1、 1 中国计量学院 本科课程设计（ 论文） 基于 ATMEGA16 的温度测试系统 Temperature Measuring System Based on ATMEGA16 2 学生专业 ： 机械电子工程 班级： 08 机电 2 班 二级学院： 机电工程学院 指导老师： 李运堂 组长 小组分工 设计题目 备注 戚雪珍 PCB 图 刘子文 何佳宾 基于ATMEGA16的温度测试系统 无 硬件 刘子文 王其盟 上 位机程序 戚雪珍 下位机程序 刘建 叶林敏 资料收集和论文整理 王其盟 3 目录 摘要 -（ 3） 方案设计与论证 -（ 3） 1） 单片机的介绍及选择 -（ 3） 2） 传感器的介
2、绍及选择 -（ 4） 硬件设计 -（ 6） 1） 开发板的结构原理 -（ 6） 2） 开发平台的基本配置 -（ 7） 3） 开发平台的基本功能 -（ 7） 4） 开发板硬件原理图 -（ 8） 5） ATMEGA16 单片机介绍 -（ 10） 6）元器件清单 -（ 11） 7） DS18B20 温度传感器 -（ 12） 软件设计 -（ 16） 1）下位机软件设计 -（ 16） 2） 上位机软件设计 -（ 18） 3）功能调试 -（ 19） 结论 -（ 24） 4 基于 ATMEGA16 的温度测试系统 摘要： 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
3、和数值显示，系统主要由温度采集、单片机控制、人机交互、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 液晶显示器 1602 把各个点的温度给显示出来，另一方面单片机可以通过串口通讯传给上位机，由上位机软件显示出 来；该系统可以设定温度上下限值，当温度超出系统设定的范围时，系统会报警提示。上位机软件可以记录一段时间内的温度值，并可以通过曲线图表示出来。 关键词： ATmega6 单片机；温度测试； 温度传感器 DS18B20；液晶显示 DS1602； 5 Te
4、mperature Measuring System Based on ATMEGA16 Abstract: 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, hum
5、an-machine interaction, Serial Communication 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 a
6、cquisition and displays the temperature on various points through the LCD. On the other hand MCU can pass through the serial port communications PC, from PC software displayed. The system can set temperature limits from top to bottom, when the temperature exceeds the limits set by system, the system
7、 will prompt the police. Computer software can be recorded over a period of time the temperature, and can be expressed through the curves out. Keywords: Single-chip Microcomputer; temperature measure; DS18B20;DS1602; Classification: TP2 6 一、方案设计与论证 1、单片机的 介绍及 选择 1） . MCS-51 系列是我国较早引进的 Intel 公司的单片机产品
8、。它具有体积小，功能全，价廉，面向控制，应用软件丰富，技术在不断更新，开发应用方便等优点，可以适应各个领域的不同需要，因而具有极强的竞争力。 MCS-51 系列单片机无论是片内 RAM 容量， I/O 口功能，系统扩展能力，还是指令系统和 CPU 的处理功能都非常强。尤其是 MCS-51 系列单片机适合于实时控制，可构成工业控制器，智能仪表，智能接口，智能武器装置以及通用测控单元等等。 2） . PIC 系 列单片机为近年来国内市场的力推产品。采用 RISC（精简指令集计算机）技术，应用范围广，通用性强。此系列产品均为内置 ROM（ OTPROM及 EPROM）型，不可在芯片外再扩充程序存储器
9、，由于一次性可编程（ OTP） ROM 型芯片价格便宜，芯片封装精巧（ DIP 或 SOP 型），大大降低了成本，加之指令集易学习，入门较容易，再由多家厂商强力引导市场，使用日渐广泛。最近，甚至有 DIP8 封装的低价格产品 PIC12C 系列面市，内置 4MHZ 时钟，有 6个 I/O 口供使用，价格还不到十元，更能降低产品的成本 。为照顾初学者， PIC 系列单片机开发装置除提供常规的硬件仿真器外，还提供了价廉物美的纯软件仿真器，与 OTP 芯片编程器组成低价的开发套件，有多种产品可供选择。 3） . Z8 系列单片机采用 Z80 兼容指令集。它曾被誉为设计得最成功的 8 位MPU（微处理
10、器），被首先以单板机的形式引于国内，国内早期对其开发应用十分广泛，因此，软件资源十分丰富为其极大的优势。 Z8 系列单片机的价格也非常有竞争力，最便宜的 OTP 产品也在十元以内，并且功能强大。 4） . AVR 单片机是 Atmel 公司 1997 年推出的 RISC 单片机。高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，在单片机市场中占据很大地位。 RISC（精简指令系统计算机）是相对于 CISC（复杂指令系统计算机）而言的。 RISC 并非只是简单地去减少指令，而是通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度的。RISC 优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令：并固定指令宽度，减少指令
11、格式和寻址方式的种类，从而缩短指令周期，提高运行速度。由于 AVR采用了 RESC 的这种结构，使 AVR 系列单片机都具备了 1MIPS/MHz（百万条指令每秒 /兆赫兹）的高速处理能力。 AVR 单片机 吸收了 DSP 双总线的特点，采用Harvard 总线结构，因此单片机的程序存储器和数据存储器是分离的，并且可对具有相同地址的程序存储器和数据存储器进行独立的寻址。在 AVR 单片机中，CPU 执行当前指令时取出将要执行的下一条指令放入寄存器中，从而可以避免传统 MCS51 系列单片机中多指令周期的出现。传统的 MCS51 系列单片机所有的数据处理都是基于一个累加器的，因此累加器与程序存储
12、器、数据存储器之间的数据转换就成了单睛机的瓶颈；在 AVR 单片机中，寄存器由 32 个通用工作寄存器组成，并且任何一个寄存器都 可以充当累加器，从而有效地避免了累加器的瓶颈效应，提高了系统的性能。 AVR 单片机具有良好的集成性能 .AVR 系列的单片机都具备在线编程接口，其中的 ATMega 系列还具备 JTAG 仿真和下载功能；都含有片内看门狗电路、片内程序 Flash、同步串行接口 SPI；多数 AVR 单片机还内嵌了 AD 转换器、 EEPROM、摸拟比较器、 PWM 定时计数器等多种功能； AVR 片机的 I/O 接口具有很强的驱动能力，灌电流可直接驱动继电器、 LED 等器件，从
13、7 而省去驱动电路，节约系统成本。 AVR 单片机采用低功率、非挥发的 CMOS 工艺制造，除具有低功耗、高密度的特点外，还支持低电压的联机 Flash， EEPROM 写入功能。 AVR 单片机还支持 Basic、 C 等高级语言编程。采用高级语言对单片机系统进行开发是单片机应用的发展趋势。对单片机用高级语言编程可很容易地实现系统移植，并加快软件的开发过程。 AVR 单片机具有多个系列，包括 ATtiny、AT90、 ATmega。每个系列又包括多个产品，它们在功能和存储器容量等方面有很大的不同，但基本结构和原理都类似，而且编程方也相同。 AVR 单片机系列齐全，可适用于各种不同场合的要求。
14、 AVR 单 片机共分为三个系列： 低档： ATtiny 中档： AT90 高档： ATmega AVR 单片机是 Atmel 公司 1997 年推出的 RISC 单片机。与其他单片机相比，它具有高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，在单片机市场中占据很大地位。 AVR 单片机共分为三个系列：低档： ATtiny 中档： AT90 高档： ATmega。 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1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗 和处理速度之间的矛盾
15、。 综上所述，此次设计选用 AVR 单片机作为控制系统 。 2、温度传感器的介绍及选择 1） . 模拟温度传感器：有多种输出形式（绝对温度、摄氏温度和华氏温度）以及电压偏移值。后者让组件在使用单电源的情形下就能对负温度值进行监测。模拟温度传感器的输出还可以送到比较器来产生超温指示信号，或直接送到模拟数字转换器的输入，用来显示实时温度数据。模拟温度传感器适合需要低成本、小体积和低功耗的应用。 2） . 数字温度传感器：对于更紧密控制能力、更高精度和更大分辨率的需求带动了数字温度传感器的发展 。被测温度信号从敏感元件接收的非电量到转换为微处理器可处理的数字信号，环节较多，而且模拟信号在长距离传输的
16、过程中，受到的干扰较多，误差较大。因此，从非电量转换到数字信号，一般将其处理过程集成在单片 IC 器件体内部，这样就形成了功能强大，精确的数字传感器。 1.2 研究内容 采用软硬件综合设计的方法实现温度测试，报警和描绘出温度的变化曲线。 数字式传感器与模拟传感器相比，由于采取高集成度设计和数字化处理，在可靠性、 干扰能力以及器件微小化方面都有明显的优点。 DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司生产的可组 网数字式温度传感器，它使用 1-Wire（单线）接口，这种总线只需要一条 I/O 线进行数据传输，及尽简化之能事。这种集成化的智能温度传感器与模拟传感器最大的区别是将温度信号直接转化
17、成数字信号，然后通过串行通信的方式输出。 DS18B20 具有微型化、低功耗、高性能、抗扰能力强、易于与微处理器接口等优点适合用于各种温度测控系统。 综上所述，本次设计采用数字式温度传感器 DS18B20。 二、硬件设计 选用 Atmel 公司的 AVR 型单片机 Atmega16 为核心的单片机开发板和8 DS18B20 字温度传感器等 一些其他元器件进行硬件的焊接，调试电路，对选用的单片机进行软件设计，实现温度检测的功能，下位机使用 RS232 通信口，通过串口设计，实现与 PC 机的串口通讯，在上位机中实现温度显示、上下限设定和报警功能，并可以对一段时间内采集到的温度值进行图象处理，从而
18、反映出温度变化过程。 1、 开发板的结构原理 为掌握常见非电量的检测方法，同时巩固和加强学生已经掌握的相关单片机知识和电子技术，该课程设计选用了一种基于 Atmel 公司的 AVR 型单片机Atmega16 为核心的单片机开发板。开发板的结构原理如图 2.1 所示。 元件标号解释： 1、 Atmega16 单片机 8、单片机扩展口 2、 RS232 转换芯片 9、 LCD 调节电位器 3、 9芯 RS232 通信口（孔） 10、 16X2 液晶屏 4、 ISP 下载口 11、电机驱动口 5、单片机复位键 12、电机驱动电路 6、功能键（ 4个） 13、电源接口（交流 6 12V） 7、模拟量输
19、入口（ 4通道） 14、系统电源部分 图 2.1 开发板系统结构图 1、 开发平台基本配置： 本课程设计开发板基本组件包括： 1、 AVR 单片机开发板一块； 2、 9针串口通信线一条； 9 3、 12V 小变压器一个，带电源线； 4、 RT1602C 液晶屏一块； 5、 ISP 下载线一条； 6、 PC并口线一条； 7、资料光盘一张； 8、 DS1820 温度传感器； 9、通用电路板； 2、 开发平台的基本功能： 由于采用了 AVR 高性能单片机 Atmega16 为开发板核心，再配合其他外围 电路，使得该板具 有丰富的外设和测量与控制功能。其中主要功能包括： 1) 1、 3路 PWM 输出
20、， 8 16 位可编程分辨率，适用于电机调速控制等 2) 2、 3个定时 /计数器， 2个 8位， 1个 16 位； 3) 3、 8路 10 位 ADC，可实现 0 5V 单极性信号测量；采样速率达 15Ksps， 可实现大多数模拟式传感器的信号测量； 4) 板载一个功率 NMOS 管和一个光电耦合器，分别连接到单片机的一路 PWM 输出和一路计数器，可直接实现小功率直流电机的调速和转速测量； 5) 具有标准 RS-232 的通讯接口，方便和 PC 机进 行通讯控制； 6) 具备液晶显示器和键盘操作接口； 7) 具备 ISP 在线编程调试功能，编程软件可选汇编或 C 语言开发软件； 3、 开发板硬件原理图： ISP 下载线如图 2.2 示，开发板的电路原理图见图 2.3 示， ISP 下载线的 PCB板中标“ *”号的电阻均为 2.2K，其余电阻为 100 欧。根据该原理图和元件制 作出实物电路板，并调试成功。 图 2.2 ISP 下载线原理图 10 图 2.3 开发板原理图
