CN103309266A - 一种基于avr单片机的测量工具平台及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于AVR单片机的测量工具平台及测量方法，包括以下十大主要模块：最小系统模块、键盘模块、AD、DA模块、串口通讯模块、测温模块、红外接收块、显示模块、驱动模块、电源模块、时钟模块，系统板给各个模块分配了对应的控制I/O口，各个模块与单片机的采用跳线方式连接：本发明具有携带方便、功能和体积可裁剪的特点，适合推广应用。

Description

一种基于AVR单片机的测量工具平台及测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量工具平台，具体地说，涉及一种基于AVR单片机的测量工具平台及测量方法。

背景技术

AVR单片机是美国ATMEL公司设计的，AVR单片机对原51单片机内核进行了较大的改造，废除了原51单片机中的机器周期，由原来的12时钟执行一条指令改进为一个时钟周期执行一条单周期指令，大多数指令执行所需要的时钟周期数与指令的字节数相同，使得AVR单片机的运行速度大大提高。

AVR还将Flash、EEPROM、A/D、RTC(实时系统)、WatchDog、定时器、I2C、SPI、PWM和片内振荡器等集合为一体，可以真正做到单片。AVR单片机兼容51指令集，能够应用过去开发的51应用程序。

AVR主要技术创新主要体现在以下几个方面：

1)高性能，采用精简指令集CPU(RISC)和哈佛(Harvard)结构的流水线技术，拥有32个通用寄存器。

2)片内集成了非易失性程序和数据存储器以及工作存储器。

3)丰富的外设，如I2C、SPI、EEPROM、A/D、RTC、WatchDog、定时器、I2C、SPI、PWM和片内振荡器等。

4)宽工作电压：1.8～6V之间。

5)低功耗，具有6种休眠模式，能够从低功耗模式迅速唤醒。

6)编译好的目标文件可通过在线编程(ISP)直接写入程序存储器，实现芯片在系统编程调试，无需购买贵的仿真器和编程器，从而节省了系统开发成本。

7)I/O口资源丰富，设计灵活，驱动力强。

8)具有多复位源、多中断源方式。

9)其USART不占用定时器，采用独特的波特率发生器。

10)保密性强，Flash程序存储器具有保密死锁功能。

ATmega系列单片机属于AVR中的高档产品，它具有AVR单片机所具有的特点，并在此基础上，增加了更多的接口功能，提供了更充足的程序和数据存储器，并且在省电性能、稳定性、抗干扰性能以及灵活性能考虑的更加周全和完善。本课题采用ATmega16单片机，它属于ATmega系列单片机的一个子集，指令系统完全相容。

随着单片机技术的发展，ATmega系列的单片机已经成为MCS-51的升级替代产品，那么必然会成为经典单片机的学习方向，市面上AVR的学习板还很少，但是基于AVR单片机的电路已经开始普遍，因此具有相当的实用价值。

基于AVR单片机的学习开发板的设计，使用Protel99SE进行原理图和PCB的设计，外围主电路则采用模块化的设计，结构明晰、简单，可扩展性好，控制灵活，工作稳定。各个模块程序的编写用的是ICCVAR软件，采用的也是模块化的编程，程序简洁明了，结构明晰，每句都有中文注释，可读性强，很容易修改和移植到别的单片机，对以后嵌入式学习有很大的帮助作用。

现用MCS-51单片机实验学习板其不足和缺陷表现在以下几点：

1)片上资源不够丰富；

2)系统开发调试不足，主要体现在：

连接问题：设计系统的PCB板时要考虑在线仿真器与其的连接，否则无法进行总线调试。

时序限制：指目标系统在设计时要求在处理器、目标内存或目标系统中的其他存储映射I/O设备之间有非常陡的时序边缘，使用在线仿真器就可能会产生问题。

在线调试时工作频率受限：在仿真调试中的工作频率不高于20MHZ。

3)功耗问题的限制。51是5V供电，功耗较大，难以满足许多系统低功耗的要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种携带方便、功能和体积可裁剪的基于AVR单片机的测量工具平台及测量方法。

其技术方案如下：

一种基于AVR单片机的测量工具平台，包括以下十大主要模块：最小系统模块、键盘模块、AD、DA模块、串口通讯模块、测温模块、红外接收块、显示模块、驱动模块、电源模块、时钟模块，系统板给各个模块分配了对应的控制I/O口，各个模块与单片机的采用跳线方式连接：

所述最小系统模块；Atmega16内部含有16K的FLASH空间、1KB的R AM空间以及512B的EEPROM空间，共有四组双向I/O口计32个，分别为PA，PB，PC，PD，电路中所有I/O口全部引出；

所述键盘模块；按键能输入数据和传输命令功能；

所述AD、DA模块；外部的模拟信号量需要转变成数字量才能进一步的由MCU进行处理，ATmega16内部集成有一个10位逐次比较ADC电路；

所述DA模块由一个DAC0832集成芯片完成，DAC0832由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换器构成；。

所述串口通讯模块；串行通信与单片机之间的接口；

所述测温模块；18B20温度传感器采用单总线协议，与单片机接口仅需占用一个I/O端口；

所述红外接收块；接收电路使用一种集红外线接收和放大于一体的一体化红外线接收器；

所述显示模块；LCD12864提供8位，4位并行接口及串行接口可选择，自动电源启动复位功能，内部自建振荡源；

所述驱动模块；ULN2003芯片是高耐压、大电流达林顿阵列，由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成；

所述电源模块；支持USB和外接电源供电；

所述时钟模块：ATmega16的片内含有1/2/4/8Mhz4种频率的RC振荡源。

一种基于AVR单片机的测量方法，包括以下步骤：

主程序主要是初始化，扫描按键等待，中断程序里AD转换切换转换通道，读取16次AD值，判断键值，进入相应功能子程序，热敏电阻测量，读取电阻，根据厂家阻值表，转换成温度值，定时1秒刷新温度，送LCD显示，DS1302后台运行，不影响主程序。时间值送到数据缓冲区，实时更新时间显示。

进一步优选，测量电容是基于对RC电路的时间常数的计算，由脉冲电路原理可知，电容的充电速度与R和C的大小有关，R与C的乘积越大，过渡时间就越长。这个RC的乘积就叫做RC电路的时间常数τ，即τ＝R·C。

充电过程的一般规律：Uc是按指数规律上升的，Uc开始变化较快，以后逐渐减慢，并缓慢地趋近其最终值，当t＝τ时，Uc＝0.632E；测量充电的这段时间是由定时器来统计时间，电容就可以根据相应的公式(τ＝R·C)算出。测量电容子程序如图3所示.。

进一步优选，测量电感的原理是由单片机测量LC振荡回路的频率，然后再依据振荡频率计算出对应的电感量。为了提高测量的精度，本机采用了以一个已知的标准电容C9和L1为基准，测量振荡器频率再计算电感的方法。测量电感子程序如图4所示

本发明的有益效果：本发明基于AVR单片机的测量工具平台是一种便携式、功能体积可裁剪的组合式试验测量工具平台本发明在软件上，定义了电容测量，电感测量，电压测量，电阻/电压测量，频率输出等多种模式，且任何时候都不影响实时温度，时钟功能。本设计硬件实现简单、易于软件二次开发，在运行时可以单主板工作，也可以主板与扩展板协同工作实现全部功能。

附图说明

图1学习板总体方案原理框图；

图2为主板的主程序图；

图3为测量电容子程序图；

图4为测量电感子程序图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

一种基于AVR单片机的测量工具平台，其中的功能模块中主要有：最小系统模块；键盘模块AD、DA模块；串口通讯模块；测温模块；红外接收块；显示模块；8、驱动模块；9、电源模块；10、时钟模块等十大主要模块。

最小系统模块；Atmega16内部含有16K的FLASH空间、1KB的RAM空间以及512B的EEPROM空间，其他资源在后面会详细介绍，共有四组双向I/O口计32个，分别为PA，PB，PC，PD，电路中所有I/O口全部引出，方便使用，系统板给各个模块分配了对应的控制I/O口。各个模块与单片机的连接没有完全固定，采用跳线方式可以灵活的断开接通线路。

键盘模块；键盘是一种基本和常用的接口，它是构成人机对话通道的一种常用方式。按键能输入数据和传输命令等功能。对于实际的按键确认并不是如上面描述的那样简单，首先要考虑是按键消抖的问题。为确保MCU对一次按键动作只确认一次，在确认按键动作只确认一次，在确认按键是否闭合时，必须进行消抖处理。消抖可用软件业可以用硬件，软件消抖的基本原理是对按键进行两次测试确认，即在第一次检测到按键按下后，间隔10ms左右再次检测按键是否按下，只有在两次都检测到按键按下时才最终确认，消除抖动。

AD、DA模块；外部的模拟信号量需要转变成数字量才能进一步的由MCU进行处理。ATmega16内部集成有一个10位逐次比较ADC电路。因此使用AVR可以非常方便的处理输入的模拟信号量。ATmega16的ADC与一个8通道的模拟多路选择器连接，能够对以PORTA作为ADC输入引脚的8路单端模拟输入电压进行采样，单端电压输入以0V(GND)为参考。另外还支持16种差分电压输入组合，其中2种差分输入方式(ADC1，ADC0和ACD3，ADC2)带有可编程增益放大器，能在A/D转换前对差分输入电压进行0dB的放大。还有七种差分输入方式的模拟输入通道共用一个负极(ADC1)，此时其它任意一个ADC引脚都可作为相应的正极。ADC为用户提供了内部中断方式的处理，可以满足实时性的要求。每ADC转换完，ADC转换完成中断就可以被激活。ADC将10位的转换结果放在ADC数据寄存器ADCH和ADCL中。

DA模块由一个DAC0832集成芯片完成，DAC0832由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换器构成。DAC0832中有两级寄存器，第一级即输入寄存器，第二级即DAC寄存器。因为有两级寄存器，故DAC0832可以工作在双缓冲方式下，在输出模拟信号的同时可以采集下一个数字量。这样能够有效的提高转换速度。另外有了两级锁存器，可以在多个D/A转换的同时，利用第二级锁存信号实现多路D/A的同时输出。

串口通讯模块；串行通信与单片机之间的接口：由于串行通信的电平逻辑定义是+15V(高电平1)-15V(低电平0)而单片机中分别用5V，0V来表示1，0它们之间必须通过电平转换才可以完成通信。最常用的是美信的MAX232电路。MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。

测温模块；18B20温度传感器采用单总线协议，与微处理器只需要一条总线就可以实现双向通信。即与单片机接口仅需占用一个I/O端口，无需外部原件，直接将环境温度转换成数字信号，以数码的形式串行输出，大大简化了传感器与微处理器的接口。测温范围为-55°～+125℃，可编程分辨率为9-12位。电压适应范围在3.3V～5.5V。

红外接收块；接收电路可以使用一种集红外线接收和放大于一体的一体化红外线接收器，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。

显示模块；LCD12864提供8位，4位并行接口及串行接口可选择，自动电源启动复位功能，内部自建振荡源。

驱动模块；ULN2003芯片是高耐压、大电流达林顿阵列，由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。功率电子电路大多要求具有大电流输出能力，以便于驱动各种类型的负载。功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。ULN2003芯片高压大电流达林顿晶体管阵列产品属于可控大功率器件。ULN2003芯片是可以专门用来驱动继电器的芯片，甚至在芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003芯片的输出端允许通过电流200mA，饱和压降约1V。输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大。

电源模块；该学习板支持USB和外接电源供电，使用USB供电非常方便，一条USB线，既是供电电缆，同时也是USBISP的数据电缆。AVR单片机最常用的是5V与3.3V两种电压。当使用外部接5V电源时，为了使接进电路里的5V电源更加稳定。开发板设计了5V的稳压电路。三端稳压器件7805三端稳压器件是最常用的线性降压型DC/DC转换器。正常工作时，输入、输出差为2～3V。电路中靠近引脚处的电容C5用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰。D10是保护二极管，当输入端短路时，给输出端电容一个放电的通路。D11是电源指示灯，通电指示。

时钟模块：ATmega16的片内含有4种频率(1/2/4/8Mhz)的RC振荡源，可以直接作为系统的工作时钟。

主板的工作就是测量各个电参量。主程序主要是初始化，扫描按键等待，中断程序里AD转换切换转换通道，读取16次AD值，判断键值，进入相应功能子程序，热敏电阻测量，读取电阻，根据厂家阻值表，转换成温度值，定时1秒刷新温度，送LCD显示，DS1302后台运行，不影响主程序。时间值送到数据缓冲区，实时更新时间显示，其主程序流程图如图2所示。

在本设计中，电容的测量也是基于对RC电路的时间常数的计算，由脉冲电路原理可知，电容的充电速度与R和C的大小有关，R与C的乘积越大，过渡时间就越长。这个RC的乘积就叫做RC电路的时间常数τ，即τ＝R·C。测量电容子程序如图3所示.。

充电过程的一般规律：Uc是按指数规律上升的，Uc开始变化较快，以后逐渐减慢，并缓慢地趋近其最终值，当t＝τ时，Uc＝0.632E；测量充电的这段时间，电容就可以根据相应的公式(τ＝R·C)算出。

测量电感的原理是由单片机测量LC振荡回路的频率，然后再依据振荡频率计算出对应的电感量。为了提高测量的精度，本机采用了以一个已知的标准电容C9和L1为基准，测量振荡器频率再计算电感的方法。测量电感子程序如图4所示

以上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于AVR单片机的测量工具平台，其特征在于，包括以下十大主要模块：最小系统模块、键盘模块、AD、DA模块、串口通讯模块、测温模块、红外接收块、显示模块、驱动模块、电源模块、时钟模块，系统板给各个模块分配了对应的控制I/O口，各个模块与单片机的采用跳线方式连接：

所述最小系统模块；Atmega16内部含有16K的FLASH空间、1KB的RAM空间以及512B的EEPROM空间，共有四组双向I/O口计32个，分别为PA，PB，PC，PD，电路中所有I/O口全部引出；

所述键盘模块；按键能输入数据和传输命令功能；

所述AD、DA模块；外部的模拟信号量需要转变成数字量才能进一步的由MCU进行处理，ATmega16内部集成有一个10位逐次比较ADC电路；

所述DA模块由一个DAC0832集成芯片完成，DAC0832由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换器构成；。

所述串口通讯模块；串行通信与单片机之间的接口；

所述测温模块；18B20温度传感器采用单总线协议，与单片机接口仅需占用一个I/O端口；

所述红外接收块；接收电路使用一种集红外线接收和放大于一体的一体化红外线接收器；

所述显示模块；LCD12864提供8位，4位并行接口及串行接口可选择，自动电源启动复位功能，内部自建振荡源；

所述驱动模块；ULN2003芯片是高耐压、大电流达林顿阵列，由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成；

所述电源模块；支持USB和外接电源供电；

所述时钟模块：ATmega16的片内含有1/2/4/8Mhz4种频率的RC振荡源。

2.一种基于AVR单片机的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

主程序主要是初始化，扫描按键等待，中断程序里AD转换切换转换通道，读取16次AD值，判断键值，进入相应功能子程序，热敏电阻测量，读取电阻，根据厂家阻值表，转换成温度值，定时1秒刷新温度，送LCD显示，DS1302后台运行，不影响主程序。时间值送到数据缓冲区，实时更新时间显示。

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