基于AVR的嵌入式溫濕度采集系統(tǒng).doc

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用題 目 基于AVR的嵌入式溫濕度采集系統(tǒng) 目錄第一章 緒論31.1 課題研究背景和意義31.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀41.2.1 溫度傳感器41.2.2 濕度傳感器5第2章系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)82.1信號(hào)采集82.2信號(hào)處理112.2.1 產(chǎn)品特點(diǎn):112.2.2 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)132.2.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)142.3信息處理16第3章軟件設(shè)計(jì)193.1 系統(tǒng)初始化193.2 LCD顯示193.3 溫濕度采集20總 結(jié)23第一章 緒論1.1 課題研究背景和意義溫度是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來(lái)講是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。在整個(gè)宇宙當(dāng)中，溫度無(wú)處不存在。無(wú)論在地球上還是在月球上，也無(wú)論是在熾熱的太陽(yáng)上還是在陰冷的冥王星上，這一切無(wú)不由于空間位置的不同而存在著溫度的差別。濕度，表示大氣干燥程度的物理量。在一定的溫度下在一定體積的空氣里含有的水汽越少，則空氣越干燥；水汽越多，則空氣越潮濕?？諝獾母蓾癯潭冉凶觥皾穸取薄Ｔ诖艘饬x下，常用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、比較濕度、混合比、飽和差以及露點(diǎn)等物理量來(lái)表示。濕度表示氣體中的水蒸汽含量,有絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度兩種表示方法。絕對(duì)濕度是一定體積的空氣中含有的水蒸氣的質(zhì)量，一般其單位是克/立方米，絕對(duì)濕度的最大限度是飽和狀態(tài)下的最高濕度；相對(duì)濕度是絕對(duì)濕度與最高濕度之間的比，它的值顯示水蒸氣的飽和度有多高。溫度、濕度和人類的生產(chǎn)、生活有著密切的關(guān)系，同時(shí)也是工業(yè)生產(chǎn)中最常見最基本的工藝參數(shù)，例如機(jī)械、電子、石油、化工等各類工業(yè)中廣泛需要對(duì)溫度、濕度的檢測(cè)與控制。并且隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)自己的生存環(huán)境越來(lái)越關(guān)注，而空氣中溫濕度的變化與人體的舒適度和情緒都有直接的影響，所以對(duì)溫度、濕度的檢測(cè)及控制就非常有必要了。溫度、濕度是工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可缺少的因素，但傳統(tǒng)的方法是用溫度表、毛發(fā)濕度表、雙金屬式測(cè)量計(jì)和濕度試紙等測(cè)試器材，通過(guò)人工進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)不符合溫度和濕度要求的庫(kù)房進(jìn)行通風(fēng)、去濕和降溫等工作。這種人工測(cè)試方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低，且測(cè)試的溫度及濕度誤差大，隨機(jī)性大。含有微型計(jì)算機(jī)或微處理器的測(cè)量?jī)x器，由于它擁有對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，運(yùn)算邏輯判斷及自動(dòng)化的功能，有著智能作用。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，一個(gè)低成本和具有較高精度的溫度濕度測(cè)量?jī)x在許多領(lǐng)域會(huì)代替人工操作，自動(dòng)控制各種儀器調(diào)整環(huán)境溫度濕度。目前市場(chǎng)上普遍存在的溫濕度檢測(cè)儀器大都是溫濕度分開測(cè)量，而且溫濕度信息傳遞不及時(shí)，精度達(dá)不到要求，不利于控制者根據(jù)溫度、濕度變化及時(shí)做出決定，為此，本設(shè)計(jì)開發(fā)了一種能夠同時(shí)測(cè)量溫濕度，并實(shí)時(shí)性高、精度高，能夠方便擴(kuò)展處理多點(diǎn)溫濕度信息，并能進(jìn)行溫濕度控制的測(cè)控產(chǎn)品?？傊?，環(huán)境溫濕度的檢測(cè)與調(diào)節(jié)儀器的設(shè)計(jì)和開發(fā)具有非常大的市場(chǎng)前景和實(shí)用價(jià)值。1.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1.2.1 溫度傳感器集成溫度傳感器是目前應(yīng)用范圍最廣、使用最普及的一種全集成化傳感器。其種類很多，大致可分為以下5類：1、模擬集成溫度傳感器；2、模擬集成溫度控制器；3、智能溫度傳感器；4、通用智能溫度控制器；5、微機(jī)散熱保護(hù)專用的智能溫度控制器。集成溫度傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域有以下3個(gè)方面：1.溫度測(cè)量：可以構(gòu)成數(shù)字溫度計(jì)、溫度變送器、溫度巡回檢測(cè)儀、智能化溫度檢測(cè)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)化測(cè)溫系統(tǒng)。2.溫度控制：適用于智能化溫度測(cè)控系統(tǒng)、工業(yè)過(guò)程控制、現(xiàn)場(chǎng)可編程溫度控制系統(tǒng)、環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)、中央空調(diào)、風(fēng)扇溫控電路、微處理器及微機(jī)系統(tǒng)的過(guò)熱保護(hù)裝置、現(xiàn)代辦公設(shè)備、電信設(shè)備、服務(wù)器中的溫度測(cè)控系統(tǒng)、電池充電器的過(guò)熱保護(hù)電路、音頻功率放大器的過(guò)熱保護(hù)電路及家用電器。3.特殊應(yīng)用：例如，熱電偶冷端溫度補(bǔ)償、測(cè)量溫差、測(cè)量平均溫度、測(cè)量溫度場(chǎng)、電子密碼鎖（僅對(duì)內(nèi)含64位ROM的單線總線智能溫度傳感器而言）及液晶顯示器表面溫度監(jiān)測(cè)等。模擬集成溫度傳感器是在20世紀(jì)80年代問世的，它是將溫度傳感器集成在一個(gè)芯片上、可完成溫度測(cè)量及模擬信號(hào)輸出功能的專用IC。模擬集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一（僅測(cè)量溫度）、測(cè)溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫、控溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡(jiǎn)單。它是目前在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的一種集成傳感器，典型產(chǎn)品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。 智能溫度傳感器（亦稱數(shù)字溫度傳感器）是在20世紀(jì)90年代中期問世的。它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)（ATE）的結(jié)晶。目前，國(guó)際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器（或寄存器）和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器（CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）。智能溫度傳感器的特點(diǎn)是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器（MCU）；并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。進(jìn)入21世紀(jì)后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測(cè)溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。在20世紀(jì)90年代中期最早推出的智能溫度傳感器，采用的是8位A/D轉(zhuǎn)換器，其測(cè)溫精度較低，分辨力只能達(dá)到1。目前，國(guó)外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是912位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨力一般可達(dá)0.50.0625。由美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其分辨力高達(dá)0.03125，測(cè)溫精度為0.2。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例，它對(duì)本地傳感器、每一路遠(yuǎn)程傳感器的轉(zhuǎn)換時(shí)間分別僅為27s、9s。 新型智能溫度傳感器的測(cè)試功能也在不斷增強(qiáng)。例如，DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘（RTC），使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲(chǔ)功能，利用芯片內(nèi)部256字節(jié)的E2PROM存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)用戶的短信息。另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開發(fā)多路溫度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，所采用的總線主要有單線總線、I2C總線、SMBus總線和SPI總線。1.2.2 濕度傳感器濕度傳感器產(chǎn)品及濕度測(cè)量屬于90年代興起的行業(yè)。濕度傳感器主要分為電阻式和電容式兩種，產(chǎn)品的基本形式都是在基片上涂覆感濕材料形成感濕膜?？諝庵械乃羝皆诟袧癫牧仙虾?，元件的阻抗、介質(zhì)常數(shù)發(fā)生很大的變化，從而制成濕敏元件。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了較大的發(fā)展。濕敏傳感器正從簡(jiǎn)單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測(cè)的方向迅速發(fā)展。國(guó)內(nèi)外各廠家的濕度傳感器產(chǎn)品水平不一，質(zhì)量?jī)r(jià)格都相差較大，用戶如何選擇性能價(jià)格比最優(yōu)的理想產(chǎn)品確有一定難度，需要在這方面作深入的了解?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上出現(xiàn)了不少國(guó)內(nèi)外濕度傳感器產(chǎn)品，電容式濕敏元件較為多見，感濕材料種類主要為高分子聚合物，氯化鋰和金屬氧化物。濕敏元件是最簡(jiǎn)單的濕度傳感器。濕敏元件主要分為電阻式、電容式兩大類。濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。濕敏電阻的種類很多，例如金屬氧化特濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。濕敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，主要缺點(diǎn)是線性度和產(chǎn)品的互換性差。濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酷酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比。濕敏電容的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實(shí)現(xiàn)小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。國(guó)外生產(chǎn)濕敏電容的主廠家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生產(chǎn)的SH1100型濕敏電容為例，其測(cè)量范圍是（1%99%）RH，在55%RH時(shí)的電容量為180pF（典型值）。當(dāng)相對(duì)濕度從0變化到100%時(shí)，電容量的變化范圍是163pF202pF。溫度系數(shù)為0.04pF/，濕度滯后量為1.5%，響應(yīng)時(shí)間為5s。除電阻式、電容式濕敏元件之外，還有電解質(zhì)離子型濕敏元件、重量型濕敏元件（利用感濕膜重量的變化來(lái)改變振蕩頻率）、光強(qiáng)型濕敏元件、聲表面波濕敏元件等。濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測(cè)環(huán)境濕度時(shí)，濕敏元件要長(zhǎng)期暴露在待測(cè)環(huán)境中，很容易被污染而影響其測(cè)量精度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。目前，國(guó)外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠家及典型產(chǎn)品分別為Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。這些產(chǎn)品可分成以下三種類型：(1)線性電壓輸出式集成濕度傳感器；典型產(chǎn)品有 HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特點(diǎn)是采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對(duì)濕度呈比例關(guān)系的伏特級(jí)電壓信號(hào)，響應(yīng)速度快，重復(fù)性好，抗污染能力強(qiáng)。(2)線性頻率輸出集成濕度傳感器；典型產(chǎn)品為HF3223型。它采用模塊式結(jié)構(gòu)，屬于頻率輸出式集成濕度傳感器，在55%RH時(shí)的輸出頻率為8750Hz（型值），當(dāng)上對(duì)濕度從10%變化到95%時(shí)，輸出頻率就從9560Hz減小到8030Hz。這種傳感器具有線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、便于配數(shù)字電路或單片機(jī)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。(3)頻率/溫度輸出式集成濕度傳感器；典型產(chǎn)品為HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，還增加了溫度信號(hào)輸出端，利用負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻作為溫度傳感器。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，其電阻值也相應(yīng)改變并且從NTC端引出，配上二次儀表即可測(cè)量出溫度值。2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、 SHT15型智能化溫度/溫度傳感器，其外形尺寸僅為7.6（mm）5(mm)2.5（mm），體積與火柴頭相近。出廠前，每只傳感器都在溫度室中做過(guò)精密標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)被編成相應(yīng)的程序存入校準(zhǔn)存儲(chǔ)器中，在測(cè)量過(guò)程中可對(duì)相對(duì)濕度進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。它們不僅能準(zhǔn)確測(cè)量相對(duì)溫度，還能測(cè)量溫度和露點(diǎn)。測(cè)量相對(duì)溫度的范圍是0100%，分辨力達(dá)0.03%RH，最高精度為2%RH。測(cè)量溫度的范圍是-40 123.8，分辨力為0.01。第2章系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)以AVR ATMega128單片機(jī)為核心來(lái)對(duì)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)巡檢。檢測(cè)單元(從機(jī))能獨(dú)立完成功能，同時(shí)能自動(dòng)的向主控機(jī)傳輸采集到的溫濕度數(shù)據(jù)。最后采集來(lái)的信息通過(guò)液晶屏顯示清晰的呈現(xiàn)給用戶。 本系統(tǒng)采用AM2301溫濕度模塊進(jìn)行參數(shù)采集，它是集溫度傳感器和濕度傳感器于一體的檢測(cè)模塊，并且通信協(xié)議與1-wire相同，便于開發(fā)和擴(kuò)展為多路檢測(cè)系統(tǒng)，節(jié)約IO口。檢測(cè)溫度范圍-40+80，精度為0.3。濕度檢測(cè)范圍為2090RH，其檢測(cè)精度為3。本設(shè)計(jì)由信號(hào)采集、信號(hào)處理和信息顯示三個(gè)部分組成的。(1)信號(hào)采集 由AM2301溫濕度傳感器模塊組成；(2)信號(hào)處理 由單片機(jī)ATMega128及外圍器件組成；(3)信息顯示 由12864液晶顯示模塊組成。2.1信號(hào)采集AM2301濕敏電容數(shù)字溫濕度模塊是一款含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)高精度測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在單片機(jī)中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)單總線接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。產(chǎn)品為 3引線（單總線接口）連接方便。圖2.1 AM2301實(shí)物圖主要應(yīng)用在暖通空調(diào)、除濕器、測(cè)試及檢測(cè)設(shè)備、消費(fèi)品、汽車、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)記錄器、家電、濕度調(diào)節(jié)器、醫(yī)療、氣象站、及其他相關(guān)濕度檢測(cè)控制等。有超低能耗、傳輸距離遠(yuǎn)、全部自動(dòng)化校準(zhǔn)、采用電容式濕敏元件、完全互換、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字單總線輸出、卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、采用高精度測(cè)溫元件等優(yōu)點(diǎn)。 圖2.2 引腳定義AM2315的供電電壓范圍為 3.5V - 5.5V,建議供電電壓為 5V。SDA 引腳為三態(tài)結(jié)構(gòu)，用于讀、寫傳感器數(shù)據(jù)。具體的通信時(shí)序，見通信協(xié)議的詳細(xì)說(shuō)明。AM2301 器件采用簡(jiǎn)化的單總線通信。單總線即只有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換、控制均由數(shù)據(jù)線完成。設(shè)備（微處理器）通過(guò)一個(gè)漏極開路或三態(tài)端口連至該數(shù)據(jù)線，以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)能夠釋放總線，而讓其它設(shè)備使用總線；單總線通常要求外接一個(gè)約 5.1k的上拉電阻，這樣，當(dāng)總線閑置時(shí)，其狀態(tài)為高電平。由于它們是主從結(jié)構(gòu)，只有主機(jī)呼叫傳感器時(shí)，傳感器才會(huì)應(yīng)答，因此主機(jī)訪問傳感器都必須嚴(yán)格遵循單總線序列，如果出現(xiàn)序列混亂，傳感器將不響應(yīng)主機(jī)。與AVR的硬件連接圖如圖。圖2.3 溫濕度傳感器硬件連接電路SDA 用于微處理器與 AM2301之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次傳送 40位數(shù)據(jù)，高位先出。具體通信時(shí)序如圖2.4所示，通信格式說(shuō)明見表2.1。圖2.4 AM2301單總線通信協(xié)議表2.1 AM2301通信格式說(shuō)明用戶主機(jī)（MCU）發(fā)送一次起始信號(hào)（把數(shù)據(jù)總線SDA拉低至少800s）后，AM2301從休眠模式轉(zhuǎn)換到高速模式。待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后， AM2301 發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，從數(shù)據(jù)總線 SDA 串行送出40Bit的數(shù)據(jù)，先發(fā)送字節(jié)的高位；發(fā)送的數(shù)據(jù)依次為濕度高位、濕度低位、溫位、溫度低位、校驗(yàn)位，發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束觸發(fā)一次信息采集，采集結(jié)束傳感器自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式，直一次通信來(lái)臨。圖2.5 單總線讀取流程圖2.2信號(hào)處理2.2.1 產(chǎn)品特點(diǎn): 高性能、低功耗的 AVR微處理器 先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu) 133 條指令 大多數(shù)可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成 32 x 8 通用工作寄存器 + 外設(shè)控制寄存器 全靜態(tài)工作 工作于16 MHz 時(shí)性能高達(dá)16 MIPS 只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器 非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash 壽命: 10,000 次寫 /擦除周期 具有獨(dú)立鎖定位、可選擇的啟動(dòng)代碼區(qū)通過(guò)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4K 字節(jié)的EEPROM壽命: 100,000 次寫 /擦除周期4K 字節(jié)的內(nèi)部SRAM 多達(dá)64K字節(jié)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(guò)SPI實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程 JTAG 接口(與 IEEE 1149.1 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(guò)JTAG接口實(shí)現(xiàn)對(duì) 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)立的預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器 兩個(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)立預(yù)分頻器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器 兩路8 位PWM6路分辨率可編程 （2 到16 位）的 PWM 輸出比較調(diào)制器8路 10 位ADC8個(gè)單端通道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(cè) 片內(nèi)經(jīng)過(guò)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、ADC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 可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的時(shí)鐘頻率 通過(guò)熔絲位可以選擇ATmega103兼容模式 全局上拉禁止功能 I/O和封裝53 個(gè)可編程I/O 口線64 引腳TQFP與 64引腳 MLF封裝 工作電壓 2.7 - 5.5V ATmega128L 4.5 - 5.5V ATmega128 速度等級(jí) 0 - 8 MHz ATmega128L 0 - 16 MHz ATmega1282.2.2 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)VCC 數(shù)字電路的電源。GND 地。端口 A(PA7.PA0) 端口 A 為 8 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(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 A 為三態(tài)。端口 A 也可以用做其他不同的特殊功能，請(qǐng)參見 P 68。端口 B(PB7.PB0) 端口 B 為 8 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(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 B 為三態(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，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 C 為三態(tài)。端口 D(PD7.PD0) 端口 D 為 8 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(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 D 為三態(tài)。端口 E(PE7.PE0) 端口 E 為 8 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(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 E 為三態(tài)。端口 E 也可以用做其他不同的特殊功能。端口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 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。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(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)。端口 G 也可以用做其他不同的特殊功能。在 ATmega103 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 32 kHz 振蕩器的輸入，并且在復(fù)位時(shí)這些引腳初始化為 PG0 = 1， PG1 = 1 以及 PG2 = 0。 PG3 和PG4 是振蕩器引腳。RESET 復(fù)位輸入引腳。超過(guò)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。XTAL1 反向振蕩器放大器及片內(nèi)時(shí)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，需要與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(guò)一個(gè)低通濾波器與 VCC 連接。AREF AREF 為 ADC 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。PEN PEN是SPI串行下載的使能引腳。在上電復(fù)位時(shí)保持PEN為低電平將使器件進(jìn)入SPI串行下載模式。在正常工作過(guò)程中 PEN 引腳沒有其他功能。2.2.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展是以基本最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，故應(yīng)首先熟悉應(yīng)用應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括晶體振蕩電路、復(fù)位電路，其電路圖如圖2.5所示。圖2.6 單片機(jī)最小系統(tǒng)1.復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位的原理是在時(shí)鐘電路開始工作后，在單片機(jī)的RST引腳施加24個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖（即兩個(gè)機(jī)器周期）以上的高電平，單片機(jī)便可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位。在復(fù)位期間，單片機(jī)的ALE引腳和PSEN引腳均輸出高電平。當(dāng)RST引腳從高電平跳變?yōu)榈碗娖胶?，單片機(jī)便從0000H單元開始執(zhí)行程序。在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用既可以手動(dòng)復(fù)位，又可以上電復(fù)位的電路，這樣可以人工復(fù)位單片機(jī)系統(tǒng)，這種電路如圖2.5復(fù)位部分所示。上電復(fù)位電路部分的原理也是RC電路的充放電效應(yīng)。除了系統(tǒng)上電的時(shí)候可以給RST引腳一個(gè)短暫的高電平信號(hào)外，當(dāng)按下按鍵開關(guān)的時(shí)候，VCC通過(guò)一個(gè)高電阻連接到RST引腳，給RST一個(gè)高電平，按鍵松開的時(shí)候，RST引腳恢復(fù)為低電平，復(fù)位完成。2.晶振電路時(shí)鐘電路是用于產(chǎn)生單片機(jī)正常工作時(shí)所需要的時(shí)鐘信號(hào)。STC89C52單片機(jī)內(nèi)部包含有一個(gè)振蕩器，可以用于CPU的時(shí)鐘源。另外也可以采用外部振蕩器，由外部振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)供內(nèi)部CPU運(yùn)行使用。(1)內(nèi)部時(shí)鐘模式內(nèi)部時(shí)鐘模式是采用單片機(jī)內(nèi)部振蕩器來(lái)工作的模式。AVR系列單片機(jī)內(nèi)部包含有一個(gè)高增益的單級(jí)反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別為片內(nèi)放大器的輸入端口和輸出端口,其工作頻率為033MHz。當(dāng)單片機(jī)工作于內(nèi)部時(shí)鐘模式的時(shí)候，只需在XTAL1引腳和XTAL2引腳連接一個(gè)晶體振蕩器或陶瓷振蕩器，并聯(lián)兩個(gè)電容后接地即可，如圖3-6所示。使用時(shí)對(duì)于電容的選擇有一定得要求，具體如下：A 當(dāng)外接晶體振蕩器的時(shí)候，電容值一般選擇C1=C2=3010pF；B 當(dāng)外接陶瓷振蕩器的時(shí)候，電容值一般選擇C1=C2=4010pF。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)，盡量保證外接的振蕩器和電容盡可能接近單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳，這樣可以減少寄生電容的影響，使振蕩器能夠穩(wěn)定可靠地為單片機(jī)CPU提供時(shí)鐘信號(hào)。(2)外部時(shí)鐘模式外部時(shí)鐘模式是采用外部振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，直接提供給單片機(jī)使用。對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，外部時(shí)鐘信號(hào)接入的方式有所不同。對(duì)于普通的8051單片機(jī)，外部時(shí)鐘信號(hào)由XTAL2引腳接入后直接送到單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器，而引腳XTAL1則應(yīng)直接接地。這里需要注意，由于XTAL2引腳的邏輯電平不是TTL信號(hào)，因此外接一個(gè)上拉電阻。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，我們選擇內(nèi)部時(shí)鐘電路，外接頻率16.000MHz的晶體振蕩器，選擇兩個(gè)電容值為30pF的陶瓷電容。2.3信息處理在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般都是把鍵盤和顯示器放在一起考慮。顯示器作為輸出部件，可以將系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果、狀態(tài)等信息直觀地顯示出來(lái)供操作者了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況和程序的執(zhí)行結(jié)果。這里用到的12864是一種具有 4位/8 位并行、2線或 3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 12864, 內(nèi)置8192 個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和 128 個(gè)16*8點(diǎn)ASCII 字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示 84 行 1616 點(diǎn)陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多?；咎匦? 低電源電壓（VDD:+3.0-+5.5V），顯示分辨率:12864點(diǎn)，內(nèi)置漢字字庫(kù)，提供8192個(gè)1616點(diǎn)陣漢字(簡(jiǎn)繁體可選)，內(nèi)置 128個(gè)168點(diǎn)陣字符，2MHZ時(shí)鐘頻率，顯示方式：STN、半透、正顯，驅(qū)動(dòng)方式：1/32DUTY，1/5BIAS，視角方向：6點(diǎn)，背光方式：側(cè)部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的 1/51/10 ，通訊方式：串行、并口可選，內(nèi)置 DC-DC轉(zhuǎn)換電路，無(wú)需外加負(fù)壓，無(wú)需片選信號(hào)，簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)，工作溫度: 0 - +55 ,存儲(chǔ)溫度: -20 - +60。12864硬件電路圖如下,采用標(biāo)準(zhǔn)的20腳接口，其中：第1腳：VSS為電源地第2腳：VDD接5V電源正極第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度）。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫操作。第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端。第7-14腳：D0-D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第15腳：串口,并口方式選擇。第16腳:NC。第17腳：復(fù)位，低電平有效。第18腳：LCD驅(qū)動(dòng)電壓輸出端。第19，20腳：背光源。圖2.7 LCD顯示模塊液晶屏的控制時(shí)序可以參考液晶屏的手冊(cè)，但是需要注意幾點(diǎn)。欲在某一個(gè)位置顯示中文字符時(shí)，應(yīng)先設(shè)定顯示字符位置，即先設(shè)定顯示地址，再寫入中文字符編碼。 顯示 ASCII 字符過(guò)程與顯示中文字符過(guò)程相同。不過(guò)在顯示連續(xù)字符時(shí)，只須設(shè)定一次顯示地址，由模塊自動(dòng)對(duì)地址加 1指向下一個(gè)字符位置，否則，顯示的字符中將會(huì)有一個(gè)空 ASCII字符位置。 當(dāng)字符編碼為 2 字節(jié)時(shí)，應(yīng)先寫入高位字節(jié)，再寫入低位字節(jié)。 模塊在接收指令前，向處理器必須先確認(rèn)模塊內(nèi)部處于非忙狀態(tài)，即讀取 BF 標(biāo)志時(shí) BF 需為“0”，方可接受新的指令。如果在送出一個(gè)指令前不檢查BF標(biāo)志，則在前一個(gè)指令和這個(gè)指令中間必須延遲一段較長(zhǎng)的時(shí)間，即等待前一個(gè)指令確定執(zhí)行完成。指令執(zhí)行的時(shí)間請(qǐng)參考指令表中的指令執(zhí)行時(shí)間說(shuō)明?！癛E”為基本指令集與擴(kuò)充指令集的選擇控制位。當(dāng)變更“RE”后，以后的指令集將維持在最后的狀態(tài)，除非再次變更“RE”位，否則使用相同指令集時(shí)，無(wú)需每次均重設(shè)“RE”位。第3章軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)的初始化，LCD液晶顯示屏的初始化及字庫(kù)的定義，以及溫濕度采集協(xié)議的控制。3.1 系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化主要包括IO口的初始化，以及各個(gè)寄存器的初始化。本設(shè)計(jì)IO口只用到A，C和E口，故只需對(duì)這三組端口的方向進(jìn)行設(shè)置。uint year;uchar month,day,flag; DDRE|=BIT(2); PORTE&=BIT(2); /關(guān)閉LED PORTE&=BIT(2)/端口A初始化data_port_dir=0xff;data_port=0xff;control_port_dir=0xff;PORTC=0xff;/初始化 init_lcd();Key_init();TWI_Init(); PCF8563_Init();flag=AM2301_CollectIntData(&temperature,&humidity);3.2 LCD顯示首先要對(duì)LCD的字庫(kù)進(jìn)行定義，把要顯示的字定義好放到一個(gè)數(shù)組里以備調(diào)用。然后對(duì)LCD顯示屏進(jìn)行顯示的初始化。程序如下。void init_lcd(void) select_screen(11); /選中雙屏 s_ms(1000); clearscreen(11); /雙屏都清屏 wr_lcd(com,disp_off); wr_lcd(com,disp_on); /開一次關(guān)一次 /顯示第一行固定值：disp(10,1,1,shuzi2,0); /2disp(10,1,2,shuzi0,0);/0disp(10,1,3,nian,1); /年disp(01,1,1,yue,1); /月disp(01,1,3,ri,1); /日disp(01,1,4,smile,1);/顯示第二行固定值disp(10,2,2,yue,1); /月disp(01,2,2,xing,1);/星disp(01,2,3,qi,1); /期 /顯示第三行固定值disp(10,3,7,dot,0); /:disp(01,3,2,dot,0);/:/顯示第四行固定值disp(10,4,1,wen,1); /溫disp(10,4,2,du,1);/度disp(10,4,4,ssd,1);/ disp(01,4,1,shi,1); /濕disp(01,4,2,du,1);/度disp(01,4,4,bfh,1); /在主函數(shù)里的無(wú)限循環(huán)中，對(duì)要顯示的字符進(jìn)行實(shí)時(shí)刷新。while(1) uchar th1,wendu_s,wendu_l,wendu_g,shidu_s,shidu_g; key_process();if(stop!=1) level=0;/推出level=100狀態(tài),否則不斷進(jìn)入level100狀態(tài),導(dǎo)致不斷的重設(shè)時(shí)間 PCF8563_Updata_Time(); /顯示第一行:年月日 /disp(10,1,1,shuzi2,0); /2 /disp(10,1,2,shuzi0,0); /0 disp(10,1,3,shuzidate_display2,0);/年十位 disp(10,1,4,shuzidate_display3,0);/年個(gè)位 disp(10,1,7,shuzidate_display5,0);/月十位 disp(10,1,8,shuzidate_display6,0);/月個(gè)位 disp(01,1,3,shuzidate_display8,0);/日十位 disp(01,1,4,shuzidate_display9,0);/日個(gè)位 /顯示第二行：農(nóng)歷、星期 year=2000+date_display2*10+date_display3; month=date_display5*10+date_display6; day=date_display8*10+date_display9; dispChinaCalendar(year,month,day); /顯示農(nóng)歷 disp(01,2,4,monthcodeweek_display,1);/顯示星期 /顯示第三行：時(shí)：分：秒 disp(10,3,5,shuzitime_display0,0); /時(shí)十位 disp(10,3,6,shuzitime_display1,0); /時(shí)個(gè)位 disp(10,3,8,shuzitime_display3,0); /分十位 disp(01,3,1,shuzitime_display4,0); /分個(gè)位 disp(01,3,3,shuzitime_display6,0); /秒十位 disp(01,3,4,shuzitime_display7,0); /秒個(gè)位 /顯示第四行:溫度、濕度3.3 溫濕度采集溫濕度的采集由AM2301_CollectIntData(int *pvHumidity,int *pvTemperature)函數(shù)來(lái)完成，由于單片機(jī)一般不提供1-wire總線協(xié)議，故需要用IO口模擬單總線協(xié)議。模擬過(guò)程由AM2301_ReadByte(unsigned char *pvData)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體程序如下。uchar AM2301_CollectIntData(int *pvHumidity,int *pvTemperature)unsigned char lvReturn=1,lvCount;unsigned int lvTemp16=0;int lvTemp;unsigned char lvHumidityHigh=0; /濕度高位unsigned char lvHumidityLow=0; /濕度低位unsigned char lvTemperatureHigh=0; /溫度高位unsigned char lvTemperatureLow=0; /溫度低位unsigned char lvCheck=0; /校驗(yàn)位/主機(jī)的操作SetDataBitOutput();SetDataBit();ClearDataBit(); /拉低總線delay16M_nus(190); /持續(xù)至少500us，現(xiàn)取600usSetDataBit(); /釋放總線/主機(jī)檢測(cè)叢機(jī)SetDataBitInput();delay16M_nus(1); /應(yīng)延時(shí)20-40usif(TestDataBit()while(TestDataBit(); /等待響應(yīng)信號(hào)delay16M_nus(1); /應(yīng)延時(shí)20-40usif(!(TestDataBit() while(!(TestDataBit() ;/判斷叢機(jī)是否發(fā)送了80us的高電平信號(hào)while(TestDataBit(); /等待高電平結(jié)束AM2301_ReadByte(&lvHumidityHigh);AM2301_ReadByte(&lvHumidityLow);AM2301_ReadByte(&lvTemperatureHigh);AM2301_ReadByte(&lvTemperatureLow);