本科毕业设计___基于avr单片机的数据采集系统设计(编辑修改稿)

本科毕业设计___基于avr单片机的数据采集系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

5 系统主要功能 本系 统是以 ATmega64 单片机为核心的土壤参数采集系统，主要采集土壤温湿度及压力并进行相应的分析，系统设计了 3 个按键，当传感器探针插入土壤后，按键 1（ KEY1）按下，此时系统开始工作，执行测量命令，按键 2（ KEY2）按下，系统则将采集到的温湿度及压力数据送 LCD 显示同时储存当前数值到片外扩展的 E2PROM，按键 3（ KEY3）按下时，系统检查是否通过RS232 连接 PC 机，若连接成功， 则 执行传输命令 同时清空 E2PROM 内数据组。 本章小结 本章分成硬件总体设计和软件总体设计两部分介绍了整个系统，在硬件总体设计方面给出了系统各模块框图，软件设计则给出主程序流程图。 通过本章可对数据采集系统在硬件和软件方面有一个总体的认识。 xx 大学学士学位论文 6 第 3章 硬件设计 单片机最小系统设计 ATmega64单片机概述 Atmega64 单片机为基于 AVR RISC 结构的 8 位低功耗 CMOS 微处理器。 由于其先进的指令集及单周期指令执行时间， Atmega64 单片机的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，故可以减缓系统的功耗和处理速度之间的矛盾。 AVR 单片机内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。 所有的寄存器都直接与逻辑单元（ ALU）相连接，使 得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。 这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集处理器高 10 倍的数据吞吐率。 Atmega64 单片机是 AVR 单片机家族中的高性能单片机，具有比其他型号更高的性能， Atmega64 片内带有 64KB 的系统可编程 Flash 程序存储器，具有在写的过程中还可以读的能力，即同时读写（ RWW）； 2KB 的 E2PROM； 4KB的 SRAM； 53 个通用 I/O 端口线； 32 个通用工作寄存器；实时时钟（ RTC）； 4个灵活的具有比较模式和 PWM 的定时器 /计数器（ T/C）； 2 个 USART；面向字节的两线接口（ TWI）； 8 通道 10 位 ADC；可选的可编程增益；片内振荡器的可编程看门狗定时器；串行外围接口（ SPI）；与 IEEE 规范兼容的 JTAG测试接口，此接口同时还可以用于片上调试； 6 种可以通过软件选择的省电模式。 空闲模式时， CPU 停止工作，而 SRAM、 T/C、 SPI 以及中断系统继续工作；掉电模式时，晶体振荡器停止震荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，而寄存器的内容则一直保持；省电模式时，异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分处于睡眠状态； ADC 噪声抑制模式时， CPU 和所有的 I/O 模块停止运行，而异步定时器和 ADC 继续工作，以减少ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式时，振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动的能力；扩展 Standby 模式时，则允许振荡器和异步定时器继续工作。 Atmega64 单片机元器件是以 ATMEL 公司的高密度非易失性内存技术生产的。 片内 ISP Flash 存储器可以通过 SPI、通用编程器或引导程序多次编程。 引导程序可以使用任何接口来下载应用程序到 Flash 存储器。 在更新应用 Flash 存储器 时引导 Flash 区的程序继续运行，实现 RWW 操作。 通过将 8 位 RISC 与系统内可编程的 Flash 存储器集成在一个芯片内， Atmega64 单片机为许多嵌入式控制应用提供了灵活且低成本的方案。 Atmega64 AVR 单片机有整套的开发工具，包括 C 语言编译器、宏汇编语言、程序调试器 /仿真器和评估板。 xx 大学学士学位论文 7 其具体产品特点如下： 、低功耗的 8 位微处理器。 RISC 结构：  130 条指令，大多数可以在一个时钟周期内完成。  32KB*8bit 通用工作寄存器和外设控制寄存器。  全静态工作。  工作于 16MHz 时 性能高达 16MIPS。  只需两个时钟周期的硬件乘法器。 ；  64KB 的系统内可编程 Flash 存储器 ， 寿命为 10000 次写 /擦出周期。  具有独立锁定位、可选择的启动代码区，通过片内的启动程序实现系统内编程真正的读 —修改 —写操作。  2KB 的 E2PROM，寿命为 10000 次写 /擦除周期。  4KB 的内部 SRAM。  多达 64KB 的优化的外部存储器空间。  可以对锁定位进行编程，以实现软件加密。  可以通过 SPI 实现系统内编程。 接口（与 IEEE 标准兼容）：  遵循 JTAG 标准的边界扫描功能。  支持扩展的片内调试。  通过 JTAG 接口实现对 Flash 存储器， E2PROM、熔丝位和锁定位的编程。 ：  2 个具有独立的预分频器和比较器功能的 8 位定时器 /计数器。  2 个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16 位定时器 /计数器。  具有预分频器的实时时钟计数器。  2 路 8 位 PWM。  6 路分辨率可编程（ 1~16 位）的 PWM。  输出比较调制器。  8 路 10 位 ADC： 8 个单端通道； 7 个差分通道； 2 个具有可编程增益（ 1倍、 10 倍、 200 倍）的差分通道。  面向字节的两线接口 （ TWI）。  2 个 可编程的串行 USART。  可工作于主机 /从机模式的串行外围设备接口（ SPI）。  具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器。  片内模拟比较器。 ：  上电复位以及可编程的掉电监测。  片内经过标准的 RC 振荡器。 xx 大学学士学位论文 8  片内 /片外中断源。  6 种睡眠模式：空闲模式、 ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby（待机）模式以及扩展的 Standby 模式。  可以通过软件进行选择的时钟频率。  通过熔丝位可以选择 Atmega103 单片机兼容模式。  全局上拉禁止功能。 ：  53 个可编程 I/O 端口线。  64 引脚 TQFP 与 64 引脚 MLF 封装。 ： ~。 ： 0~16MHz。 ATmega64单片机引脚功能 ：数字电路的电源。 ：地。 A（ PA7~PA0）：端口 A 为 8 位双向 I/O 端口，并具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电阻拉低时将输出电流。 复位发生时端口为三态。 B（ PB7~PB0）、 C（ PC7~PC0）、 D（ PD7~PD0）、 E（ PE7~PE0）：与端口 A 具有相同的 I/O 性能，但在 Atmega103 单片机兼容模式下，端口 C 只能作为输出，而且在复位发生时不是三态。 F（ PF7~PF0）：端口 F 为 ADC 的模拟输入引脚。 如果不作为 ADC的模拟输入，端口 F 可以作为 8 位 双向 I/O 端口，并具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。 复位发生时端口 F 为三态。 如果使能了 JTAG 接口，则复位发生时引脚 PF7（ TDI）、 PF5（ TMS）、和 PF4（ TCK）的上拉电阻使能。 端口 F 也可以作为 JTAG 接口。 在Atmega103 单片机兼容模式下端口 F 只能作为输入引脚。 G（ PG4~PG0）：端口 G 为 5 位双向 I/O 端口，并具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。 复位发生时，端口 G 为三态。 在 Atmega103 单片机兼容模式下，端口 G 只能作为外部存储器的所存信号以及 32KHz 振荡器的输入，并且在复位时，这些引脚初始化为 PG0= PG1=1 以 及 PG2=0。 PG3 和 PG4 是振荡器引脚。 xx 大学学士学位论文 9 图 31 Atmega64 引脚图 A、 B、 C、 D、 E、 F、 G：都可作为第二引脚试用 ：复位输入引脚。 超过最小门限时间的低电平将引起系统复位，低于此时间的脉冲不能保证可靠复位。 ：反向震荡放大器及片内时钟操作电路的输入。 ：反向震荡放大器的输出。 ： AVCC 为端口 F 以及 ADC 的电源，须与 VCC 相连接，即使没有使用 ADC 也应该如此。 使用 ADC 时，应该通过一个低通滤波器与 VCC 连接。 ： AREF 为 ADC 的模拟基准输入引脚。 ： PEN 为 SPI 串行下载的使能引脚。 在上电复位时，保持 PEN 为高电平，将使器件进入 SPI 串行下载模式。 在正常工作过程中， PEN 引脚没有其他功能。 xx 大学学士学位论文 10 系统时钟电路 AVR 单片机的时钟信号通常有两种产生方式：一是内部时钟方式；二是外部时钟方式，本课题采用内部时钟方式，如图 32。 C22 2 p FC32 2 p FY18 M H z 图 32 时钟电路与 Atmega64 连接图 晶振 Y1 的频率范围为 0~16MHz，本系统中采用 8MHz 的晶振频率，电容器 C C2 均为 22pF。 系统复位电路 复位操作有两种基 本形式：一种是上电复位，另一种是按键复位。 Atmega64 单片机为低电平复位最小门限时间为两个时钟周期。 S1 未按下时，RESET 处于高电平，当 S1 按键按下时， RESET 接地，处于低电平，单片机进入复位状态，复位电路如图 33 所示。 R11 0 KS1S W P BV C CR E S R T 图 33 系统复位电路图 系统电源电路 系统输入电压为 12V，通过 LM7805CK 稳压芯片转换，为系统提供 5V 工作电压。 LM7805CK 是常见的三端稳压器件，如图 34 所示， 它 具有良好的温度系数，应用范围很广。 其主要特点有： 1A 电流的输出，输出电压为 5V； 热和短路保护；。 xx 大学学士学位论文 11 V in1 +5 2GND3 图 34 LM7805 引脚图 常见的 LM7805CK 的引脚定义如表 31 表 31 LM7805CK 引脚定义 引脚 符号 功能 1 Input 输入电压 2 GND 地 3 Output 输出电压 标准 RS232接口扩展 大多数控制系统都是把 PC 机作为上位机，单片机系统作为下位机。 单片机系统必须把采集的数据传输给 PC 机，以便进行存储和处理。 PC 机几乎都具有 RS232 接口，因此单片机通过 RS232 接口与 PC 机通信最方便，也是最常用的方法。 但是单片机并没 有 RS232 电气接口，要进行通信就必须要进行接口扩展。 本设计采用 MAX232 电平转换芯片进行接口扩展。 RS232接口的机械指标 RS232C 标准是美国 EIA(电子工业联合会 )与 BELL 等公司一起开发的 ,于1969 年公布的通信协议，全称是 EIARS232C。 它适于数据传输速率在 0～20xx0bps 的通信。 这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电特性都作了明确规定。 由于通信设备厂商都生产与 RS232C 制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。 RS232C 采用负逻辑，规定 +3V～ +15V 任意电压表示逻辑 0（或信号有效）， 3V～ 15V 任意电压表示逻辑 1（或信号无效）。 一个完整的 RS232 接口有 22 根线，采用一种标准的 “D”型保护壳的 25 针插头座通常使用的 RS232 接口信号只有 9 针。 这 9 根引脚可以分成两类：一类是基本的数据传送引脚，另一类是用于调制解调器（ Modem）的控制和反映它的状态的引脚。 基本的数据传送引脚包括 RXD、 TXD、 SG； Modem 的控制引脚状态包括DTR、 RTS、 DSR、 CTS、 DCD 和 RI。 其中 DTR 和 RTS 是计算机通过 RS232接口送给 Modem 的控制引脚； DSR、 CTS、 DCD 和 RI 是 Modem 通过 RS232送给计算机的状态信息引脚。 xx 大学学士学位论文 12 表 32 RS232 信号定义 名称 说明 FG 信号地，该引脚为所有电路提供参考电位 TXD 数据发送引脚，数据传送时，数据由此引脚发出，在不传送数据时，异步串行通信接口维持该脚为逻辑 “1。