基于AVR单片机的温度采集系统设计毕业设计论文.docx

1、基于AVR单片机的温度采集系统设计毕业设计论文毕业设计论文基于AVR单片机的温度采集系统设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说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

2、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 要在国民经济各部门，如电力、化工、机械、冶金、农业、医学以及人们的日常生活中，温度采集是十分重要的。在许多模拟量控制和监视应用中，温度测控通常是基于 -55125温度范围内的应用，如环境监测、蔬菜大棚、粮库、热电偶冷端温度补偿、设备运行的可靠性等应用。实时采集温度信息，及时发现潜在故障，并采取相应的处理措施，对确保设备良好运行具有重要意义

3、。本文介绍了一种基于 ATmega16单片机的温度采集控制系统，该系统能实现温度检测和数值显示，系统主要由温度采集、单片机控制、串口通讯，输出控制几个单元组成。温度采集采用单总线数字传感器 DS18B20进行采集，温度数据在传感器内部转化为数字信号并传送给单片机；单片机对传感器采集来的数据进行处理，通过串口把传感器采集到的温度传输至PC机上。关键字：单片机；温度测试；DS18B20Temperature Measuring System Based on ATMEGA16AbstractIn national economic sectors, such as power, chemical,

4、 machinery, metallurgy, agriculture, medicine and Peoples Daily life, temperature gathering is very important. In many analogue control and monitoring application, temperature measurement and control is usually based on-55 125 temperature range of applications, such as the environmental monitoring,

5、vegetables awning, grain depot, thermocouple temperature compensation, the cold end of the equipment operation reliability of application. Collect real-time temperature information, timely find fault, and take the corresponding treatment measures, to ensure that equipment good operation to have the

6、important meaning.This dissertation introduces a temperature control system based on ATmega16 MCU. The system can achieve detection of temperature and numerical display. The system is mainly made up of some units that are temperature acquisition, MCU control, human-machine interaction, Serial Commun

7、ication and output control. Temperature acquisition system uses single-bus digital sensor DS18B20 to collect the temperature. The temperature data is conversed to digital signals in the sensor and then is transmitted to MCU, which processes the data from sensor acquisition and displays the temperatu

8、re on various points through the LCD. With the chip to sensors to collect the data processing , through a serial port to the temperature sensors to collect to delivery to the PC.Keywords: Single-chip Microcomputer; temperature measure; DS18B20基于AVR单片机的温度采集系统设计焦士骏 0111081180 引言在国民经济各部门，如电力、化工、机械、冶金、农

9、业、医学以及人们的日常生活中，温度采集是十分重要的。在许多模拟量控制和监视应用中，温度测控通常是基于 -55125温度范围内的应用，如环境监测、蔬菜大棚、粮库、热电偶冷端温度补偿、设备运行的可靠性等应用。实时采集温度信息，及时发现潜在故障，并采取相应的处理措施，对确保设备良好运行具有重要意义。本文介绍了一个基于AVR单片机的温度控制系统，该系统可以方便地实现温度采集、温度显示等功能。本系统的温度控制部分采用ATmega16单片机完成。该单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、使用电子元件较少、内部配线少、制造调试方便等显著优点，将其用于温度检测和控制系统中可大大地提高控制质量和自动化水

10、平，具有良好的经济效益和推广价值。利用单片机对温度进行测控的技术，日益得到广泛应用。在众多的温度控制系统中，测温元件常常选用热敏电阻、半导体测温二极管、三极管、集成温度传感器等。相比而言，集成温度传感器具有线性好、稳定度高、互换性强、易处理等突出优点，故在许多场所得到了广泛应用。本系统中单片机作为下位机，完成测温任务。另外本系统还可以连接相应的外围加热电路，当环境温度低于设定下限温度时，单片机发出的指令，加热器起动对环境进行加热，当温度回升到下限温度时加热器停止加热。系统软件主要由初始化程序、主程序、监控显示程序等组成。其中初始化程序是对单片机的接口工作方式，A/D转换方式等进行设置；显示程序

11、包括对显示模块的初始化、显示方式设定及输出显示；主程序则完成对采集数据进行处理。该系统应用范围相当广泛，同时采用单片机技术， 由于单片机自身功能强大，因而系统设计简单，工作可靠，抗干扰能力强，也可在此基础上加入通信接口电路，实现与上位机之间的通信。1 课题背景及研究意义1.1 温度采集系统设计的意义及其应用目的目前，随着现代信息技术的飞速发展，温度测量采集系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演着一个越来越重要的角色，它对人们的生活具有很大的影响，所以温度采集系统的设计与研究有十分重要的意义。任何一个物体或者环境都有其温度属性，只有对其温度进行采集，才能更好的了解物体或者环境的特点，所以这就强调

12、了温度采集的重要性。在工业发展初期，人们通过各种简单的工具来采集温度，包括温度计等，但这种采集方式也存在着许多的漏洞，包括数据不精确和不能及时得反映温度的数据。后来随着工业技术的迅猛发展，传感器和单片机技术的出现改变了温度采集系统的方式，温度采集系统也得到了长足的进步，已经变得数字化和电子化，现今在工业中通过数字化的温度采集模块，温度可以迅速得通过单片机进行处理，并传输到PC机中，用来进行进一步的处理。毕业设计强调综合应用所学知识能力的锻炼与培养,这是毕业设计有别于课程设计等其他实践环节的重要方面，对大学生有着很重要的意义。本次课题的目的在于学习基于AVR单片机的温度采集系统设计的基本原理及基

13、本流程。本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，为了进行数据处理，单片机控制数字温度传感器，把温度信号通过单总线从数字温度传感器传递单片机上。单片机数据处理之后，在通过串口连接至PC机，显示及进一步处理。1.2 AVR单片机简介1.2.1 AVR单片机的主要特点 1) AVR系列单片机特点a) 多种I/O接口，可直接驱动继电器、LED、数码电路等器件。b) 内带模拟比较器。c) 独立的时钟分频器。d) 具有休眠省电功能及闲置低功耗功能。e) 增强形的高速同/异步串口与定时器/计数器及通信接口。f) 具有硬件乘法器、独立振荡器的实时计数器RTC。g) 内嵌高质量的Flash程序存储器，程序存储器

14、擦写可达10000次以上，可支持ISP和IAP。h) 硬件结构采用局部寄存器存储，简化结构、降低成本。i) 采用Harvard总线结构，吸收了DSP双总线的特点。j) 具有DIP、TQFP、PLCC多种封装形式。2) AVR与51、PIC单片机相比的特点a) 在相同的系统时种下，AVR运行速度最快。b) AVR单片机的FLASH、EEPROM存储器可以反复烧写、支持在ISP在线编程。c) 片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，电路设计相对比较简单。d) I/O口作输出时，可以输出很强的高、低电平；I/O口作输入时，可以带有高阻抗或者带上拉电阻。e) 片内采用了先进

15、的数据加密技术，大大提高了破解的难度。f) 空间大、品种多的片内FLASH。、g) 部分芯片的引脚与51系列的兼容性。如ATting2313兼容AT89C2051，ATmega8515/162兼容AT89S51等。3) AVR单片机优点a) 高可靠性、高保密性、功能强、高速度、低功率。b) 低功耗的CMOS技术。c) 丰富的片上资源。d) 增强型的驱动能力。e) 型号种类多选择性。f) 性价比高。g) 开发语言丰富。1.2.2 AVR系列单片机简介 ATMEL公司研发的AVR单片机，为满足不同的需求和应用，分为Tiny系列、AT90系列和ATmega系列。这三个系列的所有型号的AVR单片机，指

16、令系统兼容，内核相同，只是存储器容量、片内集成的外围接口的数量和功能存在一些差异。用户可以根据AVR单片机不同的引脚数目和价格各异进行选择，来满足不同的应用水平。ATmega是AVR单片机的系列之一，ATmega系列单片机属于AVR中的高档产品。ATmega系列AVR单片机主要有ATmega8/16/32/64/128以及ATmega8515/8535等。该系列单片机兼容了AT90所具有的特点，并在AT90的基础上进行了较大的改善，新增许多接口功能，在系统的省电特性、稳定性、抗干扰性、灵活性等方面有所提高。1.3 ATmega16单片机系统结构1.3.1 ATmega16简介ATmega16是

17、一种基于增强型的AVR RISC结构的低功耗、CMOS技术的8位微控制器。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1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。是具有高可靠性、高速度、低功耗等特点，是一种高性价比的单片机。ATmega16采用精简指令集（RISC），一条指令可以在一个时钟周期内同时对两个独立的寄存器进行访问，是以字作为指令长度单位，同时具有取值周期短、可预取指令等特点，运行处理能力可达到1MIPS/MHz。ATmega16单片机具有Flash程序存储器、看门狗、EEPROM、同/异步串行口、TWI、SPI、A/D模拟转换器

18、、定时器/计数器等多种器件和增强可靠性的复位系统。同时有降低功耗抗干扰的休眠模式、中断系统、输入捕获、比较匹配输出、多样化功能的定时器/计数器以及具有替换功能的I/O端口。1.3.2 ATmega16的总体结构ATmega128单片机性能十分强大，内部结构相对比较复杂，其总体结构包括以下几个部分，分别介绍如下。（1） 快速存取RISC寄存器快速存取RISC寄存器是由AVR的内核中的32个通用工作寄存器构成的，在一个时钟周期内可执行一个完整的ALU操作。（2） 32个通用工作寄存器在32个通用工作寄存器中，有6个可以用作3个16位的间接地址寄存器指针，以寻址数据空间，实现高效的地址运算。他们分别

19、为X寄存器、Y寄存器、Z寄存器。（3） Harvard结构AVR单片机采用CMOS技术，具有高速度、低功耗的特点，同时还具有休眠功能。为了最大限度的提高并行处理的运行效率，它采用了Harvard结构，即程序存储器和数据存储器使用不同的存储空间和总结，可直接访问全部的数据存储器和程序存储器，寄存器文件被双向映射并能被访问。算术逻辑单元（ALU）在执行某一指令时，下一个指令被预先从程序存储器中被提取处理，提高了MCU的运行效率。（4） 算术逻辑单元（ALU）算术逻辑单元（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，以及单一寄存器操作，每一次的运算结果都通过状态寄存器（SREG）反映

20、出来。（5） 程序存储器AVR的程序存储器空间由引导程序区和应用程序区组成。他们的读和读/写保护由对应的锁定位来实现。（6） I/O存储器I/O存储器空间包含64个I/O寄存器空间，它们用来控制MCU的各个外围功能。（7） 多种独立的时钟分频器多种独立的时钟分频器为串行异步通信（URAT）、SPI提供传输。8/16位定时器/计数器可用作比较器、计数器外部中断和PWM的控制输出。AVR单片机定时器/计数器（单）双向技术形成三角波和输出比较匹配寄存器配合，可以生成占空比、频率、相位可变的方波信号。（8） 其他电路AVR单片机有自动上电复位电路（POR），独立的看门狗电路（WDT）、低电压检测电路，

21、多个复位源，只需在复位源接一个上拉电阻即可实现复位，不需要另加外部复位器件。1.4 温度传感器人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。

22、因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。 由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。1.4.1 数字式温度传感器数字式温度传感器：就是能把温度物理量，通过

23、温度敏感元件和相应电路转换成方便计算机、plc、智能仪表等数据采集设备直接读取得数字量的传感器。1.5 串口概述1.5.1 串口介绍串行接口简称串口，也称串行通信接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的扩展接口。串行接口Serial Interface是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，并可以利用电话线，从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是：数据位传送，传按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；成本低但传送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千

24、米；根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。串口的出现是在1980年前后，数据传输率是115kbps230kbps。串口出现的初期是为了实现连接计算机外设的目的，初期串口一般用来连接鼠标和外置Modem以及老式摄像头和写字板等设备。串口也可以应用于由于两台计算机（或设备）之间的互联及数据传输。由于串口（COM）不支持热插拔及传输速率较低目前部分新主板和大部分便携电脑已开始取消该接口，目前串口多用于工控和测量设备以及部分通信设备中。1.5.2 串口分类串口通信的两种最基本的方式：同步串行通信方式和异步串行通信方式。 串行接口按电气标准及协议来分,包括RS-232-C、

25、RS-422、RS485等。RS-232-C、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。 RS-232也称标准串口，最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。传统的RS-232-C接口标准有22根线，采用标准25芯D型插头座（DB25），后来使用简化为9芯D型插座（DB9），现在应用中25芯插头座已很少采用。 RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通

26、讯。由于其发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为37k。所以RS-232适合本地设备之间的通信。 RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。典型的RS-422是四线接口。实际上还有一根信号地线，共5根线。其DB9连接器引脚定义。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。即一个主设备（Master），其余

27、为从设备（Slave），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是104k+100（终接电阻）。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。 RS-422的最大传输距离为1219米，最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。 RS-48

28、5是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。 RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485是-7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间，RS-485接收器最小输入阻抗为12k、RS-422是4k；由于RS-485

29、满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。 RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s1.6 protel DXP2004软件基本概念以及使用Altium公司作为EDA领域里的一个领先公司，在原来Protel 99SE的基础上，应用最先进的软件设计方法，率先推出了一款基于Windows2000和Windows XP操作系统的EDA设

30、计软件Protel DXP。Protel DXP2004是Altium公司于2004年推出的最新版本的电路设计软件，该软件能实现从概念设计，顶层设计直到输出生产数据以及这之间的所有分析验证和设计数据的管理。当前比较流行的Protel 98、Protel 99 SE，就是它的前期版本。Protel DXP 2004已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是由多个模块组成的系统工具，分别是SCH（原理图）设计、SCH（原理图）仿真、PCB（印制电路板）设计、Auto Router（自动布线器）和FPGA设计等，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步

31、技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。如图1-1，图1-2所示为该软件的工作界面及电路图。图1-1 protel dxp2004 工作窗口图1-2 protel dxp2004 电路图与较早的版本Protel99相比，Protel DXP 2004不仅在外观上显得更加豪华、人性化，而且极大地强化了电路设计的同步化，同时整合了VHDL和FPGA设计系统，其功能大大加强了。1.7 系统方案设计系统方案设计由硬件设计方案和软件设计方案组成，如图1-3所示。本系统的硬件包括温度传感器、AVR单片机以及PC机。其中AVR单片机和PC机通过串口连接。PC机

32、AVR单片机温度传感器图1-3 系统设计示意图1.7.1 软件设计方案系统以DS18B20为传感器用以将温度模拟量转化为电压数字量以总线传入单片机，以ATmega16为主芯片，在主芯片对DS18B20传入的温度值进行处理，由单片机程序控制，将经处理后的温度由LCD数码管显示出来。本系统具有电路简洁，性能可靠等特点，易于实现。2 数字式温度传感器DS18B20软硬件设计根据系统设定环境，我选择DS18B20作为温度采集系统的数字式温度传感器。DS18B20 是美国 Dallas 半导体公司的新一代数字式温度传感器，它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接