【正文】 范圍相當(dāng)廣泛，同時采用單片機(jī)技術(shù)， 由于單片機(jī)自身功能強(qiáng)大，因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)，也可在此基礎(chǔ)上加入通信接口電路，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信。任何一個物體或者環(huán)境都有其溫度屬性，只有對其溫度進(jìn)行采集，才能更好的了解物體或者環(huán)境的特點(diǎn)，所以這就強(qiáng)調(diào)了溫度采集的重要性。后來隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳感器和單片機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)改變了溫度采集系統(tǒng)的方式，溫度采集系統(tǒng)也得到了長足的進(jìn)步，已經(jīng)變得數(shù)字化和電子化，現(xiàn)今在工業(yè)中通過數(shù)字化的溫度采集模塊，溫度可以迅速得通過單片機(jī)進(jìn)行處理，并傳輸?shù)絇C機(jī)中，用來進(jìn)行進(jìn)一步的處理。本次課題的目的在于學(xué)習(xí)基于AVR單片機(jī)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理及基本流程。單片機(jī)數(shù)據(jù)處理之后，在通過串口連接至PC機(jī)，顯示及進(jìn)一步處理。b) 內(nèi)帶模擬比較器。d) 具有休眠省電功能及閑置低功耗功能。f) 具有硬件乘法器、獨(dú)立振蕩器的實(shí)時計(jì)數(shù)器RTC。h) 硬件結(jié)構(gòu)采用局部寄存器存儲，簡化結(jié)構(gòu)、降低成本。j) 具有DIP、TQFP、PLCC多種封裝形式。b) AVR單片機(jī)的FLASH、EEPROM存儲器可以反復(fù)燒寫、支持在ISP在線編程。d) I/O口作輸出時，可以輸出很強(qiáng)的高、低電平；I/O口作輸入時，可以帶有高阻抗或者帶上拉電阻。f) 空間大、品種多的片內(nèi)FLASH。如ATting2313兼容AT89C2051，ATmega8515/162兼容AT89S51等。b) 低功耗的CMOS技術(shù)。d) 增強(qiáng)型的驅(qū)動能力。f) 性價比高。 AVR系列單片機(jī)簡介 ATMEL公司研發(fā)的AVR單片機(jī)，為滿足不同的需求和應(yīng)用，分為Tiny系列、AT90系列和ATmega系列。用戶可以根據(jù)AVR單片機(jī)不同的引腳數(shù)目和價格各異進(jìn)行選擇，來滿足不同的應(yīng)用水平。ATmega系列AVR單片機(jī)主要有ATmega8/16/32/64/128以及ATmega8515/8535等。 ATmega16單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ATmega16簡介ATmega16是一種基于增強(qiáng)型的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗、CMOS技術(shù)的8位微控制器。是具有高可靠性、高速度、低功耗等特點(diǎn)，是一種高性價比的單片機(jī)。ATmega16單片機(jī)具有Flash程序存儲器、看門狗、EEPROM、同/異步串行口、TWI、SPI、A/D模擬轉(zhuǎn)換器、定時器/計(jì)數(shù)器等多種器件和增強(qiáng)可靠性的復(fù)位系統(tǒng)。 ATmega16的總體結(jié)構(gòu)ATmega128單片機(jī)性能十分強(qiáng)大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，其總體結(jié)構(gòu)包括以下幾個部分，分別介紹如下。（2） 32個通用工作寄存器在32個通用工作寄存器中，有6個可以用作3個16位的間接地址寄存器指針，以尋址數(shù)據(jù)空間，實(shí)現(xiàn)高效的地址運(yùn)算。（3） Harvard結(jié)構(gòu)AVR單片機(jī)采用CMOS技術(shù)，具有高速度、低功耗的特點(diǎn)，同時還具有休眠功能。算術(shù)邏輯單元（ALU）在執(zhí)行某一指令時，下一個指令被預(yù)先從程序存儲器中被提取處理，提高了MCU的運(yùn)行效率。（5） 程序存儲器AVR的程序存儲器空間由引導(dǎo)程序區(qū)和應(yīng)用程序區(qū)組成。（6） I/O存儲器I/O存儲器空間包含64個I/O寄存器空間，它們用來控制MCU的各個外圍功能。8/16位定時器/計(jì)數(shù)器可用作比較器、計(jì)數(shù)器外部中斷和PWM的控制輸出。（8） 其他電路AVR單片機(jī)有自動上電復(fù)位電路（POR），獨(dú)立的看門狗電路（WDT）、低電壓檢測電路，多個復(fù)位源，只需在復(fù)位源接一個上拉電阻即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，不需要另加外部復(fù)位器件。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域。 由此可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動社會進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。相信不久的將來，傳感器技術(shù)將會出現(xiàn)一個飛躍，達(dá)到與其重要地位相稱的新水平。 串口概述 串口介紹串行接口簡稱串口，也稱串行通信接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的擴(kuò)展接口。一條信息的各位數(shù)據(jù)被逐位按順序傳送的通訊方式稱為串行通訊。串行通訊的距離可以從幾米到幾千米；根據(jù)信息的傳送方向，串行通訊可以進(jìn)一步分為單工、半雙工和全雙工三種。串口出現(xiàn)的初期是為了實(shí)現(xiàn)連接計(jì)算機(jī)外設(shè)的目的，初期串口一般用來連接鼠標(biāo)和外置Modem以及老式攝像頭和寫字板等設(shè)備。由于串口（COM）不支持熱插拔及傳輸速率較低目前部分新主板和大部分便攜電腦已開始取消該接口，目前串口多用于工控和測量設(shè)備以及部分通信設(shè)備中。 串行接口按電氣標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議來分,包括RS232C、RS42RS485等。l RS232也稱標(biāo)準(zhǔn)串口，最常用的一種串行通訊接口。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（DCE）之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。 RS232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。RS232是為點(diǎn)對點(diǎn)（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動器負(fù)載為3～7kΩ。 l RS422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。實(shí)際上還有一根信號地線，共5根線。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動器比RS232更強(qiáng)的驅(qū)動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點(diǎn)，最多可接10個節(jié)點(diǎn)。接收器輸入阻抗為4k，故發(fā)端最大負(fù)載能力是104k+100Ω（終接電阻）。 RS422的最大傳輸距離為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。 l RS485是從RS422基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，所以RS485許多電氣規(guī)定與RS422相仿。RS485可以采用二線與四線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信，而采用四線連接時，與RS422一樣只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多的通信，即只能有一個主（Master）設(shè)備，其余為從設(shè)備，但它比RS422有改進(jìn)，無論四線還是二線連接方式總線上可多接到32個設(shè)備。 RS485與RS422一樣，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。Protel DXP2004是Altium公司于2004年推出的最新版本的電路設(shè)計(jì)軟件，該軟件能實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)，頂層設(shè)計(jì)直到輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及這之間的所有分析驗(yàn)證和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的管理。Protel DXP 2004已不是單純的PCB（印制電路板）設(shè)計(jì)工具，而是由多個模塊組成的系統(tǒng)工具，分別是SCH（原理圖）設(shè)計(jì)、SCH（原理圖）仿真、PCB（印制電路板）設(shè)計(jì)、Auto Router（自動布線器）和FPGA設(shè)計(jì)等，覆蓋了以PCB為核心的整個物理設(shè)計(jì)。如圖11，圖12所示為該軟件的工作界面及電路圖。 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)由硬件設(shè)計(jì)方案和軟件設(shè)計(jì)方案組成，如圖13所示。其中AVR單片機(jī)和PC機(jī)通過串口連接。本系統(tǒng)具有電路簡潔，性能可靠等特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)。DS18B20 是美國 Dallas 半導(dǎo)體公司的新一代數(shù)字式溫度傳感器，它具有獨(dú)特的單總線接口方式，即允許在一條信號線上掛接數(shù)十甚至上百個數(shù)字式傳感器，從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡單，克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時需要的A/D轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路的缺點(diǎn)，由它組成的溫度測控系統(tǒng)非常方便，而且成本低、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。它使用一根總線接口實(shí)現(xiàn)和外部微處理器的通信。C，測量精度為 0. 5176。傳感器的供電寄生在通信的總線上 ,可以從一根總線通信中的高電平中取得，這樣可以不需要外部的供電電源。當(dāng)使用總線寄生供電時 ,供電端必須接地，同時總線口在空閑的時候必須保持高電平，以便對傳感器充電。圖21 DS18B20外部形狀、管腳圖及接入圖DS18B20采用３腳PR－35封裝或８腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖22所示。（2）獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。（4）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)?！妗＃?），12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。（9）負(fù)壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為８字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖3所示。第５個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。該字節(jié)各位的定義如圖3所示。DS18B20的測溫原理是這樣的,器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計(jì)數(shù)器1；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計(jì)數(shù)器２的脈沖輸入。計(jì)數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器１、溫度寄存器中，計(jì)數(shù)器１和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)器門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直到溫度寄存器值大致被測溫度值。復(fù)位要求CPU將數(shù)據(jù)線下拉480us，然后釋放，DS18B20收到信號后等待60us左右，然后發(fā)出60us~240us的低脈沖，主CPU收到此信號表示復(fù)位成功。2. 發(fā)送一條ROM指令。4. 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。第一、二個字節(jié)是溫度數(shù)據(jù)字節(jié)(MSB、LSB)，可以在系統(tǒng)配置寄存器中自行設(shè)置數(shù)據(jù)位數(shù)(9～12位)，數(shù)據(jù)位越多溫度分辨率越高，9位數(shù)據(jù)溫度分辨率 176。C，多余的高位是溫度數(shù)據(jù)的符號擴(kuò)展位，溫度數(shù)據(jù)格式如表21所列。第五字節(jié)是系統(tǒng)置寄存器，寄存器各位定義如下：第八位是設(shè)置用來表示傳感器的工作狀態(tài)，是測試狀態(tài)(設(shè)置為“1”)還是操作功能狀態(tài)(設(shè)置為“0”) ，出廠設(shè)置為操作功能狀態(tài)，用戶不能修改；第七、六兩位是溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位的設(shè)置(00、011分別對應(yīng)112位溫度數(shù)據(jù))，出廠設(shè)置為 12 位溫度數(shù)據(jù)位，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行修改；其余位無效。第9個字節(jié)是CRC校驗(yàn)碼，是前面8個字節(jié)的循環(huán)校驗(yàn)碼，用在通信中，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送的正確性。我所設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)主要有兩部分組成，一部分是溫度采集部分，一部分是溫度顯示部分。圖23 測溫程序流程圖3 ATmega16單片機(jī)軟硬件設(shè)計(jì) ATmega16引腳說明根據(jù)AVR單片機(jī)特點(diǎn)及課題所設(shè)定環(huán)境，故選用ATmega16作為單片機(jī)。圖31 ATmega16引腳圖（1） VCC數(shù)字電路的電源端（2） GND接地端（3） 端口A(PA7~PA0)端口A作為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。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。在復(fù)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)。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。在復(fù)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)。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。在復(fù)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)。（6） 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。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。（7） RESET復(fù)位輸入引腳。（8） XTAL1反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端。（10） AVCCAVCC是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。使用ADC時應(yīng)通過一個低通濾波器與 VCC 連接。針對這次的課題設(shè)計(jì)內(nèi)容，我所設(shè)計(jì)的基本ATmega16硬件線路，包括以下幾部分：1。晶振線路3。ISP下載接口5。電源 復(fù)位線路的設(shè)計(jì)圖32 復(fù)位線路設(shè)計(jì)圖ATmega16已經(jīng)內(nèi)置了上電復(fù)位設(shè)計(jì)。為了可靠，(C0)以消除干擾、雜波。當(dāng)AVR在工作時，按下S0開關(guān)時，復(fù)位腳變成低電平，觸發(fā)AVR芯片復(fù)位。即這部分不需要任何的外圍零件。不過，內(nèi)置的畢竟是RC振蕩，在一些要求較高的場合，比如要與RS232通信需要比較精確的波特率時，建議使用外部的晶振線路，如圖33所示。ATmega系列實(shí)際使用時，這兩只小電容不接也能正常工作。重要說明：實(shí)際應(yīng)用時，如果不需要太高精度的頻率，可以使用內(nèi)部RC振蕩。 AD轉(zhuǎn)換濾波線路的設(shè)計(jì)為減小AD轉(zhuǎn)換的電源干擾，ATmega16芯片有獨(dú)立的AD電源供電。也可以從外面輸入?yún)⒖茧妷?，比如在外面使用TL431基準(zhǔn)電壓源。（C4）。即這部分不需要任何的外圍零件。使用雙排2＊5插座。重要說明：實(shí)際應(yīng)用時，如果想簡化零件，可以不焊接2＊5座。 JTAG仿真接口設(shè)計(jì)圖36 JTAG仿真接口設(shè)計(jì)圖仿真接口也是使用雙排2＊5插座。重要說明：實(shí)際應(yīng)用時，如果不想使用JTAG仿真，并且不想受四只10K的上拉電阻的影響，可以將JP1－JP4斷開，如圖36所示。 電源設(shè)計(jì)圖37 電源設(shè)計(jì)圖。二極管D1防止用戶插錯電源極性。1117－ADJ的特性為1腳會有50uA的電流輸出，1－。R8上的電流為1117－ADJ 1腳電流加上R6上的電流，+=. 。誤差在2%以內(nèi)。R8上的電流為1117－ADJ 1腳電流