基于AVR单片机水温自动控制系统毕业设计

1、长 春 工 业 大 学 毕业设计、毕业论文毕业设计、毕业论文 题 目 基于 avr 单片机水温控制系统 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的 指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注 和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过 的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中 作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使

2、用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文） 的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本； 学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与 阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 摘摘 要要 本文介绍了基于 avr 单片机的自动水温控制系统的设计及实现过程。该系统 具有设定、实时显示以及于上位机通信功能。设定精度 0.1、控温精度 0.2、 控温范围 30100。而且还具有显示温度曲线及打印功能。 本系统采用 atmg

3、ea16 单片机为主控制器，温度采集方面采用 ds1820 高精度 数字传感器，单总线接口简单，线性良好。功率输出部分采用 gtj3-10a 固态继电 器，电路经济可靠，采用 pwm 控制可控性好精度高。控制算法采用 pid 算法是系 统具有快速响应和较小的超调。该系统通过实验证明具有很高的可靠性和稳定性。 实现温度的设定，并对温度进行实时采集显示及打印。 关键词：关键词：温度控制 atmega16 单片机 pid 算法 pwm abstractabstract this paper introduces the design and realization of the automotive

4、 water temperature control system basing on avr. it has the function of setting, display signal in real time and upper communication. set the precision be on 0.1、and precision of temperature control is 0.2、 range of temperature control is 30100. and it also has the paint and show temperature curve f

5、unctions. this system adopt atmgea16 scm as a main controller, temperature collection adopt ds1820 high precision numeral sensor. single bus interface is simply and good linearity. it use gtj3-10a solid-state relay in the part of power output, the circuits are economic and reliable. the controllabil

6、ity and precision is well under the control of pwm. it makes system with quick response and lower over swing while using pid arithmetic as the control arithmetic. after the validation of experiment, this system has well reliable and stability. then realize the setting of temperature and collecting o

7、f temperature in real time and painting. keywordskeywords：temperature control atmega16 single chip computer pid arithmetic pwm 目目 录录 第第 1 1 章章 概概 述述.1 1 1.1 课题研究目的和意义.1 1.2 温度控制系统的研究现状.1 1.3 温度控制系统的发展方向.2 1.4 题目要求.3 第第 2 2 章章 方案论证方案论证.4 4 2.1 系统整体结构设计方案.4 2.2 主控单元的论证.4 2.3 温度采集单元的论证.5 2.4 功率输出单元的论证.

8、5 2.5 键盘显示单元的论证.6 第第 3 3 章章 硬件设计硬件设计.8 8 3.1 主控单元的设计.8 3.1.1 atmega16 单片机介绍 .8 3.1.2 atmega16 产品特性 .9 3.1.3 atmega16 引脚功能.11 3.1.4 atmega16 内核介绍.12 3.1.5 单片机最小系统设计.13 3.2 温度采集单元设计.17 3.2.1 ds18b20 的特点 .17 3.2.2 ds18b20 的内部结构 .17 3.2.3 引脚说明.18 3.2.4 测温操作.18 3.3 功率输出单元.20 3.3.1 固态继电器的结构原理.20 3.3.2 固态继

9、电器的应用特性.21 3.4 键盘与显示单元.22 3.4.1 hd7279a 的主要特点如下： .23 3.4.2 引脚说明.23 3.4.3 数码显示电路.24 3.4.4 控制指令和接口时序.24 3.4.5 hd7279a 的应用以及键盘显示单元 .26 3.5 通信单元.27 3.5.1 max232 资料简介 .27 3.5.2 主要特点.27 3.5.3 max232 应用电路，注意电容接法。 .28 3.5.4 isp 的工作原理 .29 3.5.5 isp 的优点 .29 3.5.6 isp 端口 .29 3.5.7 打印电路.30 第第 4 4 章章 软件设计软件设计.31

10、 4.1 pid 控制算法 .32 4.1.1 pid 控制规律及其基本作用 .32 4.1.2 比例调节器（p）.33 4.1.3 比例积分调节器（pi）.33 4.1.4 比例积分微分调节器（pid）.33 4.2 pwm 的控制方法 .34 4.3 流程图.35 总总 结结.38 致致 谢谢.39 参考文献参考文献.40 附录附录 1 1 .42 附录附录 2 2 .43 第第 1 1 章章 概概 述述 1.11.1 课题研究目的和意义课题研究目的和意义 温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的 作用，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水

11、资源 的巨大浪费。特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对 水温的控制，把身边的水资源好好地利用起来。 在现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，温度是极为重要而又普遍的热 工参数之一。在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程正常安全地进 行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对加热 炉炉温进行测、显示、控制，使之达到工艺标准，以单片机为核心设计的炉温控 制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控 制。那么无论是哪种控制，我们都希望水温控制系统能够有很高的精确度（起码 是在满足我们要求的范围内） ，帮助我们实现我们想要

12、的控制，解决身边的问题。 在计算机没有发明之前，这些控制都是我们难以想象的。而当今，随着电 子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进，而且计算机和传感器 的价格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技术来实现水温控制并提高控制的 精确度不仅是可以达到的而且是容易实现的。用高新技术来解决工业生产问题， 排除生活用水问题实施对水温的控制已成为我们电子行业的任务，以此来加强工 业化建设，提高人民的生活水平。 1.21.2 温度控制系统的研究现状温度控制系统的研究现状 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛但从国内生产的温度 控制器来讲总体发展水平仍然不高，同国外的日本美国德国等先进国

13、家相比仍然 有着较大的差距目前我国在这方面总体技术水平处于 20 世纪 80 年代中后期水平 成熟 产品主要以“点位”控制及常规的 pid 控制器为主，它只能适应一般温度系统控 制难于控制滞后复杂时变温度系统控制，即是说适应于较高控制场合的智能化自 适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少备。 现有的一些温度控制设备，如 ha168 型的温度控制棒，结构比较简单，一般 采取的是开关式的控制，即当测量温度低于设定温度时进行加热，其结果是饲养 水域内温度不均，控温效果不理想。目前，国外也开发出了一些基于单片式计算 机的温度控制设备，但是价格比较高，且目前其操作系统均为英

14、文，普及性不强。 1.31.3 温度控制系统的发展方向温度控制系统的发展方向 由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展， 以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在 智能化自适应参数自整定等方面取得成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典 等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表， 目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。 温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。尽管温 度控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。由于温度控制具 有工况复杂、参数多变、运

15、行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。 模糊逻辑控制（flc）是人工智能领域中形成最早、应用最广的一个重要分支， 适用于结构复杂且难以用传统理论建立模型的问题。目前 flc 已经成功地应用与 各种温度控制上。 模糊控制与一般的自动控制的根本区别是，不需要建立精确的数学模型，而 是运用模糊理论将人的经验知识、思维推理，其控制过程的方法与策略是由所谓 模糊控制器来实现。对于多变量、非线性和时变的大系统，系统的复杂性和控制 技术的精确性形成了尖锐的矛盾。模糊控制对那些难以获得数学模型或模型非常 粗糙的工业系统，如那些大滞后、非线性等复杂工业对象实施控制有独特优势， 但静态误差不易控制.模

16、糊控制偏偏含有大量专家经验,实际实现比较困难,它绝不 可以代替经 典的自动控制，而是扩展了一般的自动控制。在一些实际过程中，人们也常把模 糊 控制与一般的自动控制结合在一起应用，并且已研制出神经模糊网络的家电产品， 将模糊控制技术与人工神经网络、专家系统等人工智能中一些新技术相结合，向 着 更高层次的研究和应用发展。 采用模糊控制其优点是不需要粗确知道被控对象的数学模型，而且适用于有 较大滞后特性的控制对象。缺点是静态误差不易控制，因含有大量专家经验，实 际实现比较困难。 模糊控制比传统的 pid 控制等方法, 在强时变、大时滞、非线性系统中的控 制效果有着明显的优势。将模糊控制技术应用于家电

17、产品在国外已是很普遍的现 象。单片机是家用电器常用的控制器件, 把二者结合起来, 可使控制器的性能指 标达到最优的目的。基于模糊控制技术的单片机控制的电热水器, 是对传统的电 热水器开关控制的改造, 具有达到设定温度的时间短、稳态温度波动小、反应灵 敏、抗干扰能力强、节省电能等优点，将成为以后发展的主流。 1.41.4 题目题目要求要求 设计利用 avr 单片机，通过外围电路，对 1 升水进行温度控制。 技术参数： 1.设定精度 0.1，控温精度 0.2。 2.控温范围 30-100。 3.系统具有设定和实时显示功能。 4.上位机通信及打印等功能。 5.根据设计要求自动水温控制系统应该由：主控

18、制单元、温度采集单元、功 率输出单元、实时显示单元、通信单元及打印单元组成。 第第 2 2 章章 方案论证方案论证 2.12.1 系统整体结构设计方案系统整体结构设计方案 此方案采用 atmega16 单片机最小系统板（自制）实现，对外围电路来说，比 较简单，并且软件采用 pid 算法实现较为简单。温度的数据采集采用 ds18b20 采 集，直接转化为数字信号，不需要额外的 ad 转换电路，完全满足所需温度数据精 度。温度控制采用固态继电器 ssr 直接控制电加热器的通断进行水温的控制，满 足控制精度。显示模块采用 hd7279a 显示，较为直观。另外，avr 单片机使用 jtag 来实现软硬

19、件调试非常方便。 主控单元 键盘显示 功率输出单元 温度采集单元 通信单元 打印单元 图 2-1 硬件框图 2.22.2 主控单元的论证主控单元的论证 方案一：采用 atmega16 1. .avr 单片机的 i/o 口是真正的 i/o 口，能正确反映 i/o 口输入/输出的 真实情况。工业级产品，具有大电流 (灌电流)1040ma，可直接驱动可控硅 scr 或继电器，节省了外围驱动器件。 2. .avr 单片机内带模拟比较器， i/o 口可用作 a/d 转换，可组成廉价的 a/d 转换器。atmega16 具有 8 路 10 位 a/d。 3. .部分 avr 单片机可组成零外设元件单片机系

20、统，使该类单片机无外加元 器件即可工作，简单方便，成本又低。 4. .avr 单片机可重设 置启动复位,以提高单片机工作的可靠性。有看门狗 定时器实行安全保护 ,可防止程序走乱 (飞),提高了产品的抗干扰能力。 方案二：采用 89c51 89c51 只支持并行写入，同时需要 vpp 高压。89c51 系列在低于 4.8v 和高于 5.3v 的时候则无法正常工作。89c51 工作频率范围最高只支持到 24m。抗干扰需 外接看门狗计时器单元电路。价格也比较高。 综上我选择方案一。 2.32.3 温度采集单元的论证温度采集单元的论证 方案一：采用温度传感器 ds18b20 美国 dallas 公司的

21、产品可编程单总线数字式温度传感器 ds18b20 可实现室内 温度信号的采集，有很多优点：如直接输出数字信号，故省去了后继的信号放大 及模数转换部分，外围电路简单，成本低;单总线接口，只有一根信号线作为单总 线与 cpu 连接，且每一只都有自己唯一的 64 位系列号存储在其内部的 rom 存储器 中，故在一根信号线上可以挂接多个 ds18b20,便于多点测量且易于扩展。 方案二：采用温度传感器 ad590 ad590 需要模拟转数字电路，成本高，精度低，测温点数量少，电路繁多， 对线阻有要求。 综上我选择方案一。 2.42.4 功率输出单元的论证功率输出单元的论证 方案一：采用固态继电器 固态

22、继电器的优点： （1）高寿命，高可靠，ssr 没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，由 于没有运动的零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电 器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。 （2）灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，固态继电器的输入电压范围较 宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。 （3）快速转换，固态继电器因为采用固体其间，所以切换速度可从几毫秒至 几微妙。 （4）电磁干扰小，固态继电器没有输入线圈，没有触点燃弧和回跳，因而 减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导 通，零电流处关断，减少

23、了电流波形的突然中断，从而减少了开关顺效应。 方案二：采用晶闸管 晶闸管又叫可控硅(silicon controlled rectifier, scr)。自从 20 世纪 50 年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶 闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。今天大家 使用的是单向晶闸管，也就是人们常说的普通晶闸管，它是由四层半导体材料组 成的，有三个 pn 结，对外有三个电极：第一层 p 型半导体引出的电极叫阳极 a， 第三层 p 型半导体引出的电极叫控制极 g，第四层 n 型半导体引出的电极叫阴极 k。从晶闸管的电路符号可以看到，它和二极

24、管一样是一种单方向导电的器件，关 键是多了一个控制极 g，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。 固态继电器就是通过光电耦合器隔离并触发可控硅，就算选择可控硅也要通 过隔离元件进行隔离才行，两个并没有响应速度的可比较性，用单片机信号来控 制，肯定是选择固态继电器，强电和控制信号间隔离。 综上选择方案一。 2.52.5 键盘显示单元的论证键盘显示单元的论证 方案一：采用 hd7279a hd7279a 是一种智能键盘和 led 专用控制芯片，它带有串行接口，可同时 驱动 8 位共阴极数码管或 64 只独立 led。文中详述了该芯片的工作原理。 工作时序及控制指令，给出了 hd7279a 与 c

25、pu 的实际接口电路及设计程序， 同时指出了实际应用中的一些注意事项。 方案二：采用 zlg9a zlg9a 具有片选信号，可方便地实现多于 8 位的显示，或多于 64 键的键盘接 口，仪器仪表工业控制器，条形显示器，控制面板串行接口无需外围元件，可直 接驱动 led 各位独立控制译码及消隐和闪烁属性循环左移/循环右移指令具有段寻 址指令方便控制独立 led64 键盘控制器内含去抖动电路。 hd7279a 和微处理器之间采用串行接口，其接口和外围电路比较简单，且 占用口线少，加之它具有较高的性能价格比，因此，在微型控制器。智能仪表。 控制面板和家用电器等领域获得了日益广泛的应用。 综上选择方案

26、一。 第第 3 3 章章 硬件设计硬件设计 3.13.1 主控单元的设计主控单元的设计 3.1.1 atmega16 单片机介绍单片机介绍 atmega16 是基于增强的 avr risc 结构的低功耗 8 位 cmos 微控制器。由 于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， atmega16 的数据吞吐率高 达 1 mips/mhz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 atmega16 avr 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的 寄存器都直接与算逻单元 (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

27、，并且具有比普通 的 cisc 微控制器最高至 10 倍的数据吞吐率。 atmega16 有如下特点 :16k 字节的系统内可编程 flash(具有同时读写的 能力，即 rww)，512 字节 eeprom，1k 字节 sram，32 个通用 i/o 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的jtag 接口，支持片内调试与编程，三个 具有比较模式的灵活的定时器 / 计数器(t/c),片内/外中断，可编程串行 usart，有起始条件检测器的通用串行接口， 8 路 10 位具有可选差分输入级可 编程增益(tqfp 封装) 的 adc ，具有片内振荡器的可编程看门 狗定时器，一 个 spi 串行端

28、口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。 工作于空闲模式时 cpu 停止工作，而 usart、两线接口、 a/d 转换器、 sram、t/c、spi 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振 荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时 器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； adc 噪声抑制模式时终止 cpu 和除了异步定时器与 adc 以外所有 i/o 模块 的工作，以降低 adc 转换时的开关噪声； standby 模式下只有晶体或谐振 振 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

29、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，

30、 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。 3.1.2 atmega16 产品特性产品特性 高性能、低功耗的 8 位 avr 微处理器 1.先进的 risc 结构 2.131 条指令 3.大多数指令执行时间为单个时钟周期 4.32 个 8 位通用工作寄存器 5.全静态工作 6.工作于 16mhz 时性能高达 16mips 7.只需两个时钟周期的硬件乘法器 8.非易失性程序和数据存储 器 16k 字节的系统内可

31、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 9.512 字节的 eeprom，擦写寿命 : 100,000 次 10.1k 字节的片内 sram 11.可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 12.jtag 接口( 与 ieee 1149.1 标准兼容) 符合 jtag 标准的边界扫描 功能 13.支持扩展的片内调试功能 ,通过 jtag 接口实现对 flash、eeprom、熔 丝位和锁定位的编程 14.外设特点 (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

32、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, 10 x, 或 200 x）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 15.特殊的处理器特点 (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

33、、省电模式、掉电 模式、standby 模式以及扩展的 standby 模式 16.i/o 和封装 (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：2.7 - 5.5v atmega16：4.5 - 5.5v 速度等级 8mhz atmega16l 0-16mhz atmega16 atmega16l 在 1mhz, 3v, 25c 时的功耗 正常模式: 1.1 ma 空闲模式: 0.35 ma 掉电模式: 1 a 3.1.3 atmega16 引脚功能引脚功能 图 3-1 av

34、r 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

35、 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 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

36、 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

37、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。 3.1.4 atmega16 内核介绍内核介绍 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，

38、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 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

39、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

40、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 0 x20 - 0 x5f。 3.1.5 单片机最小系统设计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。 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

41、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 0.1uf 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+0.5v 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

42、这部分不需要任何的外围零件。 图 3-2 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。 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 3-3 晶振电路设计 (3)

43、jtag 仿真接口设计 仿真接口也是使用双排 25 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 jp1jp4 断开。 图 3-4 jtag 方针接口 (4)isp 下载接口设计 isp 下载接口，不需要任何的外围零件。使用双排 25 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

44、 25 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 3-5 jtag 方针接口设计图 (5)电源设计 avr 单片机最常用的是 5v 与 3.3v 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 3- 6。 220v 28v d? diode d? diode d? diode d? diode vinvout gnd 7089 volt reg vinvout gnd 7085 volt r

45、eg 0.33uf c? cap semi 100nf c? cap semi 0.33uf c? cap semi 100uf c? cap semi +5 图 3-6 电源电路设计图 3.23.2 温度采集单元设计温度采集单元设计 3.2.1 ds18b20 的特点的特点 ds18b20 是 dallas 公司生产的一个线式数字温度传感器，具有 3 引脚 to92 小体积封装形式；温度测量范围为55125,可编程为 9 位12 位 a/d 转 换精度，测温分辨率可达 0.0625，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

46、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 ds18b20 非常适 用于远距离多点温度检测系统。 3.2.2 ds18b20 的内部结构的内部结构 ds18b20 内部结构如图 3-7 所示，主要由 4 部分组成：64 位 rom、温度传感 器、非挥发的温度报警触发器 th 和 tl、配置寄存器。ds18b20 的管脚排列如图 3-8 所示，dq 为数字信号输入/输出端；gnd 为电源地；vdd 为外接供电电源输入 端（在寄生电源接线方式时接地）。 rom 中的 6

47、4 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 ds18b20 的地址 序列码，每个 ds18b20 的 64 位序列号均不相同。64 位 rom 的排的循环冗余校验 码（crc=x8x5x41）。rom 的作用是使每一个 ds18b20 都各不相同，这样就 可以实现一根总线上挂接多个 ds18b20 的目的。 高速暂存器 温度传感器 高温触发器th 低温触发器tl 配置寄存器8位crc生成器 存储和控制逻辑 64位roma 和一线端 口 供电方式 选择 图 3-7 ds18b20 的内部结构 图 3-8 ds18b20 的管脚排列 3.2.3 引脚说明引脚说明 表表 3-13-1 ds18b

48、20ds18b20 的引脚说明表的引脚说明表 16 脚 ssop pr35 符号说明 91gnd 接地 82dq 数据输入/输出脚。对于单线操作：漏极开路 73vdd 可选的 vdd 引脚。 3.2.4 测温操作测温操作 ds18b20 通过一种片上温度测量技术来测量温度。图 3-9 示出了温度测量电 路的方框图。 图 3-9 温度传感器测量电路图 ds18b20 是这样测温的：用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部 计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。 计数器被预置到对应于-55的一个值。如果计数器在门周期结束前到达 0，则温 度寄存器（同样被预置到

49、-55）的值增加，表明所测温度大于-55。同时，计数 器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补 偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到 0，如果门周期仍未结 束，将重复这一过程。斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期在测温 时获得比较高的分辨力。这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的数值 来实现的。因此，要想获得所需的分辨力，必须同时知道在给定温度下计数器的 值和每一度的计数值。 图 3-10 ds18b20 的电路图 3.33.3 功率输出单元功率输出单元 固态继电器（ssr）是一种全电子电路组合的元件，它依靠半导体器件和电子 元件的电、

50、磁和光特性来完成其隔离和切换功能。 固态继电器与传统的电磁继电器（emr）相比，是一种没有机械、不含运动零 部件的继电器，但具有与电磁继电器本质上相同功能。 固态继电器按其工作性质分直流输入-交流输出型、直流输入-支流输出型、 交流输入-交流输出型、交流输入-直流输出型。 按其结构分机架安装型（面板安装）、线路板安装型。 3.3.1 固态继电器的结构原理固态继电器的结构原理 固态继电器通常是一个四端组件，两个为输入端，两个为输出端。下图为其 结构框图它至少由三个部件组成，即输入电路、隔离部分和输出电路。 1 2 3 * ds1820 1k +5 pc6 图 3-11 固态继电器的结构原理图 固

51、态继电器有许多类型可供用户选择：按品种分有军用、民用、i/o 模块； 按输出功能分有直流型、过零型、非过零型；按隔离方式有光隔离和变压器隔离； 按封装结构形式分有塑封型和金属壳全密封型故态继电器，以及各种特殊用途的 故态继电器。 3.3.2 固态继电器的应用特性固态继电器的应用特性 由于固态继电器是由固态元件组成的无触电开关器件。这种结构特点决定了 它比电磁继电器电器工作可靠，寿命长，对外干扰小，能与逻辑电路兼容，抗干 扰能力强，开关速度快，使用方便。但在使用时考虑其应用特性： （1）根据产品的功能不同，输出电路可接交流或直流。对交流负载的控制有过 零和非过零控制功能。 （2）由于固态继电器是

52、一种电子开关，故有一定的通态压降和断态电流，其数 值与产品规格有关。 （3）负载短路易造成 ssr 的损坏，应特别注意避免。 （4）必须考虑瞬态过电压和断态 dv/dt 对 ssr 的影响。部分 ssr 产品内部已含 有瞬态抑制网路。 图 3-12 固态继电器 控制波形固态继电器不仅实现了小信号对大电流功率负载的开关控制，而且 具 有隔离功能。其典型应用状态如下： 如果采用集成电路门输出驱动时，由于目前国产的 ssr 要求有 0.5ma 至 20ma 的驱动电流，最小工作电压可达 3v。对于一般 ttl 电路，如 54/74、54h/74h 和 54s/74s 等系列的门输出可直接驱动，而对

53、cmos 电路逻辑信号则应再加缓冲驱动 器，ssr 通常都采用逻辑 1 输入驱动。 利用固态继电器器来控制加热炉加温。 接在 i/o 口上的光电耦合器的通断来控制加热炉是否加温。若 i/o 口给低电 平，则固态继电器工作。则有加热炉的电路导通，加热炉开始加温。若 i/o 口给 高电平，固态继电器不工作，不能构成通路，这时，在加热炉的回路中，出现断 点，加热炉没有通上电源，所以不用加温。 图 3-13 光电耦合器引脚图 在 pb3（tc0）口的输出端需连接一个光电耦合器，起到隔离和控制的作用。 光电耦合器引脚如上图所示。 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电光电转换器件。它由 发光源和受光器

54、两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此 间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的 发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种 类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光 电达林顿型、集成电路型等。 3 3 4 4 5 5 6 6 ssr * gtj3-10a 300k r3 +5 丝丝丝 pb3 220v 图 3-14 固态继电器的电路图 3.43.4 键盘与显示单元键盘与显示单元 ha7279a 是一种智能键盘和 led 专用控制芯片，它带有串行接口，可同时驱 动位共阴极式数码管或 64

55、只独立 led。文中详述了该芯片的工作原理。工作时 序 及控制指令，给出了 hd7279a 与 cpu 的实际接口电路及设计程序，同时指出了实 际应用中的一些注意事项。 hd7279a 是比高公司生产的单片具有串行接口。可同时驱动 8 位共阴极式数 码管(或 64 只独立 led)的智能显示驱动芯片，该芯片同时可连接多达 64 键的键 盘矩阵，一片即可完成 led 显示及键盘接口的全部功能。hd7279a 和微处理器之 间采用串行接口，其接口和外围电路比较简单，且占用口线少，加之它具有较高 的性能价格比，因此，在微型控制器。智能仪表。控制面板和家用电器等领域获 得了日益广泛的应用。 3.4.1

56、 hd7279a 的主要特点如下：的主要特点如下： （1）带有串行接口，无需外围元件便可直接驱动 led。 （2）各位可独立控制译码或非译码。消隐和闪烁等属性。 （3）具有(循环)左移/(循环)右移指令。 （4）具有段寻址指令，可方便地用来控制独立的显示管。 （5）64 个键的键盘控制器内含去抖动电路。 3.4.2 引脚说明引脚说明 hd7279a 一共有 28 个引脚，各引脚的主要功能如下： reset：复位端。当该引脚是低电平变成高电平，并保持 25ms 后，复位过 程结束。通常，该端接5v 电源； dig0dig7：8 个 led 管的位驱动输出端； sasg：led 数码管的 a 段g

57、 段的输出端； dp：小数点的驱动输出端； rc：外接振荡元件连接端，其中电阻的典型值为 1.5k电容的典型值为 15pf。 hd7279a 与微处理器仅需 4 条接口线，其中 cs 为片选信号(低电平有效)。 data 为串行数据端，当向 hd7279a 发送数据时，data 为输入端；当 hd7279a 输出 键盘代码时，data 为输出端。clk 为数据串行传送的同步时钟输入端，时钟的上 升沿可 表示数据有效。key 为按键信号输出端，该端在无键按下时为高电平；而在有键 按 下时变为低电平，并一直保持到按键释放为止。 3.4.3 数码显示电路数码显示电路 7279a 的硬件电路如图 3-

58、17 所示，它共有 28 个引脚。rc 引脚用于连接 hd7279a 的外接振荡元件，其典型值为 r=1.5k,c=15pf。reset 为复位端。该端 由低电平变成高电平并保持 25ms 即复位结束。通常，该端接+5v 即可。 dig0dig7 分别为 8 个 led 管的位驱动输出端。sasg 分别为 led 数码管的 a 段g 段的输出端。dp 为小数点的驱动输出端。hd7279a 片内具有驱动电路，它 可以直接驱动 1 英吋或以 下的 led 数码管，使外围电路变得简单可靠。dig0dig7 和 sasg 同时还分别 是 64 个键盘列线和行线端口，完成对键盘的监视、译码和键码的识别。

59、在 8*8 阵 列 中每个键的键码是用十六进制表示的，可用键盘数据指令读出，其范围是 00h3fh。hd7279 的与微处理器仅需 4 条接口线，其中 cs 为片选信号（低电平 有效） 。当微处理器访问 hd7279a（读键号或写指令）时，应将片选端置为低电平。 data 为串行数据端，当向 hd7279a 发送数据时，data 为输入端；当 hd7279a 输出 键盘代码时， data 为输出端。clk 为数据串行传送的同步时钟输入端，时钟的上升沿就表示数 据有效。key 为按键信号输出端，在无键按下时为高电平；而有键按下时此引脚 变为低电平并且一直保持到键释放为止。 3.4.4 控制指令和

60、接口时序控制指令和接口时序 一hd7279a 指令系统由 6 条纯指令、7 条带数据指令和 1 条读键盘指令组成。 6 条纯指令为： (1)复位指令。指令代码为 a4h，其功能为清除所有显示，包括字符消隐属性 和闪烁属性。 (2)测试指令。指令代码为 bfh，其功能为将所有的 led 点亮并闪烁，可用于 自检。 (3)左移指令。指令代码为 a1h，其功能为将所有的显示左移 1 位，移位后， 最右位空（无显示） ，不改变消隐和闪烁属性。 (4)右移指令。指令代码为 a0h，其功能与左移指令相似，只是方向相反。 (5)循环左移指令。指令代码为 a3h，其功能为将所有的显示循环左移 1 位。 移位后