基于avr单片机水温自动控制系统毕业设计(编辑修改稿)

基于avr单片机水温自动控制系统毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

长春工业大学人文信息学院毕业设计 (论文 ) 9 荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展 Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。 本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。 片内 ISP Flash 允许程序存储器通过 ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于 AVR 内核之中的引导程序进行编程。 引导程序可以使用任意接口将 应用程序 下载到应用 Flash 存储区 (ApplicationFlash Memory)。 在更新应用Flash 存储区时引导 Flash 区 (Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。 通过将 8 位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。 ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包括： C 语言 编译器 、宏汇编、 程序调试器 / 软件仿真器、仿真器及评估板。 ATmega16 产品特性 高性能、低功耗的 8 位 AVR 微处理器 RISC 结构 条指令 个 8 位通用工作寄存器 16MHz 时性能高达 16MIPS 器 16K 字节的系统内可编程 Flash，擦写寿命 : 10,000 次。 具有独立锁定位的可选 Boot 代码区，通过片上 Boot 程序实现系 统内编程，真正的同时读写操作 字节的 EEPROM，擦写寿命 : 100,000 次 字节的片内 SRAM 接口 ( 与 IEEE 标准兼容 ) 符合 JTAG 标准的边界扫描 长春工业大学人文信息学院毕业设计 (论文 ) 10 功能 ,通过 JTAG 接口实现对 Flash、 EEPROM、熔 丝位和锁定位的编程 (1)两个具有独立预分频器和比较器功能的 8 位定时器 /计数器 (2)一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16 位定时器 /计数器 (3)具有独立振荡器的实时计数器 RTC (4)四通道 PWM 8 路 10 位 ADC， 8 个单端通道， 2个具有可编程增益 （ 1x, 10x, 或 200x）的差分通道 (5)面向字节的两线接口 (6)两个可编程的串行 USART (7)可工作于主机 / 从机模式的 SPI 串行接口 (8)具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 (9)片内模拟比较器 (1)上电复位以及可编程的掉电检测 (2)片内经过标定的 RC 振荡器 (3)片内 /片外中断源 (4)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 模式以及扩展的 Standby 模式 (1)32 个可编程的 I/O 口 (2)40 引脚 PDIP 封装 , 44 引脚 TQFP 封装 , 与 44 引脚 MLF 封装 工作电压 : ATmega16L： ATmega16： 速度等级 8MHz ATmega16L 016MHz ATmega16 ATmega16L在 1MHz, 3V, 25176。 C 时的功耗 长春工业大学人文信息学院毕业设计 (论文 ) 11 正常模式 : mA 空闲模式 : mA 掉电模式 : 1 μA ATmega16 引脚功能 图 31 AVR 单片机管脚图 VCC 电源正 GND 电源地 端口 A(PA7..PA0) 端口 A 做为 A/D 转换器的模拟输入端。 端口 A 为 8 位双向 I/O 口，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，端口被外部电路拉低时将输出电流。 在复位过程中，即 使系统时钟还未起振，端口 A 处于高阻状态。 端口 B(PB7..PB0) 端口 B 为 8 位双向 I/O 口，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，端口被外部电路拉低时将输出电流。 在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 B 处于高阻状态。 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 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉 长春工业大学人文信息学院毕业设计 (论文 ) 12 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，端口被外部电路拉低时将输出电流。 在复 位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 C 处于高阻状态。 如果 JTAG 接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。 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 为 8 位双向 I/O 口，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。 在复位过程中，即使系统时钟还 未起振，端口 D 处于高阻状态。 端口 D 也可以用做其他不同的特殊功能 . RESET 复位输入引脚。 持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。 门限时间见 P36Table 15。 持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。 XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。 XTAL2 反向振荡放大器的输出端。 AVCC AVCC 是端口 A 与 A/D转换器 的电源。 不使用 ADC时，该引脚应直接与 VCC 连接。 使用 ADC 时应通过一个低通滤波器与 VCC 连接。 AREF A/D 的模拟基准输入引脚。 ATmega16 内核介绍 为了获得最高的性能以及并行性， AVR 采用了 Harvard 结构，具有独立的数据和程序总线。 程序存储器里的指令通过一级流水线运行。 CPU 在执行一条指令的同时读取下一条指令 ( 在本文称为预取 )。 这个概念实现了指令的单时钟周期运行。 程序存储器是可以在线编程的 FLASH。 快速访问寄存器文件包括 32 个 8 位通用工作寄存器，访问时间为一个时钟周期。 从而实现了单时钟周期的 ALU 操作。 在典型的 ALU 操作中，两个位于寄存器文件中的操作数同时被访问，然后执行运算，结果再 被送回到寄存器文件。 整个过程仅需一个时钟周期。 寄存器文件里有 6 个寄存器可以用作 3 个 16 位的间接寻址寄存器指针 长春工业大学人文信息学院毕业设计 (论文 ) 13 以寻址数据空间，实现高效的地址运算。 其中一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。 这些附加的功能寄存器即为 16 位的 X、 Y、 Z 寄存器。 ALU支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算。 ALU也可 以执行单寄存器操作。 运算完成之后状态寄存器的内容得到更新以反映操作结果。 程序流程通过有 / 无条件的跳转指令和调用指令来控制，从而直接寻址整个地址空间。 大多数指令长度 为 16 位，亦即每个程序存储器地址都包含一条 16 位或 32 位的指令。 程序存储器空间分为两个区：引导程序区 (Boot 区 ) 和应用程序区。 这两个 都有专门的锁定位以实现读和读 / 写保护。 用于写应用程序区的 SPM 指令必须位于引导程序区。 在中断和调用子程序时返回地址的程序计数器 (PC) 保存于堆栈之中。 堆栈位于通用数据 SRAM，因此其深度仅受限于 SRAM 的大小。 在复位例程里用户首先要初始化堆栈指针 SP。 这个指针位于 I/O 空间，可以进行读写访问。 数据 SRAM 可以通过 5 种不同的寻址模式进行访问。 AVR 存储器空间为线性的平面结构。 AVR有一个灵活的中断模块。 控制寄存器位于 I/O空间。 状态寄存器里有全局中断使能位。 每个中断在中断向量表里都有独立的中断向量。 各个中断的优先级与其在中断向量表的位置有关， 中 断向量地址越低，优先级越高。 I/O 存储器空间包含 64 个可以直接寻址的地址，作为 CPU 外设的控制寄存器、 SPI，以及其他 I/O 功能。 映射到数据空间即为寄存器文件之后的地址 0x20 0x5F。 单片机最小系统设计 基本的 AVR 硬件线路，包括以下几部分： ● 复位线路。 ● 晶振线路。 ● ISP 下载接口。 ● JTAG 仿真接口。 长春工业大学人文信息学院毕业设计 (论文 ) 14 ● 电源。 (1)复位线路的设计 Mega16 已经内置了上电复位设计。 并且在熔丝位里，可以控制复位时的额外 时间，故 AVR 外部的复位线路在上电时，可以设计得很简单：直接拉一只 10K 的电 阻到 VCC 即可 (R6)。 为了可靠，再加上一只 的电容 (C0)以消除干扰、杂波。 D3(1N4148)的作用有两个：作用一是将复位输入的最高电压钳在 Vcc+ 左右，另一作用是系统断电时，将 R1(10K)电阻短路，让 C0 快速放电，让下一次来电时，能产生有效的 复位。 当 AVR 在工作时，按下 S0开关时，复位脚变成低电平，触发 AVR 芯片复位。 重要说明：实际应用时，如果你不需要复位按钮，复位脚可以不接任何的零件，AVR 芯片也能稳定工作。 即这部分不需要任何的外围零件。 图 32 复位电路设计 （ 2） 晶振电路的设计 Mega16 已经内置 RC 振荡线路，可以产生 1M、 2M、 4M、 8M 的振荡频率。 不过， 内置的毕竟是 RC 振荡，在一些要求较高的场合，比如要与 RS232 通信需要比较精确的波特率时，建议使用外部的晶振线路。 长春工业大学人文信息学院毕业设计 (论文 ) 15 早期的 90S 系列，晶振两端均需要接 22pF 左右的电容。 Mega 系列实际使用时，这两只小电容不接也能正常工作。 不过为了线路的规范化，我们仍建议接上。 重要说明：实际应用时，如果你不需要太高精度的频率，可以使用内部 RC 振 荡。 即这部分不需要任何的外围零件。 图 33 晶振电路设计 (3)JTAG 仿真接口设计 仿真接口也是使用双排 2＊ 5插座。 需要一只 10K 的上拉电阻。 重要说明：实际应用时，如果你不想使用 JTAG 仿真，并且不想受四只 10K 的上拉 电 阻的影响，可以将 JP1－ JP4 断开。 图 34 JTAG 方针接口 (4)ISP 下载接口设计 长春工业大学人文信息学院毕业设计 (论文 ) 16 ISP 下载接口，不需要任何的外围零件。 使用双排 2＊ 5 插座。 由于没有外围零件，故（ MOSI）、（ MISO）、（ SCK）、复位脚仍可以正常使用，不受 ISP 的干扰。 RST 连接倒 RESET ，为了 减小图片大小这里没 有画出，你可以从本页顶上的那个图片看出来。 重要说明：实际应用时，如果你想简化零件，可以不焊接 2＊ 5 座。 但在 PCB设计时最好保留这个空位，以便以后升级 AVR 内的软件。 图 35 JTAG 方针接口设计图 (5)电源设计 AVR 单片机最常用的是 5V 与 两种电压。 本线路以 转换成 5V 直流电压，电路需要变压器把 220 交流电压转换成 28V 交流电，再通过整流器，把交流电转化成直流电，通过 7809 和 7805 三端正电源稳压电路转化成直流 5V。 电源如图 36。 220v28vD?DiodeD?DiodeD?DiodeD?DiodeVin VoutGND7089Volt RegVin VoutGND7085Volt RegC?Cap Semi100nFC?Cap SemiC?Cap Semi100uFC?Cap Semi+5 图 36 电源电路设计图 长春工业大学人文信息学院毕业设计 (论文 ) 17 温度采集单元设计 DS18B20 的特点 DS18B20 是 DALLAS 公司生产的一个线式数字温度传感器，具有 3 引脚 TO－ 92小体积封装形式；温度测量范围为－ 55℃ ～＋ 125℃, 可编程为 9 位～ 12 位 A/D 转换精度，测温分辨率可达 ℃ ，被测温度用符号扩展的 16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个 DS18B20 可以并联到 3 根或 2 根线上， CPU 只需一根端口线就能与诸多 DS18B20 通信，占用微 处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。 以上特点使 DS1。