基于单片机的电压测量人机界面设计_毕业设计.docx

基于单片机的电压测量人机界面设计Design of voltage measurement man-machine interface based on MCU 摘 要随着科技的快速发展，电子检测技术发展很快,单片机技术现在已渗透到我们生活的许多领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，由此可见单片机的应用对我们的工作生活已越来越重要了，为了更好的从事以后的工作，所以我们更需要很好的运用它掌握它。在现实的生活中电压测量是故障诊断中最常使用并且也非常有效的检测方法。因此拥有一块好用精良的电压表对我们日后的工作生活都是非常有好处的。此设计制作了一种基于Atmega16单片机的电压测量表,它实现数字电压表的硬件电路与软件设计, 该系统的数字电压表电路相对简单,所用的元件相对较少,成本较低,实用性比较强，可以测量范围024V的电压值,并将测量的电压值显示在液晶显示器12864上，此设计并还带有密码登陆、修改密码、设定电压上下限和报警等功能。此文首先介绍关于此设计的背景意义和设计实现的功能。然后介绍设计中用到的单片机的功能特性以及液晶显示器的选择功能特征。最后进行电压表的硬件设计软件编程等。关键词：Atmega16；单片机；电压；液晶显示器12864ABSTRACTWith the rapid development of Chinas modern technology, electronic detection technology has been developed very fast, single-chip technology has penetrated many areas of our lives, almost difficult to find which areas no traces of the microcontroller, visible microcontroller applications of our work life has become increasingly important, so in order to better engage in future work, we need more good use of it.The voltage measurement in real life is the most commonly used and very effective detection method in fault diagnosis. Have a good voltmeter to our work life are very good. Design a Atmega16 microcontroller-based voltage measurement hardware circuit and software design, digital voltmeter digital voltmeter circuit is simple, with fewer components, low cost, practical, strong, 0 to 24V voltage value can be measured, and the measured voltage value is displayed in the LCD 12864, with password login, change your password, set upper and lower limits of the voltage and alarm functions.This article first introduces the background meaning and design and implementation of design features. And then describes the functions of the MCU used in the design and the choice of the liquid crystal display. Last voltmeter hardware design.Keywords: ATmega16; microcontroller; voltage; LCD 12864目 录1 引言11.1设计的背景及意义11.2发展历史及研究现状21.3 数字电压测量的原理32 设计总体方面42.1设计要求42.2 设计实现功能42.3单片机的选型52.4设计方案63 数字电压表的简介73.1数字电压表的特点73.2用于数字电压表内的AD转化器分类83.3单片机内的A/D转换器结构和性能84主要元器件简介及设计104.1 ATMEGA16单片机104.2 ATMEGA16单片机引脚功能134.3液晶显示器12864的特点及功能简介164.4 按键电路的设计194.5 报警单元的设计204.6电源电路的设计21结 论22参考文献23附录1：程序24致 谢4444天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计1 引言数字电压表简称为DVM，它是运用了数字化测量技术，把连续模拟的信号转换成不连续，离散的数字形式加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能过于单一，精度相对较低，不能完全满足现代数字化的需求，而采用了单片机的数字式电压表，拥有精度高，抗干扰能力强，可扩展性强，集成较为方便，可以与PC进行实时通信等优点，因此得到广泛的应用。目前由各种单片机A/D转换器构成的数字式电压表，已被广泛的应用于电子及其电工的测量，工业自动化仪表，自动测试系统等智能化测量领域，已显示出强大的生命力。数字式电压表是诸多数字化仪表的核心与基础，电压表的数字化是将连续的模拟量转换成不连续的离散的数字量形式，并把它显示出来，这有别于传统的指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的误差和人为原因等很多情况，目前数字电压表的核心部件是A/D转换器，因此转换器的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度。本设计主要分为两个部分：电压表的硬件电路设计和软件设计程序。而硬件电路又可以分为单片机小系统电路、复位电路、液晶显示器电路、系统报警电路、电压采集电路等，各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计中进行详细的介绍。软件程序将在文中附录中给出以便读者日后更好的进行研究。1.1设计的背景及意义数字式电压表作为数字技术的成功应用典型，已经发展的非常好。数字电压表（Digital Voltage Meter，DVM），因其功能齐全、精确度高、灵敏度较高、显示电压直观等突出优点深受广大用户的欢迎和喜爱。其中尤其是以AD转换器为代表的集成电路为最优，进而使DVM向着多功能化、小型化、智能化的方向快速发展。DVM运用单片机控制技术，组成智能的仪表；并与计算机相连接，组成自动测试系统。在这个数字化快速发展的时代，从大到空间的雷达，地球卫星定位系统，移动通信设备，小到家庭使用的计算机，数码电器设备，数字录音笔等设备中，数字技术与数字电路组成的数字系统已经成为这些现代电子系统的重要组成部分。数字电压表正进入一个高速发展的黄金时期，一方面它开拓了电子测量领域的先河，另一方面它本身也在朝着准确度、智能化、低成本的方向发展。目前，数字电压表作为数字化仪表的基础与核心，已被广泛用多个领域，显示出强大的生命力。与此同时，由电压表扩展而成的各种通用及专用仪表，也将电量及非电量测量技术提高到崭新水平。众所周知在日常生活生活中电压测量是故障诊断中最常使用的检测方法。因此拥有一块好的电压表是很重要的，对我们的工作生活都是非常有益的。我们对电压表的分类有很多方法，既可以根据电压测量对象的类型不同，可分为直流电压测量和交流电压测量两种：又可以因使用的工具工作原理的不同，又可分为模拟式电压表测量和数字式电压表测量两类。模拟电压表为指针式，一般用磁电式电流表头作为指示器，并在电流表盘上加以电压刻度。由于表头中是以电流流经磁场中的线圈所产生的电磁力，作为指针偏转的动力。因此测量时需要从被测对象中获取一定量的电流，因此将不可避免的对被测对象的数值造成一定的影响，其影响的程度大小与表头的灵敏度有关。数字式电压表则于指针式完全不同，因为输入的被测量电压首先经过前端的分压器进行分压，从而实现量程的选择，再将输入的模拟量过A/D转换器变为数字量送入控制器中，并以十进制数字的方式直接显示出来。1.2发展历史及研究现状数字电压最早是1952年由美国NLS公司研制成功的，它刚开始使用时它只有4位，60多年以来经过多次的改良变革技术突破，数字式电压表已有了相对较大的进步和提高。数字电压表是从电位差计的自动化过程中研制成功的。刚开始是4位数码显示，进而是5位，6位显示，而现在发展到7位，8位数码显示；也从最初的只有一两种类型发展到今天原理不同的几十种类型；从最早的采用继电器，电子管技术发展到如今全晶体管，集成电路，微处理器化技术；传统的电压表功能单一、精度比较低，早已不能满足时代的需求，采用单片机的数字电压表精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、 集成方便 ，还可以与 PC 进行实时通信，目前，由各种单片 A/D 转化器构成的数字电压表，以被广泛用于生产生活的广泛领域，拥有较强的发展空间。与此同时，由 DVM 扩展而成的各种通用及专用数字仪表仪器，也把电量及非电量测量技术提高到崭新高度。 数字式电压表的设计和研究，现在已有了许多的类型和款式。传统的数字电压表也有许多特色，它们主要适用于现场手工的测量，如果想要实现远程测量并想要对测量数据做处理，它是根本就无法实现的。然而基于 PC 通信的新式数字电压表，他既能完成数据的传递，又能借助 PC 对测量的数据进行进一步的处理。因此数字式电压表不论在功能上还是在实际中，都拥有传统电压表无法相比的优点，这使得他的开发和应用拥有良好的发展前景。1.3 数字电压测量的原理数字电压表的基本工作原理是利用A/D转换电路将待测的模拟信号转换成数字信号，通过相应的换算后将测试结果以数字形式显示出来的一种电压测量设备。较之于一般的模拟电压表，数字电压表拥有精度高、测量准确、读数直观、使用方便等优点。电压表的数字化测量，关键在于如何把随时连续变化的模拟量转化成数字量，完成这种转换的电路叫模数转换器（A/D）。数字电压表的核心部件就是A/D转换器，由于各种不同的A/D转换原理构成了各种不同类型的数字式电压表。一般说讲，A/D转换的方式可分为两类：积分式和逐次逼近式。积分式A/D转换器是先用积分器将输入的模拟电压转换成时间或频率，再将其数字化。根据转化的中间量不同，它又分为U-T（电压-时间）式和U-F（电压-频率）式两种。逐次逼近式A/D转换器分为比较式和斜坡电压式，根据不同的工作原理，比较式又分为逐次比较式及零平衡式等。斜坡电压式又分为线性斜坡式和阶梯斜坡式两种。在高精度数字电压表中，常采用由积分式和比较式相结合起来的复合式A/D转换.本设计以ATmaga16单片机为核心，液晶显示器12864为主体，构造了一款简易的数字电压表。2 设计总体方面2.1设计要求 主要以Atmega16单片机作为核心器件，组成一个简单实用的数字电压表。采用2路模拟电压输入，目的使它能够测量0-24V之间的直流电压值。电压显示用液晶12864显示，分别显示两点的电压和两点之间的电压差。 尽可能的使用较少的电气元器件，来实现较多的功能要求。2.2 设计实现功能1验证登陆功能本实例设计的电压测量功能模块仅为持有密码的使用者使用。使用者在进入系统前必须通过按键输入登录密码，在验证密码成功之后，系统对测量单元初始化，准备进行电压测量。如果密码错误，系统将显示“密码错误”并进行语音报警，要求使用者重新输入密码。如果连续三次密码都错误，系统将暂停输入密码功能，并延时半分钟后才能再次输入开机密码，成功后开始电压测量。2.电压测量功能电压测量是此设计中单片机系统完成的一项典型处理任务。单片机控制A/D转换器对被测电压信号进行采样及处理，处理的过程及结果显示在液晶显示器12864上。当测量任务完成后，系统延时一段时间并返回登录初始画面。电压的测量范围设计为A、B两点均是0V-24V。本设计采用ATmaga16单片机内部的A/D转换器来釆样电压。3.按键登陆功能通过面板上的按键输入开机登录密码进行电压测量,并可以通过按键设置电压测量上下限的设置、修改开机密码、系统复位、关机等功能。4.语音报警功能本设计釆用一般实验用蜂鸣器来做简易的语音报警设备，当登陆密码错误时蜂鸣器进行报警、测量电压达到电压设定的上下限时也会进行报警。5.液晶显示功能开机显示“请输入开机密码”，若密码正确则显示A点电压值、B点电压值、AB之间电压值、和电压设置的上下限值，如密码错误会显示“密码错误”当测量的电压超出或低于设定的电压上下限时，系统会显示“超出电压设定值”或显示“低于电压设定值”。2.3单片机的选型如果想设计一个用单片机控制的实物，一般我们需要在选择单片机型号时的出发点大体上有以下几个方面考虑：市场的货源系统设计者一般只能在市场上能够提供的单片机中进行选择自己所需要的，特别是作为产品大批量使用。生产的应用系统，所选择的单片机型号必须有稳定并且充足的货源。单片机的性能必修根据系统的功能要求和各种单片机的性能，选择那些最容易实现系统技术指标的型号，并且要能达到较高的性能价格比。单片机性能一般包括片内硬件的资源、运行的速度、可靠性能、指令系统功能、体积和封装方面等。而影响性价比的因素除单片机的性能和价格以外，又需要考虑包括硬件和软件设计的难易程度、所对应的工作量多少，并且运用的开发工具的性价比大小。选择AVR单片机。这个单片机特别简单，容易学习，价格便宜。AVR单片机也能升级，能节省很多费用。它的处理速度快，计算快。耗能低，保密性质好。它的I/O功能强大，能反映输入/输出的真实情况。内部自带模拟比较器，可成为A/D转换器。他能重设启动复位，单片机非常具有可靠性。它还有功能强大的定时器/计数器及通讯接口。研制的周期如果是在研制的任务很重、时间又很紧的状况下，就必修要考虑所选的单片机型号是否明白了解，能否马上进行系统的设计。并且与研制周期有关的另一个重要因素就是开发工具，性能优良的开发工具能加快系统地研制进程。有利于我们更好的完成设计任务，早日实现我们需要的功能，对我们日后的设计工作有较大的好处。2.4设计方案此设计的硬件电路设计主要由6个部分组成;它们分别是语音报警电路、系统复位电路、Atmega16单片机电路、液晶显示器12864电路、密码按键电路、电压量采集电路。硬件电路设计框图如下图所示。 图2-1硬件设计图3 数字电压表的简介数字电压表简称DVM，它主要是采用数字化测量的技术进行测量，就是把连续的模拟量（直流输入电压）通过转换，转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。3.1数字电压表的特点1显示清晰直观，读数准确方便传统的模拟式仪表必须要借助于指针和刻度盘进行读数，因而在读数过程中不可避免的会引入人为的测量误差。而数字电压表则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，只要仪表不发生跳读现象，测量结果就是唯一的。 2显示位数显示位数通常为31/2位、32/3位、33/4/位、41/2位、43/4位、51/2位、61/2位、71/2位、81/2位共9种。判定数字仪表的位数有两条原则：能显示09所有数字的位是整数位；分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子，用满量程时最高数字作分母。例如，某数字仪表的最大显示值为1999，满量程计数值为2000，这表明该仪表有3个整数位，而分数位的分子为1，分母是2，故称之为31/2位，读作三位半。 3准确精度高准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。4分辨率较高数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值，称为仪表的分辨力，它反映仪表灵敏度的高低。分辨力随显示位数的增加而提高。分辨率是指所能显示的最小数字（零除外）与最大数字的百分比。例如31/2位DVM的分辨率为1/19990.05。需要指出，分辨力与准确度属于两个不同的观念。从测量角度看，分辨力是虚指标（与测量误差无关），准确度才是实指标（代表测量误差的大小）。5测量范围宽多量程DVM一般可测量01000V直流电压，配上高压探头还可测上万伏的高压。6扩展能力强在数字电压表的基础上，还可扩展成各种通用及专用数字仪表、数字多用表（DMM）和智能仪表，以满足不同的需要。7抗干扰能力强51/2位以下的DVM大多采用积分式A/D转换器，其串模抑制比、共模抑制比各别可达100dB、80120dB。高档DVM还采用数字滤波、浮地保护等先进技术，进一步提高了抗干扰能力，共模抑制比可达180dB。3.2用于数字电压表内的AD转化器分类A/D转换器是数字电压表、数字多用表及测量系统的心脏。目前国内外生产的A/D转换器已达数百种，大致可分为五大类：单片A/D转换器；单片DMM专用IC；多重显示仪表专用IC；专供数字仪表使用的特制IC（ASIC）；其他通用型A/D转换器，这种芯片仅能完成模/数转换，不能直接配数字仪表。1单片A/D转换器所谓单片A/D转换器，是采用CMOS工艺将DVM的基本电路（含模拟电路和数字电路）集成在同一芯片上，配以LCD或LED数显器件后能显示A/D转换结果的集成电路。它们均属大规模集成电路，能以最简单方式构成DVM。若对其外围电路进行扩展，增加各种功能转换器，还可构成DVM。2单片DMM专用IC单片DMM专用IC是CMOS大规模集成电路和仪表技术的结晶，使用一片IC即可构成功能完善的自动量程数字多用表。特别是专配P的DVM集成电路的问世，为开发具有高性价比的智能仪表和测试系统创造了有利条件。3.3单片机内的A/D转换器结构和性能1、A/D转换器结构ATmega16有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A 的8 路单端输入电压进行采样。单端电压输入以0V (GND) 为基准。ADC 包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC 的电压保持恒定。ADC有AVCC引脚单独提供电源。AVCC与VCC之间的偏差不能超过0.3V。A/D转换的参考电压源可以选择2.56V的内部基准电压、AVCC或外接于AREF的电压。2、ADC基准电压源标称值为2.56V的基准电压以及AVCC都位于器件之内，基准电压可以通过加在AREF引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。ADC的参考电压源（VREF）反映了ADC的转换范围。若单端通道电平超过了VREF，则其结果将近0x3FF。3、A/D转换器性能ATmega16的A/D转换器性能指标为： （1） 10 位 精度 （2） 0.5 LSB 的非线性度 （3） 2 LSB 的绝对精度 （4） 65 - 260 s 的转换时间 （5） 最高分辨率时采样率高达15 KSPS （6） 8 路复用的单端输入通道 （7） 7 路差分输入通道 （8） 2 路可选增益为10x 与200x 的差分输入通道 （9） 可选的左对齐ADC 读数 （10） 0 - VCC 的 ADC 输入电压范围 （11） 可选的2.56V ADC 参考电压 （12） 连续转换或单次转换模式 （13） 通过自动触发中断源启动ADC 转换 （14） ADC 转换结束中断 （15） 基于睡眠模式的4主要元器件简介及设计4.1 ATmega16单片机此设备是采用Atmel的高密度非易失性存储器技术生产制造。片上ISP Flash允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器编程也可以通过编程AVR内核的引导程序运行。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash内存（Application Flash存储器）。更新应用Flash区启动引导闪存（闪存）的连续运转，使RWW操作。闪存8位RISC CPU和系统可以被编程为被集成到一个单一芯片内，ATmega16的成为一个非常强大的单芯片解决方案，进行了大量的嵌入式控制应用提供了灵活的和便宜的成本。对于边界扫描JTAG接口，支持片上调试和编程，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起始条件检测的通用串行接口，8通道10位ADC，具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装），可编程看门狗定时器，片上振荡器，一个SPI串行接口，以及六个软件可选省电模式。在空闲模式下，CPU停止工作，USART，两线接口，A / D转换器，SRAM，T / C，SPI端口，中断系统继续工作;冻结振荡器掉电模式，所有功能除了中断停止工作和硬件复位，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，而其余的设备正在睡觉，ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器和ADC以外所有I / O模块，以减少ADC转换时的开关噪声，待机模式下，晶体谐振振荡器运行，其余的设备处于休眠状态，从而使设备只消耗极少的功率，而且还具有快速启动的能力;扩展待机模式时，振荡器和异步定时器继续工作。ATmega16的有全套的程序和系统开发工具，包括：C语言编译器，宏汇编器，调试器/模拟器，仿真器和评估板。 AVR Atmega16的系列单片机，体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，成本低，可靠性高，柔韧性好。在ATmega16 AVR内部有很多的指令集，并有32个通用工作寄存器。且所有寄存器都直接与算术逻辑单元（ALU），这将允许在同一时间访问两个独立的寄存器的指令在一个时钟周期。采用这种结构，大大提高了效率比平常的微控制器具有高达10倍的代码和数据通过。ATmega16的微控制器具有以下优点：16K字节的系统可被编程到闪存（能力强的读取和写入，即在同一时间，RWW），512字节的EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I / O口线，32个通用工作寄存器JTAG边界扫描接口，支持片上调试与编程，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可编程看门狗定时器启动条件探测器通用串行接口，8通道10位ADC可选差分输入级可编程增益（TQFP封装），片上振荡器，一个SPI串行端口，以及六个软件可选省电模式。在空闲模式下，CPU停止工作，USART，两线接口，A / D转换器，SRAM，T / C，SPI端口，中断系统继续工作;冻结振荡器掉电模式，所有功能除了中断停止工作和硬件复位，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，而其余的设备正在睡觉，ADC噪声抑制模式时终止CPU和除异步定时器和ADC以外所有I / O模块，以减少ADC转换时的开关噪声;待机模式下，晶体谐振振荡器运行，其余的设备处于休眠状态，从而使设备只消耗极少的功率，也有快速启动;扩展待机模式时，振荡器和异步定时器继续工作。 高性能、低功耗的8位AVR微处理器先进的RISC 结构： （1）131条指令 （2）大多数指令执行时间为单个时钟周期 （3）32个8位通用工作寄存器 （4）全静态工作 （5）工作于16MHz时性能高达16MIPS （6）只需两个时钟周期的硬件乘法器 （7）非易失性程序和数据存储器 （8）16K 字节的系统内可编程Flash，擦写寿命: 10,000次 （9）拥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 （10）512 字节的EEPROM，擦写寿命: 100,000次 （11）1K字节的片内SRAM （12）可以对定位进行编程以实现用户程序的加密 （13）JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容) （14）符合JTAG 标准的边界扫描功能 （15）支持扩展的片内调试功能 （16）通过JTAG 接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和定位的编程 外设特点 ：（1）两个拥有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器 （2）一个拥有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器 （3）拥有独立振荡器的实时计数器RTC （4）四通道PWM （5）8路10位ADC，8个单端通道，2个拥有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 （6）面向字节的两线接口 （7）两个可编程的串行USART （8）可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 （9）拥有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 （10）片内模拟比较器 （11）特殊的处理器特点 （12）上电复位以及可编程的掉电检测功能 （13）片内部经过标定的RC振荡器 （14）片内/片外中断源 （15）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 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 工作的电压： （1）ATmega16L：2.7 - 5.5V （2）ATmega16：4.5 - 5.5V 速度的等级：（1）8MHz ATmega16L （2）0-16MHz ATmega16 （3）ATmega16L在1MHz, 3V, 25C时的功率消耗 （4）正常模式下: 1.1 MA （5）空闲模式下: 0.35 MA （6）掉电模式下: 1 A4.2 ATmega16单片机引脚功能 Atmega16单片机采用40引脚DIP封装，其引脚分布以及电路连接下图所示。图4-1 Atmega16单片机引脚及电路连接引脚说明如下：VCC 数字电路的电源GND 接地端口A(PA7.PA0) 端口A做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。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。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 它是端口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。4.2.1 Atmega16单片机的最小系统外围电路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，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 ATmega16特点:（1）16K字节的系统内可编程Flash（2）512 字节EEPROM（3）1K 字节SRAM（4）32个通用I/O 口线（5）一个SPI 串行端口（6）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（7）可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口（8）8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC（9）具有片内振荡器的可编程看门狗定时器 图4-2 ATmega16最小系统的外围电路.4.3液晶显示器12864的特点及功能简介4.3.1液晶显示器 LCM12864简介 液晶显示模块是12864点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（1616点阵）、128个字符（816点阵）及64256点阵显示RAM9(GDRAM)。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接处理机:8位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。一、基本特征： （1）低电源电压（VDD:+3.0-+5.5V） （2）显示分辨率:12864点 （3）内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字(简繁体可选) （4）内置 128个168点阵字符 （5）2MHZ时钟频率 （6）显示方式：STN、半透、正显 （7）驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS （8）视角方向：6点 （9）背光方式：侧部高亮白色LED，功耗为普通LED的1/51/10 （10）通讯方式：串行、并口可选 （11）内置DC-DC转换电路，无需外加负压 （12）无需片选信号，简化软件设计 （13）工作温度:0-+55,存储温度:-20-+60二、模块引脚说明：*注释1：如在实际应用中仅使用串口通讯模式，可将PSB接固定低电平，也可以将模块上的J8和“GND”用焊锡短接。*注释2：模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空。*注释3：如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的JA、JK用焊锡短接。表4-1管脚图 管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VDD3.0+5V电源正3V0-对比度（亮度）调整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7DB0为显示数据RS=“L”,表示DB7DB0为显示指令数据5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0的数据被写到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信号7DB0H/L三态数据线8DB1H/L三态数据线9DB2H/L三态数据线10DB3H/L三态数据线11DB4H/L三态数据线12DB5H/L三态数据线13DB6H/L三态数据线14DB7H/L三态数据线15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式（见注释1）16NC-空脚17/RESETH/L复位端，低电平有效（见注释2）18NC-LCD驱动电压输出端19LEDAVDD背光源正端（+5V）（见注释3）20LEDKVSS背光源负端（见注释3）三、液晶显示单元电路图：液晶显示单元作为此模块必不可少的部分，有了这一模块，我们方便知道电压的情况。各点温度的情况都在屏幕上显示出来，特别便于观察。YCM12864是一个很好的液晶显示，能很清楚的呈现测量的数据。下图是显示部分YCM12864的电路图。图4-3液晶显示单元电路图4.4 按键电路的设计本设计用按键来完成多种功能，可以用来对要测量的电压设定上下限、用按键来输入登录密码、密码修改、开关机等。下图为按键系统电路图4-4按键电路4.5 报警单元的设计在监测系统中，对于重要的参数一般都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与该参数上下限设定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示。本设计采用峰鸣音报警电路。峰鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过单片机的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以用一个晶体三极管驱动。在图中，P3.2接晶体管基极输入端。当P3.2输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫；当P3.2输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。图4-5 三极管驱动的蜂鸣器报警电路4.6电源电路的设计电源在电路中是必不可少的一部分，一个系统有了电源才能工作。对于电源的设计也是至关重要的。我们为系统也设计了电源电路，通过变压器电路将220V的家用电转化成为单片机和电路进行供电所需的电压。如下图所示：图4-6 变压器电源供电电路结 论人机界面设计是单片机应用系统设计过程中的一项重要内容，人机界面扩展了单片机系统和用户的互操作性。通过常用的按键和显示单元，用户可以非常直观地对系统的输入输出和运行状态进行实时监控，使用户的使用变得非常方便，对智能化的发展有着重要的意义，此设计以ATmega16单片机为核心的控制器件，通过内部自带的A/D转换功能，进一步设计完成电压的采集与转换这一重要任务，还设计介绍了独立按键和矩阵按键的功能与使用方法，系统的介绍了LCD 12864模块在单片机系统中的重要应用、显示方法、系统程序，通过系统密码按键登录、单片机内部A/D转换和处理及信息反馈等方式，完成了人机界面的设计方法和过程。参考文献1 肖洪兵. 跟我学用单片机. 北京：北京航空航天大学出版社,2002.8. 2 何立民. 单片机高级教程 第1版北京：北京航空航天大学出版社，2001. 3 李广第单片机基础 第1版北京：北京航空航天大学出版社，1999. 4 徐惠民，安德宁单片微型计算机原理接口与应用第1版北京：北京邮电大学出版社，1996. 5 夏继强. 单片机实验与实践教程. 北京：北京航空航天大学出版社, 2010.6 陈志强，胡辉. 单片机应用系统设计实践指南,2010.7 谭浩强.C程序设计.清华大学出版社，1999.8石东海.单片机数据通信技术从入门到精通.西安:西安电子科技大学出版社，2002.9 余永权,汪明慧,黄英. 单片机在控制系统中的应用J.电子工业出版社 2003.10 朱大奇等.单片机原理串口及应用.南京:南京大学出版社，2003.11 赵佩华.微型计算机原理与组成.西安:西安电子科技大学出版社，2003.12 金春林.AVR系列单片机C语言编程与应用实例M .清华大学出版社，2003.13 张军. 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Anisimov.Thermostatting System Using a Single-Chip Microcomputer and Thermoelectric Modules Based on the Peltier EffectJ ,2002.22 Yeager Brent.How to troubleshoot your electronic scaleJ.Powder and Bulk Engineering. 1995.附录1：程序#include #include #include delay.h#include Button.h#include EEP.h#include 12864p.h#include ad.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar id=0;uchar flag;void port_initial()void ad()/界面 DISPLAY_char(0x80,tab1,0); DISPLAY_char(0x81,tab1,1); DISPLAY_char(0x82,tab1,2); DISPLAY_char(0x83,tab1,3); DISPLAY_char(0x84,tab1,23); DISPLAY_char(0x85,tab1,24); DISPLAY_char(0x86,tab1,25); DISPLAY_char(0x90,tab1,34); DISPLAY_char(0x94,tab1,35); DISPLAY_char(0x89,tab1,36);void st_face()/密码输入界面 LCD_WRC(0X30); /必须； LCD_WRC(0X01); DISPLAY_char(0x82,tab1,0); DISPLAY_char(0x83,tab1,1); DISPLAY_char(0x84,tab1,2); DISPLAY_char(0x85,tab1,3); DISPLAY_char(0x84,tab1,23); DISPLAY_char(0x85,tab1,24); DISPLAY_char(0x86,tab1,25); DISPLAY_char(0x90,tab1,4); DISPLAY_char(0x91,tab1,5); DISPLAY_char(0x92,tab1,6); DISPLAY_char(0x93,tab1,7); DISPLAY_char(0x94,tab1,8); DISPLAY_char(0x95,tab1,9); DISPLAY_char(0x96,tab1,10); DISPLAY_char(0x97,tab1,11); delay(500);void set_face()/密码设定界面 LCD_WRC(0X30); /必须； LCD_WRC(0X01); DISPLAY_char(0x82,tab1,12); DISPLAY_char(0x83,tab1,13); DISPLAY_char(0x84,tab1,14); DISPLAY_char(0x85,tab1,15); delay(500); DISPLAY_char(0x90,tab1,4); DISPLAY_char(0x91,tab1,5); DISPLAY_char(0x92,tab1,6); DISPLAY_char(0x93,tab1,7)