2017毕业论文-基于MEGA32的发酵池温度及氧气浓度控制设计.docVIP

广西师范大学电子工程学院 基于MEGA32的发酵池温度及氧气浓度控制设计基于MEGA32的发酵池温度及氧气浓度控制设计【内容摘要】目前是高新科技发展迅猛时期，生活中的人工操作逐渐被电子控制来替代，电子控制有及时性、稳定性、准确性、高效性等优势。AVR中的MEGA32芯片就是一种强大的控制芯片，本设计中参照发酵池内的发酵过程中温度以及氧气浓度因素对产气量的变化规律，结合当前温控现状，设计一种可以自行设定温度和氧气浓度上、下限值控制电磁阀开启或者关闭从而实现实时温度检测与控制功能的装置。从设计中学会运用单片机的知识将传感器和单片机控制进行结合，实现所需的控制功能。使用PROTEL 99se画出PCB电路图，制作相应的电路，然后对MEGA32芯片进行程序的烧写，主要使用AVR Studio对程序进行编写调试，最后对设计进行仿真完善电路。结果表明，AVR系列比51系列实时性更强、控制设备更简单。【关键词】AVR 单片机；传感器控制；硬件电路设计； I/O操作。目 录【内容摘要】1第1章绪论31.1课题背景31.1.1 选题目的及意义31.1.2 AVR单片机的简介31.1.3 protel 99se和AVR studio的简介4第2章 硬件电路的设计52.1硬件电路的建模思想52.2 硬件电路各部分的设计52.2.1 AVR的mega32最小系统设计62.2.2 直流电源设计62.2.3可控硅控制电路82.2.4 氧电极运放电路和DS18B20温度芯片9第3章 程序的设计113.1程序设计原理113.2 程序的编写123.2.1矩阵键盘的工作原理和扫描确认方式123.2.2 模拟信号处理ADC转换133.2.3 定时设计143.2.3 液晶LCD12864的驱动14第4章 整个流程的实际具体操作15第5章 总结16参考文献：17致 谢18英文说明:19第1章 绪论1.1课题背景1.1.1 选题目的及意义毕业将近，我们将步入社会，融入社会这个大集体中。毕业论文能让我们学生检测自身不足和优势，正确地定位自己、帮助自己更好地融入社会中。同时毕业论文也是高等院校授予学士学位的必要条件。它是一种学生在导师的指导下，按照一定的要求来完成具有理论和实践的科研课题。我选题时是基于以下几点的考虑:首先，我是电子信息工程的学生，做与专业相关的设计能帮助我更好地掌握这方向的专业知识，提高实践动手技能，这也恰好可以检验大学四年的学习。其次，我们专业就业主要是面向技术型方面，单片机的设计是基础中的基础，只有掌握好基础，才能在基础上学习更高层次的东西，否则事半功倍。这也能适当地提高我们就业的砝码。最后，传感器的控制是生活中非常常见的使用，这类似的设计是必不可少，传感器的使用相当重要。同时，我对于这类基于单片机的控制很感兴趣，这对我来说是自主完成毕设必不可少。综合这些分析，我选择这个使用传感器和单片机的设计基于MEGA32的发酵池温度及氧气浓度控制设计作为我的毕业论文，同时也是我找工作的砝码。通过这次毕业设计，我从中清楚的认识到自身不足之处，并加予了改进，使我更好地理解AVR的编程和控制，培养了我独立思考和解决问题的能力，为将来走进社会有很大的帮助。1.1.2 AVR单片机的简介单片机又称单片微控制器，它是把一个计算机系统集成到一个芯片上，概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。单片机技术是计算机技术的一个分支,是简易机器人的核心元件。1997年,由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术, 共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代51系列单片机。单片机已广泛地应用于军事、工业、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表和机器人制作等领域，使产品功能、精度和质量大幅度提升，且电路简单，故障率低，可靠性高，成本低廉。单片机种类很多，在简易机器人制作和创新中，为什么选用AVR单片机呢？一、简便易学，费用低廉二、高速、低耗、保密三、I/O口功能强,具有A/D转换等电路四、有功能强大的定时器/计数器及通讯接口1.1.3 protel 99se和AVR studio的简介1. Protel99SE简介Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层。按照系统功能来划分，Protel99se主要包含俩大部分和6个功能模块。其中包含电路工程设计部分和电路仿真与PLD部分。2.AVR studio 简介ATMEL的AVR单片机的集成环境汇编级开发调试软件，完全免费。ATMEL AVR Studio集成开发环境(IDE) ,包括了AVR Assembler编译器、AVR Studio调试功能、AVR Prog串行、并行下载功能和JTAG ICE仿真等功能。它集汇编语言编译、软件仿真、芯片程序下载、芯片硬件仿真等一系列基础功能，与任一款高级语言编译器配合使用即可完高级语言的产品开发调试。第2章 硬件电路的设计2.1硬件电路的建模思想本设计的核心是AVR单片机，通过AVR的I/O口操作实现对外部设备的控制，所以先制作出一个AVR的最小系统电路，然后根据要求制作外部设备电路，把外设的输入输出口接入AVR的I/O口。需要液晶显示12864、4*4的矩阵键盘、5V电源的提供、还有低压控制高压的可控硅操作电路。本设计涉及到温度和氧气浓度的参数，它们用于做操作参数，故硬件电路使用到氧运放放大电路和温度传感器18B20的连接电路对参数进行采用，然后送入AVR单片机中进行处理。氧运放放大电路是本设计的关键，合理地设计能准确地采样到所需的信号，电路中使用到的运放是TL084CN提供。然后把采样到的信息送入单片机内，通过AVR内部的ADC口（PA0-PA7）进行模拟转换数字信号。电路中涉及到模块电路和各模块的连接如下图：我按照设计中由主到次和设计的合理性的顺序来设计电路，提高了设计的效率，顺序为上图中的括号的数字顺序。这个顺序，可以避免了绘制原理图SCH和PCB图中可能出现的线太多、元件太多导致的排线错乱等问题。2.2 硬件电路各部分的设计2.2.1 AVR的mega32最小系统设计AVR的最小系统包括复位、晶振、电源。其中AVR是低电平复位,需要外部给AVR的第9个管脚RESET一个持续50us的低电平才能启动复位。我采用按键复位的形式，当按键按下了，第九管脚跟地连接起来，相当于给了它低电平，按键按下持续的状态大于50us，所以能启动AVR的复位。晶振电路是由2个22p的电容、1个10k电阻和1个12MHZ的晶振组成，它们给AVR单片机提供系统时钟，从而能实现程序的准确实现。Atmega32引脚XTAL1和XTAL2上外接石英晶体和电容组成的谐振回路，并配合片内的OSC（Oscillator）振荡电路构成的振荡源作为系统时钟源。其中电容C和电阻R组成RC振荡器，产生正弦波信号，主要是用于帮助晶振起振。AVR的驱动需要5V的电压，这个电压由外部的直流电源稳压提供。2.2.2 直流电源设计我设计的直流电源电路图如下：直流电源一般包含四个组成部分，即电源变压器、整流电路、滤波器和稳压电路，如下图所示。1. 电源变压器各种电子设备所需的直流电压幅值各不相同。需要电源变压器去降压，从而获得所需的压值。电源变压器的功能主要有：电压变换；阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等。它的工作原理是输出和输入共用一组线圈的特殊变压器.升压和降压用不同的抽头来实现.比共用线圈少的部分抽头电压就降低.比共用线圈多的部分抽头电压就升高.。2. 整流电路整流电路是利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压 。本设计中我采用单相桥式整流电路，使用了4个二极管，接成电桥形式，故称桥式整流电路。如下图，在e2的正半周D1和D3导电，D2和D4截止，流过D1和D3二极管的电流经过RL，在负载上得到的输出电压极性为上正下负，在e2的负半周，D2和D4导通，D1和D3截止.通过D2和D4的电流产生的电压极性也是上正下负，因此在负载上得到一个单方向的脉动电压。从而把一个正弦波电压变成了一个单向的直流电压。3. 滤波器滤波器主要由电容、电感等储能元件组成。它能尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。由于电容有维持其两端电压不变的特性，将电容与负载并联，将使负载两端的电压波形比较平滑。RL*C的乘积愈大，则滤波效果越好。4. 稳压电路主要是经过最后一次稳压，从而使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。本设计我使用了7805和7905的三端稳压集成电路。其中7805和7905的1脚（Vin）和3脚（Vout）分别接个0.1uF的电容到地，旁路电容，作用时抑制电路中可能产生的自激振荡。2.2.3可控硅控制电路使用moc3061系列的光电双向可控硅驱动器来驱动双向可控硅8T44HA从而实现用直流低电压、小电流来控制交流高电压、大电流。MOC3061 芯片是一种集成的带有光电耦合的双向可控硅驱动电路。它内部集成了发光二极管、双向可控硅和过零触发电路等器件。可控硅在性能上不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（俗称“死硅 ”）更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态。从而实现对高电压的控制。MOC3061芯片由输入和输出两部分组成。输入部分是一个砷化镓发光二极管, 在515mA 正向电流的作用下发出足够强度的红外光线去触发输出部分。输出部分包括一个硅光敏双向可控硅和过零触发器。在红外光线的作用下, 双向可控硅可双向导通, 与过零触发器一起输出同步触发脉冲, 去控制执行机构外部的双向可控硅。2.2.4 氧电极运放电路和DS18B20温度芯片先通过氧电极传感器电解空气中的水分生成的氧气，来读取氧气浓度的参数，由于信号的功率很小，需要经过两级运算放大器来适当放大信号，然后把放大后的信号送入AVR芯片中的ADC口（PA口）进行处理。该设计中还采用了运放电源保护电路。运算放大器采用集成运放TL084CN来提供，电路中采用2级放大，从而实现所需的放大倍数。每一级放大器都含有一个滑动变阻器，可以通过改变它的阻值适当地改变放大倍数。其中滑动变阻器上并联的小容量电容，主要起相位补偿作用，提高电路的稳定性，可以得到一个稳定的放大值。放大的值从PA0（ADC0）送入AVR中进行信号处理。DS18B20的测温原理如下图所示，其主要由斜率累加器、温度系数振荡器、减法计数器、温度寄存器等功能部分组成。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预设值；温度系数振荡器用来产生一个减法技术脉冲信号，低温度的可产生固定频率的脉冲信号送入减法计数器1；而高温度产生的变化脉冲送入减法计数器2。最后进行比较，得到的温度送入温度寄存器。2.2.5外设电路本设计中需要蜂鸣器报警和报警指示灯，还有LCD12864，矩阵键盘。蜂鸣器电路，让蜂鸣器响是通过控制一个三极管PNP（S8050）的导通，而使蜂鸣器接通。三极管的基极通过一个4.7K的电阻连接到单片机的PD2口，三极管的集电极接蜂鸣器的负极，蜂鸣器的正极接电源的+5V，三极管的发射极接地GND。给PD2一个高电平，使三极管导通，则蜂鸣器导通。报警指示灯电路，发光二极管的阳极接VCC，负极通过一个1K的电阻接到单片机的PD6引脚。要使发光二极管导通，要使阳极接电源，阴极接地。给PD6一个低电平时，则发光二极管导通，发光。LCD12864的电路，12864有20个引脚8个数据口DB0DB7，RS、读写控制端R/W、使能端EN、其中VOUT、VO和VDD之间接一个滑动变阻器，这样能调节LCD背光的亮度。本设计我把DBODB7连接到单片机的PC0PC7。矩阵键盘电路如下，使用AVR单片机的8个引脚来控制16个按键、每个按键和两个不同的引脚相连接，当按键按下去时，按键相当于一条导线导通，它两端直接连接起来，所以两端的电平状态一致。按下图设计键盘的思路是，PB0PB3控制矩阵键盘的行，PB4PB7控制矩阵键盘的列。每个按键对应于唯一的行和列的组合。对PB0PB7的端口电平进行处理，可以得到相应的行列组合信息，从而可判断哪个键按下了。第3章 程序的设计3.1程序设计原理为了实现所需的功能，而且能更好地管理程序，方便修改和调试，而且这样做能让编程的思路清晰。我把程序设计分为部分：主程序、矩阵键盘程序、LCD12864显示程序、处理信号程序。其中主程序包含警报程序、按键设置控制参数、控制开关等程序。先把各个子程序写出来，然后再主程序中调用。总体思路如下：先在主程序里设置好警报的最高的氧气浓度和温度，当超过这个参数时，启动报警器和报警指示灯。设置用按键可调的最低氧气浓度和温度，然后从温度芯片DS18B20读取发酵池的温度参数和用氧电极传感器来采集氧气浓度，把采集到的数据送入AVR内部进行AD转化，把模拟信号转换为数字信号，从而能对数字信号进行处理（按一定的比率公式来计算），把相应的参数通过LCD12864显示出来。把采集到的数据和开闸的条件参数进行比较，当符合这条件时，通过PA1口来控制电闸的开闭。3.2 程序的编写为了方便调试、提高程序的可读性和移植性，还有成学的准确性，我采用了分步编写程序的办法，写完一步程序就对这一步程序进行调试。每一步都通过后，才把各部分程序连起来。3.2.1矩阵键盘的工作原理和扫描确认方式单键盘中按键数量较多时，为了减少对I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，也称为行列键盘。这是一种常见的连接方式。矩阵键盘接口如下图所示，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。当按键按下时，其交点的行线和列线接通，相应的行线或列线上的电平发生变化，MCU通过检测行或列线上的电平变化就可以确定哪个按键按下。例如上图，先把PB0PB3的口赋予可写，向PB0PB3按顺序先后写入高电平，然后再设定PB4PB7口的状态是可读，再读取PB4PB7口的电平状态，但有按键按下时，PB4PB7口将有一个电平状态改变，从8个引脚的状态判断是哪个按键按下。4*4有16种组合，列出一个表包含16个数字，最后就可以通过按键调用所使用到的按键。3.2.2 模拟信号处理ADC转换操作AVR内部自带的ADC原理：由独立的专用模拟电源引脚AVcc供电。它里面包含采样保持电路，以确保输入电压在ADC转换过程中保持恒定。ADC通过逐次比较方式，将输入端的模拟电压转换成10位的数字量。最小值代表地，最大值为AREF引脚上的电压值减1个LSB。可以通过ADMUX寄存器中REFSn位的设置，选择A/D转换的参考电压。模拟输入通道和差分增益的选择是通过ADMUX寄存器中的MUX位设定。通过设置ADCSRA中的ADC使能位ADEN来使能ADC。ADC将10位转换结果放在ADC数据寄存器中（ADCH和ADCL）。默认情况下，转换结果为右端对齐，但可以通过设置ADMUX中ADLAR位，如果在读取ADCL和ADCH的过程中正好有一次ADC转换完成，则ADC的2个数据寄存器的内容是不会被更新的，该次转换的结果将丢失。只有当ADCH寄存器被读取后，ADC才可以继续对ADCL和ADCH寄存器操作更新。ADC有自己的中断，当转换完成时，中断将被触发。先设置PA0为读取状态，读取传感器和经过运放发来的数据，当有数据送入时，启动ADC转换，把模拟量转为数字量，转换完毕后关闭转换。转换的间隔通过系统时钟设置为2S内进行转换一次，这样可以更新数据。ADC转换启动的流程如下：3.2.3 定时设计定时操作主要采用中断来完成。当启动单片机时，开启总中断和中断允许位，外部中断程序开始执行，在中断服务程序1中，每隔1s对second开始计数，进行加法运算，没当达到second加到60后，second清零，Minu加1。当minu达到60时，minu清零，hour加1。当总时间到达设定的值，进行中断子程序2，程序2中设置想要执行的操作，例如加热、开闸等。每个动作给予一定的赋名，可通过按键直接设定要跳转到的操作。3.2.3 液晶LCD12864的驱动对LCD12864进行操作，要先要读懂写入指令和写入数据时序图。其中第4个管脚RS为控制指令和数据选择端，当RS=0，DB7DB0为显示数据。第5个管脚R/W为读写控制端。要先把使能端EN打开（EN=1）。然后写入控制指令，对LCD12864进行初始化操作，例如清屏、行列选择等等。然后通过读取指令，读取12864状态，看是否繁忙，若繁忙则等待清闲处理指令。写入数据前，要先通过指令写入那数据所在的地址。对数据的操作要根据下图的时序图，第一个是写数据时序图，第二个是读取数据时序图。在第一个写入数据时序图中，先给RS赋值，“1”是写入指令，“0是写入数据，然后把R/W赋值0”，接着把使能端EN置一，延时一段时间，然后向数据口写入数据。再延时一段时间把使能端EN赋0，关闭操作。则最终对LCD12864数据的写入完成。 第二个读取数据时序图和第一个的操作差不多，只是把R/W变为1，则是读取数据。第4章 整个流程的实际具体操作先把题目要求读懂，把整个设计按一定顺序分为N部分，设计每部分的原理图。用PROTEL 99SE创建个工程，再创建原理图文件，在里面画出原理图，有些元件没有原理图包装，创建个原理图数据库lib，自己画出包装。原理图画完后，去购买所需的元件。创建PCB文件和PCB数据库，在PCB数据库中创建没有元件的封装。通过原理图生成网表，通过网表生成PCB图。然后在PCB中对元件进行布局和连线，此时要考虑是否能装进模具里、使用是否方便等因素。PCB画完后，在蜡纸上打印PCB，对电路板进行腐蚀，打孔，把元件焊接上去。接下来就是程序的编写。我使用ICC AVR软件对程序进行编写，然后使用AVR STUDIO对AVR芯片进行程序的烧写。我先对硬件的每一个部分写入简单的测试程序，来检测各硬件电路是否正常。然后按一个功能对程序进行编写，实现了这个功能再编写下一个功能的程序。第5章 总结本设计完成的功能是对AVR进行操作实现对发酵池的氧气浓度和温度数据读取，进行处理，通过按键设置一些参数，然后根据这些条件来控制闸门的打开等。在设计过程中既需要用到硬件方面的知识，也需要用到软件方面的知识，对设计者是一种挑战，也是一种自我超越，自我提高。这次设计让我对AVR单片机I/O口的操作有了初步的了解和掌握。我学会了使用PROTEL 99SE、ICCAVR、AVR studio等软件。我觉得最重要的是我学会了如何去解决一个自己不太了解的问题（即如何解决问题的能力）。合理有效地利用网络和查阅书籍搜集所需的信息和资料来帮助完成毕设是必不可少的。单片机的应用如今已经在工业、电子等方面展示出了它的优越性，利用单片机设计电路逐渐成了趋势，单片机以其低成本、易控制、外围接口电路技术发展成熟而在电子业中占据重要地位，随着单片机的日益发展，它必将在未来显示出更大的活力，为电子设计增加更多精彩！参考文献：1AVR的简介 百度百科/view/942508.htm#sub9425082 可控硅 百度百科 /view/685100.htm#sub6851003 马潮编著AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践 北京航空航天大学出版社 2007年10月4陈忠平、曹巧媛、曹琳琳、刘琼、申晓龙编著单片机原理及接口 清华大学大学出版社 2007年3月5王勇、李若谷、胡启明编著PROTEL 99SE 实战 100例 电子工业出版社 2010年5月6杨素行编著模拟电子技术基础简明教程（第三版） 高等教育出版社 2006年5月7谭浩强编著C程序设计（第三版） 清华大学出版社 2005年7月8杨欣、王玉凤、刘湘黔编著 电子设计从零开始 清华大学出版社 2005年10月致 谢四年的大学生活即将在这个季节划上一个完美的句号，然而我的人生却只是一个逗号，我将开始新的征程，这四年走得辛苦却也收获满囊，毕设的完成将是四年的完美句号。经过近段时间的努力，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。首先要感谢我的导师殷严刚助教，感谢殷老师在百忙之中扔抽空给予一定的指点，在我最困惑毫无思路之际给予点通。在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。除了殷老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。其次要感谢身边的同学，他们为我提供了很多宝贵的资料和设计建议。特别是我的舍友，他们亲力相助，把所知的毫无保留地教给我，让我能在短期内掌握某些专业知识。正是他们的帮助和支持才使我能顺利完成我的毕业设计，发自内心的感谢你们。最后感谢母校老师对我四年来给予的教育和关心，在这里我不仅学到了专业知识，还学到了很多做人的道理。使我明确了以后的方向，树立了良好的价值观，在这里学到的一切都使我终身受益。英文说明: THE Fermenting tankS oxygen and temperature Control Design BASE ON MEGA32 Author:fengbinAbstract:At present is the rapid development period, new and high science and technology of artificial operation life is gradually electronic control to replace, electronic control has timeliness, st