基于lcd1602的電子時鐘和溫度計的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 數器 1的預置將重新被裝入，計數器 1 重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環直到計數器 2 計數到 0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度[19]。上圖中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數器 1 的預置值。在正常測溫情況下，DS18B20 的測溫分辯率為 ℃，以 9 位數據格式表示，其中最低有效位（LSB）由比較器進行 ℃比較，當計數器 1 中的余值轉化成溫度后低于 ℃時，清除溫度寄存器的最低位（LSB），當計數器 1 中的余值轉化成溫度后高于 ℃，置位溫度寄存器的最低位（LSB）[20]。DS18B20電路的設計經過網上相關資料的搜索，[21]。但是實驗中，卻發現我這種設計并不成功，以下是我搜集的一些相關資料：端口設置上拉電阻的意義就是為了增加驅動能力，如果I/O端口的驅動能力足夠的話當然是可以不加上拉電阻的[22]；加上拉電阻由于VCC通過電阻也可以給外設分得一些電流，從而提高整個I/O的輸出電流達到提高驅動的目的；驅動能力是指I/O是否能夠提供給外設足夠的電流；一般提高“驅動能力不夠”是指某個I/O口引腳無法直接用高電平驅動某個外設，因為一般CPU的I/O引腳驅動能力是20mA以內，假設外設需要高電平30mA才能正常開啟，那么這個I/O就無法驅動這個外設了[23]。圖 313 原先的DS18B20電路設計圖期間我也改動過DS18B20系統的設計：DS18B20的1號管腳接地，1號和3號之間接10uF電容，這樣在上電以后，就給電容充電，在掉電以后，電容就能給DS18B20供電，使得數據不會丟失，而3號管腳在接一個100歐的上拉電阻，2號管腳接10K滑動變阻器的可變端，而不變端接VCC[24]。終于實現了溫度檢測和顯示的功能。電路圖如圖（314）所示：圖314 改動后的DS1820連接電路圖 AVR單片機最小系統的設計 系統時鐘Atmega16的片內含有4種頻率（1/2/4/8MHz）的RC振蕩源，可直接作為系統的工作時鐘使用。同時片內還設有一個由反向放大器所構成的OSC（Oscillator）振蕩電路，外面引腳XTAL1和XTAL2分別為OSC振蕩電路的輸入端和輸出端，用于外接石英晶體等，構成高精度的或其他標稱頻率的系統時鐘系統。系統時鐘為控制器提供時鐘脈沖，是控制器的心臟。系統時鐘的頻率是單片機的重要性能指標之一。系統時鐘頻率越高，單片機的執行節拍就越快，處理速度也越快。ATmega16最高的工作頻率為16MHz(16MIPS),在8位單片機中算是佼佼者。但并不是系統時鐘頻率越高就越好，當時鐘頻率越高時，其耗電量也越大，也容易受到干擾（或干擾別人）[25]。因此，在具體設計時，應根據實際產品的需要，盡量采用較低的系統時鐘頻率。這樣不僅能降低了功耗，同時也提高了系統的可靠性和穩定性。為Atmega16提供系統時鐘源時，有以下3種主要的選擇方式：(1) 直接使用片內的1/2/4/8MHz的RC振蕩源；(2) 在引腳XTAL1和XTAL2上外接由石英晶體和電容組成的諧振回路，配合片內的OSC振蕩電路構成的振蕩源；(3) 直接使用外部的時鐘源輸出的脈沖信息。方式（2）和方式（3）的電路連接分別如圖（315）和圖（316）所示。方式（2）是比較常用的方法，由于采用了外接石英晶體作為振蕩的諧振回路，因此可以提供比較靈活的頻率（由使用晶體的諧振頻率決定）和穩定精確的振蕩。在XTAL1和XTAL2引腳上加上由石英晶體和電容組成的諧振回路，并與內部振蕩電路配合就能產生系統所需要的時鐘信號。最常采用的為一個石英晶體和兩個電容組成諧振電路。晶體頻率可在0—16MHz之間選擇，電容值在20—30pf之間（最好與所選用的晶體想匹配）[27]。當對系統時鐘電路的精度要求不高時，可以采用方式（1），即使用片內可選擇的1/2/4/8MHz的RC振蕩源作為系統時鐘源，這樣可以節省外接器件。此時XTAL1和XTAL2引腳應懸空。系統時鐘電路產生的振蕩脈沖不經過分頻將直接作為系統的主要工作時鐘，同時它還作為芯片內部的各種計數脈沖，以及各種串口定時時鐘等使用（可由程序設定分頻比例）[28]。 圖315 外部接晶體的時鐘電路 圖316 直接使用外部時鐘源經考慮本設計決定采用方式（2），但是在晶振兩端并聯了一個1兆歐的電阻，其作用是穩定晶體的阻抗，提高振蕩電路的穩定性。 AVR的復位源和復位方式復位是單片機芯片本身的硬件初始化操作，例如，單片機在上電開關時都需要復位，以便CPU以及其他內部功能部件都處于一個確定的初始化狀態，并從這個初始化狀態開始工作[29]。除了系統上電復位初始化外，當系統程序在運行中出現錯誤或受到電源的干擾出現錯誤時，也可以通過外部引腳RESET（非）進行人工復位，或由芯片內部看門狗定時器WDT自動復位，或通過芯片內部掉電檢測BOD來使系統自動進行復位初始化操作。ATmega16單片機共有5個復位源，他們是：216。 上電復位。但系統電源電壓低于上電復位門限時，MCU復位。216。 外部復位。當外部引腳RESET（非），MCU復位216。 掉電檢測（BOD）復位。當BOD使能時，且電源電壓低于掉電檢測復位門限（）時，MCU復位。216。 看門狗復位。當WDT使能且WDT超時溢出時，MCU復位。216。 JTAG AVR 復位。當使用JTAG接口時，可由JTAG口控制MCU復位。1. 上電復位AVR內部含有上位復位POR（Power_on Reset）電路。POR確保了只有當超過一個安全電平時，器件才開始工作[30]。無論何時，只要低于檢測電平,器件就進入復位狀態。一旦超過門限電壓，而RESET（非）引腳上的電壓也達到時，將啟動芯片內部的一個可設置的延時計數器。在延時計數器溢出之前，器件一直保持復位狀態（Internal Reset保持高電平）。經過時間后，延時計數器溢出，將內部復位信號拉低，CPU才開始正式工作。2. 外部復位外部復位是由外部加在RESET（非）引腳上的低電平產生的。當RESET（非），即觸發復位過程。當RESET（非）引腳電平高于時，將啟動內部可設置的延時計數器。在延時計數器溢出之前，器件一直保持復位狀態。經過時間后，延時計數器溢出，將內部復位信號拉低，CPU才開始正式工作[31]。3. 掉電檢測（BOD）復位ATmega16有一個片內的BOD（Brownout Detection）電源檢測電路，用于在系統運行時對系統電壓的檢測，并與一個固定的閾值電壓相比較。BOD檢測閾值電壓有遲滯效應，以避免系統電源的尖峰毛刺誤觸發BOD檢測器[32]。BOD檢測電路可通過編程BODEN熔絲位來設置成有效或者無效。當BOD被設置成有效且電壓跌倒下閾值電壓以下時，即觸發復位過程，CPU進入復位狀態。當電壓回升且超過上閾值電壓后，再經過設定的啟動延時時間，CPU重新啟動運行[33]。注意：只有當電壓低于閾值電壓并且持續后，BOD電路才能啟動延時計數器計數。4. 看門狗復位ATmega16片內還集成了一個獨立的看門狗定時器WDT。該WDT由片內獨立的1MHz振蕩器提供時鐘信號，并且可用專用的熔絲位或由用戶通過指令控制WDT的啟動和關閉及設置和清0計數值。當WDT啟動后計數后，一旦發生計數溢出，它將觸發產生一個時鐘周期寬度的復位脈沖。脈沖的上升沿將使器件進入復位狀態，脈沖的下降沿啟動延時計數器計數，經過設定的啟動延時時間，CPU重新開始運行。使用WDT功能，可以防止系統受到干擾而引起的程序運行紊亂和跑飛，提高了系統的可靠性[34]。 系統復位電參數符號參數條件最小值典型值最大值單位上電復位門限電壓（電源電壓上升時）V上電復位門限電壓（電源電壓下降時）VRESET門限電壓RESET最小復位脈沖寬度usBOD復位門限電壓BODLEVEL=1VBODLEVEL=0BOD檢測的低電壓最小寬度BODLEVEL=12usBODLEVEL=02BOD檢測遲滯電壓50mV當PC機對AVR編程時，需要先將SCK和RESET（非）引腳拉低，使AVR芯片進入SPI編程狀態，然后通過SPI口進行下載操作。因此，在設計AVR系列硬件時，如果考慮使用SPI口實現ISP的功能，則圖中的R1電阻不可省略。此時R1起到了上拉隔離作用，正是有了R1，才能使用戶在外部對RESET（非）引腳施加低電平（0V）。當編程下載完成后，外部一旦釋放掉RESET（非），該引腳通過R1又被拉成高電平，AVR就直接進入了正常運行工作狀態。R1的阻值在510千歐之間，太大和太小都不合適。本設計目標板采用上電復位。如圖（317）所示,圖（318）所示是上電復位簡化的一種（本設計則采用該方法）[35]。 圖317 上電復位電路圖 圖318 上電復位電路設計 本章小結通過本章對硬件電路的設計，我了解了一些以前沒有接觸過的元器件，比如DS130DS18B液晶屏等。通過學習與比較，本章先設計了下載線部分電路，通過MAX232電平轉換電路，把串口接收到的COMS電平轉化成TTL電平，使得ATtiny2313單片機正常工作，并監測從上位機傳來的程序和數據，把這些經過處理后傳給ATmega16單片機。通過ATmega16單片機來分別控制液晶屏顯示、蜂鳴器電路、復位電路、晶振電路等，而DS1302時鐘芯片和DS18B20把從外界監測到的信號傳送給ATmega16單片機，并通過液晶屏顯示出來。第四章 軟件設計 概述整個系統是由硬件設計和軟件設計共同實現的，上一章節已經詳細介紹了硬件電路設計，所以軟件設計在本設計來看也相當重要，在以下內容中，會介紹Code VAVR編程軟件的使用說明及程序編譯過程和部分功能的流程圖以及相關的說明。 系統軟件開發環境CVAVR系統的安裝非常簡單，就可以按照提示進行CVAVR系統的安裝。按照安裝過程中的提示，將CVAVR集成開發環境的系統文件安裝在了目錄D：\應用軟件\cvavreval文件夾中[36]。建立一個新的項目管理文件projectCVAVR也采用project工程項目管理文件（.APR）來保存、記錄、管理用戶在系統軟件開發中所使用和生成的各種文件、以及保存用戶的開發環境配置參數和設置情況等。1) 新建工程項目。CVAVR啟動后，將看到它的主工作窗口。現在可以創建一個新的項目，其步驟如下：(1) 選擇File→New，出現Create New File對話框。(2) 選擇Project選項，表示新建一個工程項目（見圖41），單擊OK按鈕確認。(3) 隨后CVAVR出現一個對話框，詢問用戶是否使用需要在CVAVR系統的程序自動生成向導器的幫助下生成源程序的主結構框架。單擊YES按鈕進入CodeWizardAVR選擇對話框。2) CVAVR系統的程序自動生成向導器是一個非常具有特點的功能。用戶在他的幫助下，可以非常簡單和方便地生成源程序的主結構框架，其中還包括AVR各I/O寄存器初始化地代碼。(1) 確定使用AVR芯片的型號和系統時鐘頻率值。本設計選擇ATmega16，頻率為8MHz（參見圖41 ）。(2) CodeWizardAVR選擇對話框中還有許多對AVR各個功能部件的配置選擇，本設計不需要改動，就不做介紹了[37]。圖41 在CVAVR中創建新的項目建立源文件，輸入源代碼，編譯源文件1)建立源文件，輸入源代碼：圖42 CVAVR的主工作窗口圖(1) 在CodeWizardAVR主窗口的菜單欄中選擇File→Generate,Save and Exit項。(2) 在彈出的對話框中分別填入源代碼文件名 、。本例中使用ch15_2。(3) 在隨后出現的CVAVR主工作窗口右半部分的源程序文件中，已經出現了一個根據用戶配置而生成的源程序主結構框架（見圖42）。2）編譯源文件：(1) 選擇菜單項Project→Make對C源文件進行編譯。(2) 編譯結束后，CVAVR將在information窗口中顯示編譯結果。如果程序中有語法或連接錯誤，則在左邊的Navigator窗口中將給出紅色的錯誤提示信息。通過以上操作，當程序編譯通過后，將程序保存在D:\chengxu文件夾中。 軟件程序設計本次程序主要分兩個部分組成，第一部分下載線監控芯片程序的設計；第二部分是溫度顯示程序的設計和時鐘顯示程序的設計，其中又分為四大模塊：溫度傳感器程序設計模塊，時鐘程序設計模塊，ATmega16單片機主控程序設計模塊，液晶屏的顯示程序設計模塊（程序詳見附錄2）。 監控程序流程圖及ATtiny2313監控程序通信協議監控程序流程框圖監控程序包括主程序和串行中斷程序兩部分，流程框圖如圖43所示。監控主程序一直對命令緩沖區進行監控和讀取，如是命令，則根據器件類型的編程特性進行相應的操作。緩沖區為環形列隊，有頭尾兩個指針，每當監控程序接收到上位機發來的命令或數據時，都會引起UART中斷，在中斷函數中，把接收到的命令或數據放入緩沖區，改變緩沖區尾指針。圖43 監控程序流程框圖ATtiny2313監控程序通信協議 AVR Prong的通信協議指令標識字符指令標識字符進入編程模式‘P’推出編程模式‘L’報告自動增量地址‘a’選擇器件型號‘r’地址設置‘A’讀器件標識字節‘s’寫程序存儲器低字節‘c’