)分頻器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器。 ? 2 路 8 位 PWM。 ? 6 路分辨率可編程（ 1~16 位）的 PWM。 ? 輸出比較調(diào)制器。 ? 8 路 10 位 ADC： 8 個(gè)單端通道； 7 個(gè)差分通道； 2 個(gè)具有可編程增益（ 1倍、 10 倍、 200 倍）的差分通道。 ? 面向字節(jié)的兩線接口 （ TWI） 。 ? 2 個(gè) 可編程的串行 USART。 ? 可工作于主機(jī) /從機(jī)模式的串行外圍設(shè)備接口（ SPI）。 ? 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。 ： ? 上電復(fù)位以及可編程的掉電監(jiān)測(cè)。 ? 片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的 RC 振蕩器。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 ? 片內(nèi) /片外中斷源。 ? 6 種睡眠模式：空閑模式、 ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby（待機(jī)）模式以及擴(kuò)展的 Standby 模式。 ? 可以通過軟件進(jìn)行選擇的時(shí)鐘頻率。 ? 通過熔絲位可以選擇 Atmega103 單片機(jī)兼容模式。 ? 全局上拉禁止功能。 ： ? 53 個(gè)可編程 I/O 端口線。 ? 64 引腳 TQFP 與 64 引腳 MLF 封裝。 ： ~。 ： 0~16MHz。 ATmega64單片機(jī)引腳功能 ：數(shù)字電路的電源。 ：地。 A（ PA7~PA0）：端口 A 為 8 位雙向 I/O 端口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電阻拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口為三態(tài)。 B（ PB7~PB0）、 C（ PC7~PC0）、 D（ PD7~PD0）、 E（ PE7~PE0）：與端口 A 具有相同的 I/O 性能，但在 Atmega103 單片機(jī)兼容模式下，端口 C 只能作為輸出，而且在復(fù)位發(fā)生時(shí)不是三態(tài)。 F（ PF7~PF0）：端口 F 為 ADC 的模擬輸入引腳。如果不作為 ADC的模擬輸入，端口 F 可以作為 8 位 雙向 I/O 端口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口 F 為三態(tài)。如果使能了 JTAG 接口，則復(fù)位發(fā)生時(shí)引腳 PF7（ TDI）、 PF5（ TMS）、和 PF4（ TCK）的上拉電阻使能。端口 F 也可以作為 JTAG 接口。在Atmega103 單片機(jī)兼容模式下端口 F 只能作為輸入引腳。 G（ PG4~PG0）：端口 G 為 5 位雙向 I/O 端口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)，端口 G 為三態(tài)。在 Atmega103 單片機(jī)兼容模式下，端口 G 只能作為外部存儲(chǔ)器的所存信號(hào)以及 32KHz 振蕩器的輸入，并且在復(fù)位時(shí)，這些引腳初始化為 PG0= PG1=1 以 及 PG2=0。 PG3 和 PG4 是振蕩器引腳。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 圖 31 Atmega64 引腳圖 A、 B、 C、 D、 E、 F、 G：都可作為第二引腳試用 ：復(fù)位輸入引腳。超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位，低于此時(shí)間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。 ：反向震蕩放大器及片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入。 ：反向震蕩放大器的輸出。 ： AVCC 為端口 F 以及 ADC 的電源，須與 VCC 相連接，即使沒有使用 ADC 也應(yīng)該如此。使用 ADC 時(shí)，應(yīng)該通過一個(gè)低通濾波器與 VCC 連接。 ： AREF 為 ADC 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。 ： PEN 為 SPI 串行下載的使能引腳。在上電復(fù)位時(shí)，保持 PEN 為高電平，將使器件進(jìn)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。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 系統(tǒng)時(shí)鐘電路 AVR 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常有兩種產(chǎn)生方式：一是內(nèi)部時(shí)鐘方式；二是外部時(shí)鐘方式，本課題采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，如圖 32。 C22 2 p FC32 2 p FY18 M H z 圖 32 時(shí)鐘電路與 Atmega64 連接圖 晶振 Y1 的頻率范圍為 0~16MHz，本系統(tǒng)中采用 8MHz 的晶振頻率，電容器 C C2 均為 22pF。 系統(tǒng)復(fù)位電路 復(fù)位操作有兩種基 本形式：一種是上電復(fù)位，另一種是按鍵復(fù)位。Atmega64 單片機(jī)為低電平復(fù)位最小門限時(shí)間為兩個(gè)時(shí)鐘周期。 S1 未按下時(shí)，RESET 處于高電平，當(dāng) S1 按鍵按下時(shí)， RESET 接地，處于低電平，單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，復(fù)位電路如圖 33 所示。 R11 0 KS1S W P BV C CR E S R T 圖 33 系統(tǒng)復(fù)位電路圖 系統(tǒng)電源電路 系統(tǒng)輸入電壓為 12V，通過 LM7805CK 穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換，為系統(tǒng)提供 5V 工作電壓。 LM7805CK 是常見的三端穩(wěn)壓器件，如圖 34 所示， 它 具有良好的溫度系數(shù)，應(yīng)用范圍很廣。其主要特點(diǎn)有： 1A 電流的輸出，輸出電壓為 5V； 熱和短路保護(hù)； 。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 V in1 +5 2GND3 圖 34 LM7805 引腳圖 常見的 LM7805CK 的引腳定義如表 31 表 31 LM7805CK 引腳定義 引腳 符號(hào) 功能 1 Input 輸入電壓 2 GND 地 3 Output 輸出電壓 標(biāo)準(zhǔn) RS232接口擴(kuò)展 大多數(shù)控制系統(tǒng)都是把 PC 機(jī)作為上位機(jī)，單片機(jī)系統(tǒng)作為下位機(jī)。單片機(jī)系統(tǒng)必須把采集的數(shù)據(jù)傳輸給 PC 機(jī)，以便進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。 PC 機(jī)幾乎都具有 RS232 接口，因此單片機(jī)通過 RS232 接口與 PC 機(jī)通信最方便，也是最常用的方法。但是單片機(jī)并沒 有 RS232 電氣接口，要進(jìn)行通信就必須要進(jìn)行接口擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)采用 MAX232 電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行接口擴(kuò)展。 RS232接口的機(jī)械指標(biāo) RS232C 標(biāo)準(zhǔn)是美國 EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會(huì) )與 BELL 等公司一起開發(fā)的 ,于1969 年公布的通信協(xié)議，全稱是 EIARS232C。它適于數(shù)據(jù)傳輸速率在 0～20xx0bps 的通信。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)串行通信接口的有關(guān)問題，如信號(hào)線功能、電特性都作了明確規(guī)定。由于通信設(shè)備廠商都生產(chǎn)與 RS232C 制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機(jī)通信接口中廣泛采用。 RS232C 采用負(fù)邏輯，規(guī)定 +3V～ +15V 任意電壓表示邏輯 0（或信號(hào)有效）， 3V～ 15V 任意電壓表示邏輯 1（或信號(hào)無效）。 一個(gè)完整的 RS232 接口有 22 根線，采用一種標(biāo)準(zhǔn)的 “D”型保護(hù)殼的 25 針插頭座通常使用的 RS232 接口信號(hào)只有 9 針。 這 9 根引腳可以分成兩類：一類是基本的數(shù)據(jù)傳送引腳，另一類是用于調(diào)制解調(diào)器（ Modem）的控制和反映它的狀態(tài)的引腳。 基本的數(shù)據(jù)傳送引腳包括 RXD、 TXD、 SG； Modem 的控制引腳狀態(tài)包括DTR、 RTS、 DSR、 CTS、 DCD 和 RI。其中 DTR 和 RTS 是計(jì)算機(jī)通過 RS232接口送給 Modem 的控制引腳； DSR、 CTS、 DCD 和 RI 是 Modem 通過 RS232送給計(jì)算機(jī)的狀態(tài)信息引腳。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 表 32 RS232 信號(hào)定義 名稱 說明 FG 信號(hào)地，該引腳為所有電路提供參考電位 TXD 數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，數(shù)據(jù)傳送時(shí)，數(shù)據(jù)由此引腳發(fā)出，在不傳送數(shù)據(jù)時(shí)，異步串行通信接口維持該腳為邏輯 “1