本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文電子體溫計(jì)的研制

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1、III 本科畢業(yè)論文,電子體溫計(jì)的研制 本科畢業(yè)論文 電子體溫計(jì)的研制 摘 要 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是常用的測(cè)量及被控參數(shù)。隨著時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)普及到我們生活、工作、科研各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種有力的工具，本文介紹一種基于單片機(jī)控制的數(shù)字溫度計(jì)。它克服了傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)測(cè)溫速度慢、環(huán)境污染嚴(yán)重、攜帶不方便等缺點(diǎn)。介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，利用半導(dǎo)體熱敏電阻物理參數(shù)（如電阻、電壓、電流等）與環(huán)境溫度之間存在的確定關(guān)系，將體溫以數(shù)字的形式顯示出來，讀數(shù)清晰又安全。采用ATmega16單片機(jī)來對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，不僅控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單靈活，還能夠減小儀表的體積。本論文將

2、介紹電子體溫計(jì)的基本概念，基于ATmega16單片機(jī)的電子溫度計(jì)的設(shè)計(jì)過程，分析NTC熱敏電阻和LM35作為測(cè)溫傳感器的非線性糾正方法，介紹液晶顯示屏的驅(qū)動(dòng)程序。 關(guān)鍵詞：電子體溫計(jì)，熱敏電阻，ATmega16單片機(jī)，液晶屏ABSTRACT In modern industrial production， the temperature is measured and charged with common parameters. As the times progress and development， single chip technology so pervasive in o

3、ur lives， work， research in various fields， has become a powerful tool， this paper introduces a microcomputer-based control of the digital thermometer. It overcomes the traditional mercury thermometer temperature is slow， serious environmental pollution， bring inconvenience shortcomings. Describes t

4、he hardware and software design， using semiconductor thermistor physical parameters (such as the resistance， voltage， current， etc.) and the environment determine the relationship that exists between the temperature， the temperature displayed in digital form， reading a clear and safe. ATmega16 micro

5、controller used to measure the temperature not only easy to control， simple and flexible configuration， it can reduce the size of instrument. This paper will introduce the basic concepts of electronic thermometer， electronic thermometer based on ATmega16 microcontroller design process， analysis of N

6、TC thermistor and temperature sensor LM35 linear as correct methods of introducing liquid crystal display driver.I Keywords: digital thermometer， thermistor，ATmega16 microcontroller，LCD screen目 錄 1 緒論 1 1.1 體溫計(jì)的發(fā)展與現(xiàn)狀 1 1.2 新型智能電子體溫計(jì)的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn) 2 1.3 總體方案設(shè)計(jì) 2 2 測(cè)溫電路的設(shè)計(jì) 4 2.1 溫度傳感器的介紹 4 2.2 熱敏

7、電阻溫度測(cè)量計(jì)算 11 2.3 放大電路部分 12 2.4 恒流源電路 13 3 ATmega16單片機(jī) 17 3.1 ATmega16單片機(jī)硬件介紹 17 3.2 電源管理與睡眠模式 21 3.3 系統(tǒng)控制和復(fù)位 22 3.4 AD轉(zhuǎn)換器 24 4 液晶屏JXD1602 26 4.1液晶顯示簡(jiǎn)介 26 4.2 1602字符型LCD簡(jiǎn)介 26 4.3液晶特性參數(shù) 29 4.4 控制器接口時(shí)序說明 31 5 編程介紹 33 5.1 軟件設(shè)計(jì)和仿真軟件 33 5.2 源程序 35 6 結(jié)論 45 參考文獻(xiàn) 47 致 謝 48 46 電子體溫計(jì)的研制 1

8、 緒論 單片機(jī)智能化儀表是測(cè)量?jī)x表的發(fā)展趨勢(shì)。它給日常生活帶來多方面的進(jìn)步，其中數(shù)字溫度計(jì)就是一個(gè)典型的例子，醫(yī)院、家庭等隨處可見，為了能更加滿足人們的需要，數(shù)字體溫計(jì)正在更新?lián)Q代。 溫度測(cè)量在物理實(shí)驗(yàn)、醫(yī)療衛(wèi)生、食品生產(chǎn)等領(lǐng)域有著特別重要的意義?，F(xiàn)在所使用的溫度計(jì)還有很多是分辨力為1～0.1℃的水銀、煤油或酒精溫度計(jì)。這些溫度計(jì)的刻度間隔通常都很密，不容易準(zhǔn)確分辨，讀數(shù)困難，而且他們的熱容量比較大，達(dá)到熱平衡所需的時(shí)間較長(zhǎng)，因此很難讀準(zhǔn)，使用非常不方便。本設(shè)計(jì)所介紹的數(shù)字體溫計(jì)，與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，具有讀數(shù)方便，測(cè)溫范圍廣，測(cè)溫準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對(duì)測(cè)溫比較準(zhǔn)確的

9、場(chǎng)所，或科研實(shí)驗(yàn)室使用。 溫度計(jì)的發(fā)展很快，從原始的玻璃管溫度計(jì)發(fā)展到了現(xiàn)在的熱電阻溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、半導(dǎo)體集成數(shù)字溫度計(jì)等。在電子式溫度計(jì)中，傳感器是它的重要組成部分，溫度計(jì)的精度、靈敏度基本決定了溫度計(jì)的精度、測(cè)量范圍、控制范圍和用途等。溫度傳感器應(yīng)用極其廣泛，目前已經(jīng)研制出多種新型溫度傳感器，從而構(gòu)成性能優(yōu)良的溫度監(jiān)控系統(tǒng)。 1.1 體溫計(jì)的發(fā)展與現(xiàn)狀 體溫測(cè)量的歷史，可以追溯到l6世紀(jì)。當(dāng)時(shí)Saatorio用空氣熱膨脹的原理，制出了第一支測(cè)量口腔溫度的體溫計(jì)。本世紀(jì)初，開始用水銀來制作體溫計(jì)，至今在臨床上得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)1928年Ebstein的報(bào)告，當(dāng)時(shí)除測(cè)量口腔及腋

10、下的溫度外，還可以測(cè)量直腸、頸部、大腿根部，外耳及尿溫。這些都是用被測(cè)皮膚溫度與玻璃球內(nèi)積存的水銀溫度相等的原理實(shí)現(xiàn)的。 由于水銀體溫計(jì)使用方便、精度高，因而應(yīng)用很廣。再加上測(cè)溫方法及其結(jié)構(gòu)都已成熟，沒多大改進(jìn)余地，人們對(duì)它的研究失去了信心，至今幾乎沒有什么進(jìn)展。由于用水銀體溫計(jì)進(jìn)行體溫監(jiān)測(cè)很不方便，水銀的污染的可能也很嚴(yán)重等，為了正確測(cè)量人體局部溫度，促使人們開發(fā)了各種不同的測(cè)溫儀器和測(cè)溫方法。雖然水銀體溫計(jì)仍不愧是一個(gè)精度高、便宜、使用方便的測(cè)溫儀器?，F(xiàn)在已有許多醫(yī)院采用了電子體溫計(jì)，用其它電子儀器測(cè)量體溫也日益普及。這一事實(shí)至少表明，電子測(cè)溫儀器的性能已接近水銀溫度計(jì)的性能。因此，鑒于

11、傳統(tǒng)的水銀體溫計(jì)汞的污染及其攜帶不方便易破碎，尤其是測(cè)量時(shí)間過長(zhǎng)等缺點(diǎn)，本課題為解決此問題設(shè)計(jì)出一種數(shù)字式電子體溫計(jì)。它在穩(wěn)定性及響應(yīng)時(shí)間上比傳統(tǒng)的水銀體溫計(jì)有著顯著的優(yōu)勢(shì)，精度要求也能和傳統(tǒng)的水銀體溫計(jì)相媲美。 1.2 新型智能電子體溫計(jì)的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn) 1.2.1 結(jié)構(gòu) ①溫度傳感器，這個(gè)是關(guān)鍵部件；②放大電路；③單片機(jī)及數(shù)模轉(zhuǎn)換器A/D；④數(shù)字顯示部分（LCD顯示屏組件）；⑤電源部分。 NTC具有價(jià)格低廉、阻值隨溫度變化顯著的特點(diǎn)，而廣泛用于溫度測(cè)量。通常采用一只精密電阻與NTC串聯(lián)，NTC阻值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓苯舆M(jìn)入比較電路或單片機(jī)的A/D的輸入接口，不必經(jīng)過放大處理，電路構(gòu)

12、成極為簡(jiǎn)單。運(yùn)用NTC時(shí)除了選擇合適的R值和B值之外，還應(yīng)當(dāng)考慮到測(cè)量速度和精度[1]。 選擇合適的B：B值直接反映NTC測(cè)量溫度的響應(yīng)速度，但不是越小越好，確定B值需要比較與權(quán)衡。因?yàn)锽值與它的封裝尺寸有關(guān)，NTC的封裝尺寸小，則B值小，機(jī)械強(qiáng)度低；封裝尺寸大，則B值大，機(jī)械強(qiáng)度高。 確定電流范圍：可根據(jù)廠家提供的非自熱最大功率或利用耗散系數(shù)來確定工作電流的范圍。 1.2.2 特點(diǎn) 新型電子體溫計(jì)利用電子感溫，靈敏度高，也適合無法長(zhǎng)時(shí)間安靜的兒童，且能在較短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)試出體溫，探熱時(shí)間可快至1min。它的測(cè)量精度可達(dá)0.1℃，液晶屏直接顯示體溫?cái)?shù)值。 1.3 總體方案設(shè)計(jì)

13、 （1）根據(jù)溫度范圍和精度選擇NTC熱敏電阻，確定其型號(hào)，根據(jù)電阻特性設(shè)計(jì)采集放大電路，利用運(yùn)算放大器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，設(shè)計(jì)電路時(shí)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)采集電壓在0～2.5V，所以輸入的測(cè)量范圍為35～42℃，對(duì)應(yīng)輸出0～2.5V。 （2）采集完成以后輸入單片機(jī)ATmega16的A/D口，對(duì)模擬量進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)采集的信號(hào)與溫度的數(shù)學(xué)關(guān)系，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為溫度值[2]。 （3）用液晶屏顯示出溫度值。 （4）所需的電源功率足夠小，能夠利用開關(guān)電源供電。電子體溫計(jì)系統(tǒng)大多主要使用3V直流電源?？傮w方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1-1和圖1-2所示。 圖1

14、-1 電子體溫計(jì)的設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)框圖 圖1-2作者搭建的電子體溫計(jì)的電路 2 測(cè)溫電路的設(shè)計(jì) 2.1 溫度傳感器的介紹 為了盡量多學(xué)習(xí)到更多的知識(shí)，本課題同時(shí)采用了兩種溫度傳感器：LM35以及NTC熱敏電阻，設(shè)計(jì)了兩個(gè)不同的電路。用同一塊單片機(jī)分別測(cè)量它們的輸出，用兩套程序來進(jìn)行計(jì)算，用同一個(gè)液晶屏分時(shí)顯示這兩個(gè)不同的傳感器測(cè)量到的溫度。 因?yàn)?602LCD顯示屏可以顯示兩行，一行顯示的是體溫，一行顯示的是室溫。還可以設(shè)計(jì)出不同的組合。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)然不會(huì)同時(shí)采用兩種傳感器。 LM35是National Semiconductor公司生產(chǎn)的集成溫度傳感器，其輸出電壓與攝氏溫標(biāo)

15、呈線性關(guān)系，轉(zhuǎn)換公式如式2-1所示，0時(shí)輸出為0V，每升高1℃，輸出電壓增加10mV。LM35 有多種不同封裝型式，外觀如圖所示。在常溫下，LM35不需要額外的校準(zhǔn)處理即可達(dá)到1/4℃的準(zhǔn)確率。 其電源供應(yīng)模式有單電源與正負(fù)雙電源兩種，其接腳如圖所示，正負(fù)雙電源的供電模式可提供負(fù)溫度的量測(cè)；兩種接法的靜止電流-溫度關(guān)系如圖 所示，在靜止溫度中自熱效應(yīng)低(0.08℃)，單電源模式在25℃下靜止電流約50μA，工作電壓較寬，可在4~20V的供電電壓范圍內(nèi)正常工作非常省電[3]。 Uout_LM35(T)=10mV/℃T （2-1） LM35系列是精密集成電路

16、溫度傳感器，它的輸出電壓與攝氏溫度成線性比例。LM35無需外部標(biāo)準(zhǔn)或微調(diào)來提供（200.25）℃的常用的室溫精度，在-55～+150℃溫度范圍內(nèi)的誤差為0.75℃，我們把利用LM35做成的溫度傳感器放在帶有冰水的燒杯里加熱，一直到水燒開，實(shí)驗(yàn)采用攝氏溫度直接校準(zhǔn)方式，由于受當(dāng)?shù)卮髿鈮旱挠绊?，所得的?shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。 表2-1 溫度傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) t(℃) V(mV) t(℃) V(mV) t(℃) V(mV) 8 70 20 208 32 333 9 93 21 218 33 343 10 100 22 227 34 352 11 110

17、 23 241 35 360 12 121 24 257 36 372 13 129 25 265 37 382 14 134 26 276 38 391 15 144 27 290 39 401 16 152 28 300 40 411 17 165 29 306 41 423 18 180 30 315 42 432 19 194 31 324 43 442 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，LM35溫度傳感器具有較好的線性的溫度特性，特別是在30℃以上范圍內(nèi)，其電壓-溫度基本上呈線性特性，因?yàn)槿梭w

18、的體溫范圍在35～43℃內(nèi)，這就為制作數(shù)字溫度計(jì)提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)[4]。 圖2-1 LM35的溫度特性曲線 圖2-2 TO-92封裝引腳圖 圖2-3 SO-8 IC式封裝引腳圖 圖2-4 TO-46金屬罐形封裝引腳圖 圖2-5 TO-220 塑料封裝引腳圖 圖2-6單電源模式 圖2-7正負(fù)雙電源模式 表2-2 封裝形式與型號(hào)關(guān)系 封裝 型號(hào) TO-46金屬罐形封裝引腳圖 LM35H，LM35AH，LM

19、35CH，LM35CAH，LM35DH TO-220 塑料封裝引腳圖 LM35DT TO-92封裝引腳圖 LM35CZ，LM35CAZ LM35DZ SO-8 IC式封裝引腳圖 LM35DM 2.1.1熱敏電阻的類型及特性 熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的阻值隨溫度變化這一熱性而制成的，分為NTC（負(fù)溫度系數(shù)）熱敏電阻、PTC(正溫度系數(shù))熱敏電阻兩大類。PTC熱敏電阻電阻值隨溫度的升高而增大，NTC熱敏電阻電阻值隨溫度的升高而降低[5]。 正溫度系數(shù)熱敏電阻其電阻值隨著PTC熱敏電阻本體溫度的升高呈現(xiàn)出階躍性的增加，溫度越高，電阻值越大。 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻其電阻值隨著NTC熱

20、敏電阻本體溫度的升高呈現(xiàn)出階躍性的減小，溫度越高，電阻值越小。 NTC是Negative Temperature Coefficient的縮寫，意思是負(fù)的溫度系數(shù)，泛指負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件。通常我們提到的NTC是指負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，簡(jiǎn)稱NTC熱敏電阻。 NTC熱敏電阻是一種典型具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的減小。 NTC熱敏電阻是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，因?yàn)樵趯?dǎo)電方式上完全類似鍺、硅等半導(dǎo)體材料。溫度低時(shí)，這些氧化物材料的載流子（電子和孔穴）數(shù)目少，所以其電阻值較高

21、；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低[6]。 NTC熱敏電阻根據(jù)其用途的不同分為：功率型NTC熱敏電阻、補(bǔ)償型NTC熱敏電阻、測(cè)溫型NTC熱敏電阻。 PTC是Positive Temperature Coefficient的縮寫，意思是正的溫度系數(shù)，泛指正溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件。通常我們提到的PTC是指正溫度系數(shù)熱敏電阻，簡(jiǎn)稱PTC熱敏電阻。 PTC熱敏電阻是一種典型具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，超過一定的溫度(居里溫度)時(shí)，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。 PTC熱敏電阻根據(jù)其材質(zhì)的不同分為：陶瓷PTC熱敏電阻、有機(jī)高分子PTC熱敏電阻。 PTC熱敏電阻

22、根據(jù)其用途的不同分為：自動(dòng)消磁用PTC熱敏電阻、延時(shí)啟動(dòng)用PTC熱敏電阻、恒溫加熱用PTC熱敏電阻、過載保護(hù)用PTC熱敏電阻、過熱保護(hù)用PTC熱敏電阻。 NTC熱敏電阻的測(cè)溫范圍：低溫型號(hào)為-100～0℃，中溫型號(hào)為-50～+300℃，高溫型號(hào)為+200～+800℃，主要材料為Mn、Ni、Co、Fe、Cu、Al等，用于溫度測(cè)量、溫度補(bǔ)償和電流限制等。 PTC熱敏電阻的測(cè)溫范圍為-50～+150℃主要材料有BaTiO3等，用于溫度開關(guān)、恒溫控制和防止沖擊電流等。 熱敏電阻有如下優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于溫度的變化，其阻值變化較大，即輸出靈敏度高；便于大批量生產(chǎn)，因而價(jià)格便宜；體積小而且堅(jiān)固；由于靈敏度高，

23、因而信號(hào)處理非常方便。缺點(diǎn)是非線性、測(cè)溫范圍窄、互換性差等。 圖2-8熱敏電阻器的電阻—溫度特性曲線 熱敏電阻的電阻值與溫度的關(guān)系為[7]： RT=R0e-B(1/T0-1/T) （2-2） 其中RT—NTC在熱力學(xué)溫度為T時(shí)的電阻值 R0—NTC在熱力學(xué)溫度為T0時(shí)的電阻值，多數(shù)廠商將T0設(shè)定在298.15K（25℃） B—熱敏電阻的常數(shù)，它代表熱敏電阻的靈敏度（對(duì)溫度的敏感程度），與熱敏電阻的制造材料有關(guān)。熱敏電阻R0與常數(shù)B的關(guān)系如表所示[8]。 表2-3 熱敏電阻R0 與常數(shù)B的關(guān)系 使用溫度范圍（℃） 標(biāo)準(zhǔn)電阻值R0 標(biāo)稱常數(shù)B -

24、50~100 6（T0=0℃） 3390 0~150 30(0℃） 3450 50~200 3(100℃） 3894 100~250 0.55(200℃） 4300 150~300 4(200℃） 5133 200~350 8(200℃） 5559 計(jì)算端基線性度誤差： （2-3） 式中 D Lmax ——最大非線性偏差； ymax﹣ymin——輸出范圍。 圖2-9 傳感器線性度示意圖 a）端基線性度這圖要改為你自己的真實(shí)的曲線 1－端其擬合直線y =a+K x 2－實(shí)際特性曲

25、線 2.1.2線性化處理 多數(shù)傳感器的輸出信號(hào)與被測(cè)量之間的關(guān)系并非線性誤差γ，如圖2-10中的曲線1和曲線2。 圖2-10 輸出信號(hào)與被測(cè)量之間的非線性關(guān)系 1-類似于指數(shù)型非線性特性 2-類似于對(duì)數(shù)型非線性特性 3-線性化后的特性 在非線性情況下，將嚴(yán)重影響測(cè)量準(zhǔn)確度。因此必須先將實(shí)際曲線1或曲線2進(jìn)行線性化處理，得到曲線3。 線性化處理的方法： 線性化處理可以由硬件實(shí)現(xiàn)，但線性化電路往往較復(fù)雜，也會(huì)增加檢測(cè)系統(tǒng)的成本。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理能力允許的條件下，可以用軟件實(shí)現(xiàn)線性化處理。設(shè)傳感器的靜態(tài)輸入/輸出的特性為y=f(x)，是非線性的，則可以通過查表法、線性插值法，

26、以及二次拋物線折線法等幾種線性化方法，得到線性的結(jié)果：y=Kx。 查表法雖然簡(jiǎn)單，但需逐點(diǎn)測(cè)量輸入-輸出對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)；采用線性插值法時(shí)，劃分的段數(shù)越多，得到的結(jié)果就越精確，但計(jì)算所需時(shí)間就越長(zhǎng)，即儀器穩(wěn)定時(shí)間就越長(zhǎng)；二次拋物線折線法的計(jì)算就更加復(fù)雜。本設(shè)計(jì)采用對(duì)數(shù)計(jì)算的方法。利用T=3950/(log(RT/RO)+3950/298.15)-273.15公式來計(jì)算溫度與熱敏電阻的關(guān)系。 2.1.3 NTC熱敏電阻用于溫度測(cè)量和控制簡(jiǎn)介 熱敏電阻具有尺寸小、響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，因此它在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。熱敏電阻在工業(yè)上的用途很廣，根據(jù)產(chǎn)品型號(hào)不同，其適用范圍也各不相同，具有以下方面

27、[9]： （1）熱敏電阻測(cè)溫 作為測(cè)量溫度的熱敏電阻一般結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，價(jià)格較低廉。沒有外面保護(hù)層的熱敏電阻只能應(yīng)用在干燥的地方；密封的熱敏電阻不怕濕氣的侵蝕，可以使用在較惡劣的環(huán)境下。由于熱敏電阻的阻值較大，故其連接導(dǎo)線的電阻和接觸電阻可以忽略，在熱敏電阻測(cè)量糧倉溫度中，其引線可長(zhǎng)達(dá)近千米。熱敏電阻的測(cè)量電路多采用橋路，熱敏電阻體溫表原理圖如圖2-11所示。 圖2-11 模擬指針式電子體溫計(jì)電路 調(diào)試電橋電路時(shí)，必須先調(diào)零，再調(diào)滿度，最后再驗(yàn)證刻度盤中其他各點(diǎn)的誤差是否在允許的范圍內(nèi)，上述過程稱為標(biāo)定。具體做法如下：將絕緣的熱敏電阻放入32℃（表頭的零位）的溫水中，待熱量平衡后，調(diào)節(jié)R

28、P1，使指針指在32℃上，再加入熱水，用更高一級(jí)的數(shù)字式溫度計(jì)監(jiān)測(cè)水溫，使其上升到45℃。待熱量平衡后，調(diào)節(jié)RP2，使指針指在45℃上。再加入冷水，逐漸降溫，檢查32℃~45℃范圍內(nèi)刻度的準(zhǔn)確性。如果不正確：①可重新刻度；②在帶微機(jī)的情況下，可用軟件修正。 雖然目前熱敏電阻溫度計(jì)均已數(shù)字化，但上述的“調(diào)試”、“標(biāo)定”的概念是作為檢測(cè)技術(shù)人員必須掌握的最基本技術(shù)，必須在實(shí)踐環(huán)節(jié)反復(fù)訓(xùn)練類似的調(diào)試基本功。 （2）熱敏電阻用于溫度補(bǔ)償 熱敏電阻可在一定的溫度范圍內(nèi)對(duì)某些元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。例如，動(dòng)圈式表頭中的動(dòng)圈由銅線繞制作而成。溫度升高，電阻增大，引起測(cè)量誤差。可以在動(dòng)圈回路中串入由負(fù)溫度系數(shù)

29、熱敏電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò)，從而抵消由于溫度變化所產(chǎn)生的誤差。 在三極管電路、對(duì)數(shù)放大器中，也常用熱敏電阻組成補(bǔ)償電路，補(bǔ)償由于溫度引起的漂移誤差。 （3）熱敏電阻用于溫度控制及過熱保護(hù) 在電動(dòng)機(jī)的定子繞組中嵌入突變型熱敏電阻并與繼電器串聯(lián)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載時(shí)釘子電流增大，引起發(fā)熱。當(dāng)溫度大于突變點(diǎn)時(shí)，電路中的電流可以由十分之幾毫安突變?yōu)閹资涟?，因此繼電器動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。 熱敏電阻在家用電器中用途也十分廣泛，如空調(diào)與干燥器、電熱水器、電烘箱溫度控制等都用到熱敏電阻。 （4）熱敏電阻用于液面的測(cè)量給NTC熱敏電阻施加一定的加熱電流，它的表面溫度將高于周圍的空氣溫度，此時(shí)它的阻值較小。當(dāng)

30、液面高于它的安裝高度時(shí)，液體將帶走它的熱量，使之溫度下降、阻值升高。判斷它的組織變化，就可以知道液面是否低于設(shè)定值。汽車油箱中的油位報(bào)警傳感器就是利用以上原理制作的。熱敏電阻在汽車中還用于測(cè)量油溫、冷卻水溫等。利用類似的原理，熱敏電阻還可用于氣體流量的測(cè)量[10]。 熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是可測(cè)量到小范圍內(nèi)的溫度，變化率較大，固有電阻大，無需延長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)的誤差補(bǔ)償；其缺點(diǎn)是變化率非線性，不適合測(cè)量高溫區(qū)。 2.2 熱敏電阻溫度測(cè)量計(jì)算 LM285/LM385系列微功率帶隙穩(wěn)壓器二極管。設(shè)計(jì)工作低于10μA到20μA的寬電流范圍。這些器件特征有非常低的動(dòng)態(tài)阻抗、低噪聲以及隨時(shí)間和溫度穩(wěn)定工作。通過片

31、內(nèi)微調(diào)可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的電壓誤差[11]。 根據(jù)公式RT= R0 *EXP(B*(1/T0-1/T1)) 對(duì)上面的公式解釋如下： RT—NTC在熱力學(xué)溫度為T時(shí)的電阻值 R0—NTC在熱力學(xué)溫度為T0時(shí)的電阻值，多數(shù)廠商將T0設(shè)定在298K（25℃） B—熱敏電阻的常數(shù)，它代表熱敏電阻的靈敏度（對(duì)溫度的敏感程度），與熱敏電阻的制造材料有關(guān)。 EXP是e的n次方。 例如作者手頭有一個(gè)MF58502F395型號(hào)的熱敏電阻，參數(shù)如下述。 MF58—— 型號(hào)玻璃封裝 502 —— 常溫25度的標(biāo)稱阻值為5K F —— 允許偏差為1% 395 —— B值為3950K

32、的NTC熱敏電阻 則RT=5000*EXP(3950*(1/T0-1/(273+25)))，這時(shí)候代入T0溫度就可以求出相應(yīng)溫度下熱敏電阻的阻值，注意溫度單位的轉(zhuǎn)換，例如我們要求零上10攝氏度的阻值，那么T0就為(273+10) [12]。 表2-4 熱敏電阻與溫度的計(jì)算關(guān)系 電壓(V) 阻值(kΩ) 溫度(℃) 2.5 11.74344 23.43751102 2.6 10.88461538 24.17382951 2.722 9.94856723 25.05040683 2.8 9.392857143 25.61343778 2.9 8.724137

33、931 26.34001535 3 8.1 27.07383924 3.1 7.516129032 27.8170763 3.2 6.96875 28.57203532 3.3 6.454545455 29.34121239 3.4 5.970588235 30.12734464 3.5 5.514285714 30.93347505 3.6 5.083333333 31.76303268 3.7 4.675675676 32.6199337 3.8 4.289473684 33.50871138 3.9 3.923076923 3

34、4.43468622 4 3.575 35.40419328 4.1 3.243902439 36.42489196 4.2 2.928571429 37.506198 4.3 2.627906977 38.65990092 4.4 2.340909091 39.90107229 4.5 2.066666667 41.24944645 4.6 1.804347826 42.73160309 4.7 1.553191489 44.38458319 4.8 1.3125 46.26223674 4.921 1.034342613 48.9

35、5638108 5 0.86 51.07591312 5.1 0.647058824 54.39779769 5.2 0.442307692 58.94772216 5.3 0.245283019 66.25445123 5.4 0.055555556 86.16654643 2.3 放大電路部分 LM324系列運(yùn)算放大器是價(jià)格便宜的帶差動(dòng)輸入功能的四運(yùn)算放大器?？晒ぷ髟趩坞娫聪?，電壓范圍是3.0V~32V或最大16V[13]。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四運(yùn)算放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1

36、741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。 LM324的特點(diǎn)[14]： (1)短路保護(hù)輸出； (2)真差動(dòng)輸入級(jí)； (3)可單電源工作：3V~32V； (4)低偏置電流：最大100nA； (5)每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器； (6)具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ埽? (7)共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源； (8)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列； (9)輸入端具有靜電保護(hù)功能。 圖2-12 LM324的引腳圖 圖2-13 溫度傳感器經(jīng)過LM324放大電路 溫度傳感器LM35輸出的電壓經(jīng)過LM324反相端輸入放大電路將電壓放大5倍。 2.

37、4 恒流源電路 圖2-14 電子工具箱搭建的恒流源電路 圖2-15用PROTEL畫的恒流源電路 這是最簡(jiǎn)單的偏置電路，偏置電流IB自電源VCC(取VCC=5V)經(jīng)過10kΩ，電阻流通。即這一電路的偏置電流IB可用下式表示： IB=（VCC-UBE）/10=（5-0.7）/10= 0.43mA （2-4） 式中UBE的值對(duì)鍺晶體三極管而言約為0.2V，對(duì)硅晶體三極管而言約為0.6～0.7V。 因此，一旦給定VCC的值，由該電路中的IB就基本決定，所以該電路稱為固定偏置電路。它雖電路簡(jiǎn)單且功耗小，但由于對(duì)溫度的穩(wěn)定性能差，故用于像玩具那樣的放大倍數(shù)不高、保

38、真度要求低的場(chǎng)合。 對(duì)于NPN管來說，三個(gè)電極的電位關(guān)系是：UC> UB > UE； 對(duì)于PNP管來說，三個(gè)電極的電位關(guān)系是：UC< UB < UE。 對(duì)于三極管，它由基極、集電極和發(fā)射極組成。其中三者關(guān)系可以用一下公式來表示： IE= IC+ IB （2-5） 當(dāng)IB=0（將基極開路）時(shí)，IE= IC此時(shí)電流由集電區(qū)穿過基區(qū)流入發(fā)射區(qū)[12]。上圖中 IE=（1.2-0.7）/4.3K=0.1mA （2-6） 所以，IE= IC=0.1 mA，

39、而熱敏電阻兩端的電壓URT=10K0.1mA=1V，然后再將熱敏電阻兩端的電壓輸送到單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換器的C1口。 圖2-16 總電路原理圖 上圖為本設(shè)計(jì)電子體溫計(jì)的總原理圖，以單片機(jī)為核心，溫度傳感器和1602LCD液晶顯示屏為輔件，完成整個(gè)電路圖的搭建。 3 ATmega16單片機(jī) 3.1 ATmega16單片機(jī)硬件介紹 ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾[15]。 ATmega16 AV

40、R 內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 ATmega16有如下特點(diǎn):16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O 口線，32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10

41、位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI 串行端口，以及六個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。 工作于空閑模式時(shí)CPU停止工作，而USART、兩線接口、A/D 轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時(shí)終止CPU 和除了異步定時(shí)器與ADC 以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開關(guān)噪聲；Standby 模式下只有晶體或

42、諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。 本芯片是以Atmel 高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash允許程序存儲(chǔ)器通過ISP 串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過運(yùn)行于AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)(ApplicationFlash Memory)。在更新應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo)Flash區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了RWW操作。通過將8 位RISC CPU

43、與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash 集成在一個(gè)芯片內(nèi)，ATmega16 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmega16具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C 語言編譯器、宏匯編、 程序調(diào)試器/軟件仿真器、仿真器及評(píng)估板[16]。 3.1.1 ATmega16產(chǎn)品特性 高性能、低功耗的8位AVR微處理器； 先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)； 131條指令； 大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期； 32個(gè)8位通用工作寄存器； 全靜態(tài)工作； 工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS； 只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器； 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； 16K字節(jié)的系

44、統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，擦寫壽命: 10，000次； 具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正的同時(shí)讀寫操作； 512 字節(jié)的EEPROM，擦寫壽命: 100，000次； 1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM； 可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密； JTAG 接口(與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容)； 符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能； 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能； 通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程[17]。 （1）外設(shè)特點(diǎn)： 兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； 一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功

45、能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； 具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC； 四通道PWM； 8路10位ADC，8個(gè)單端通道，2個(gè)具有可編程增益（1x， 10x， 或200x）的差分通道； 面向字節(jié)的兩線接口； 兩個(gè)可編程的串行USART； 可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口； 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器； 片內(nèi)模擬比較器； （2）特殊的處理器特點(diǎn)： 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè); 片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC振蕩器; 片內(nèi)/片外中斷源; （3）6種睡眠模式: 空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴(kuò)展的Standby模式。 （4）I/

46、O和封裝 32個(gè)可編程的I/O口 40引腳PDIP封裝， 44引腳TQFP封裝， 與44引腳MLF封裝 （5）工作電壓： ATmega16L：2.7 - 5.5V ATmega16：4.5 - 5.5V （6）速度等級(jí)： 8MHz ATmega16L； 0-16MHz ATmega16； ATmega16L在1MHz， 3V， 25C時(shí)的功耗； 正常模式：1.1Ma； 空閑模式：0.35mA； 掉電模式：< 1μA。 3.1.2 ATmega16 引腳功能 圖3-1 ATmega16引腳圖 VCC：電源正 GND：電源地 端口A(PA7..PA0) ：端口

47、A做為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口A為8 位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口A處于高阻狀態(tài)。 端口B(PB7..PB0) ：端口B為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口B 處于高阻狀態(tài)。端口B 也可以用做其他不同的特殊功能。 端口C(PC7..PC0)

48、：端口C為8 位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口C處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳PC5(TDI)、PC3(TMS)與PC2(TCK)的上拉電阻被激活。端口C也可以用做其他不同的特殊功能。 端口D(PD7..PD0)： 端口D為8位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程

49、中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口D處于高阻狀態(tài)。端口D也可以用做其他不同的特殊功能。 RESET 復(fù)位輸入引腳：持續(xù)時(shí)間超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。持續(xù)時(shí)間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。 XTAL1：反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端。 XTAL2：反向振蕩放大器的輸出端。 AVCC：AVCC是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時(shí)，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。使用ADC時(shí)應(yīng)通過一個(gè)低通濾波器與VCC連接。 AREF ：A/D的模擬基準(zhǔn)輸入引腳[18]。 3.1.3 ATmega16內(nèi)核介紹 為了獲得最高的性能以及并行性， AVR采用了Harvard 結(jié)構(gòu)，

50、具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和程序總線。程序存儲(chǔ)器里的指令通過一級(jí)流水線運(yùn)行。CPU在執(zhí)行一條指令的同時(shí)讀取下一條指令( 在本文稱為預(yù)取)。這個(gè)概念實(shí)現(xiàn)了指令的單時(shí)鐘周期運(yùn)行。程序存儲(chǔ)器是可以在線編程的FLASH。 快速訪問寄存器文件包括32個(gè)8位通用工作寄存器，訪問時(shí)間為一個(gè)時(shí)鐘周期。從而實(shí)現(xiàn)了單時(shí)鐘周期的ALU操作。在典型的ALU操作中，兩個(gè)位于寄存器文件中的操作數(shù)同時(shí)被訪問，然后執(zhí)行運(yùn)算，結(jié)果再被送回到寄存器文件。整個(gè)過程僅需一個(gè)時(shí)鐘周期。 寄存器文件里有6個(gè)寄存器可以用作3個(gè)16位的間接尋址寄存器指針以尋址數(shù)據(jù)空間，實(shí)現(xiàn)高效的地址運(yùn)算。其中一個(gè)指針還可以作為程序存儲(chǔ)器查詢表的地址指針。這些附加

51、的功能寄存器即為16位的X、Y、Z寄存器。 ALU支持寄存器之間以及寄存器和常數(shù)之間的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。ALU也可以執(zhí)行單寄存器操作。運(yùn)算完成之后狀態(tài)寄存器的內(nèi)容得到更新以反映操作結(jié)果。 程序流程通過有/ 無條件的跳轉(zhuǎn)指令和調(diào)用指令來控制，從而直接尋址整個(gè)地址空間。大多數(shù)指令長(zhǎng)度為16位，亦即每個(gè)程序存儲(chǔ)器地址都包含一條16位或32位的指令。 程序存儲(chǔ)器空間分為兩個(gè)區(qū)：引導(dǎo)程序區(qū)(Boot 區(qū))和應(yīng)用程序區(qū)。這兩個(gè)區(qū)都有專門的鎖定位以實(shí)現(xiàn)讀和讀/寫保護(hù)。用于寫應(yīng)用程序區(qū)的SPM指令必須位于引導(dǎo)程序區(qū)。 在中斷和調(diào)用子程序時(shí)返回地址的程序計(jì)數(shù)器(PC)保存于堆棧之中。堆棧位于通用數(shù)據(jù)SRA

52、M，因此其深度僅受限于SRAM的大小。在復(fù)位例程里用戶首先要初始化堆棧指SP。這個(gè)指針位于I/O空間，可以進(jìn)行讀寫訪問。數(shù)據(jù)SRAM可以通過5種不同的尋址模式進(jìn)行訪問。 AVR存儲(chǔ)器空間為線性的平面結(jié)構(gòu)。 AVR有一個(gè)靈活的中斷模塊。控制寄存器位于I/O空間。狀態(tài)寄存器里有全局中斷使能位。每個(gè)中斷在中斷向量表里都有獨(dú)立的中斷向量。各個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)與其在中斷向量表的位置有關(guān)，中斷向量地址越低，優(yōu)先級(jí)越高。 I/O存儲(chǔ)器空間包含64個(gè)可以直接尋址的地址，作為CPU外設(shè)的控制寄存器、SPI，以及其他I/O功能。映射到數(shù)據(jù)空間即為寄存器文件之后的地址0x20 - 0x5F。 3.2 電源管理與

53、睡眠模式 睡眠模式可以使應(yīng)用程序關(guān)閉MCU中沒有使用的模塊，從而降低功耗。AVR 具有不同的睡眠模式，允許用戶根據(jù)自己的應(yīng)用要求實(shí)施剪裁。 進(jìn)入睡眠模式的條件是置位寄存器MCUCR的SE，然后執(zhí)行SLEEP 指令。具體哪一種模式( 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、掉電模式、省電模式、Standby 模式和擴(kuò)展Standby模式) 由MCUCR 的SM2、SM1 和SM0 決定，如表3-1 所示。使能的中斷可以將進(jìn)入睡眠模式的MCU喚醒。經(jīng)過啟動(dòng)時(shí)間，外加4個(gè)時(shí)鐘周期后， MCU就可以運(yùn)行中斷例程了。然后返回到SLEEP的下一條指令。喚醒時(shí)不會(huì)改變寄存器文件和SRAM的內(nèi)容。如果在睡眠過程中

54、發(fā)生了復(fù)位，則MCU 喚醒后從中斷向量開始執(zhí)行。 MCU控制寄存器包含了電源管理的控制位。 表3-1 電源管理控制位 Bits 7， 5， 4 – SM2-0：休眠模式選擇位2、1和0。 Bit 6 – SE：休眠使能。 表3-2 休眠模式選擇 SM2 SM1 SM0 休眠模式 0 0 0 空閑模式 0 0 1 ADC 噪聲抑制模式 0 1 0 掉電模式 0 1 1 省電模式 1 0 0 保留 1 0 1 保留 1 1 0 Standby(1) 模式 1 1 1 擴(kuò)展Standby(1) 模式 3.3

55、 系統(tǒng)控制和復(fù)位 3.3.1 復(fù)位AVR 復(fù)位時(shí)所有的I/O 寄存器都被設(shè)置為初始值，程序從復(fù)位向量處開始執(zhí)行。復(fù)位向量處的指令必須是絕對(duì)跳轉(zhuǎn)JMP 指令，以使程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位處理例程。如果程序永遠(yuǎn)不利用中斷功能，中斷向量可以由一般的程序代碼所覆蓋。這個(gè)處理方法同樣適用于當(dāng)復(fù)位向量位于應(yīng)用程序區(qū)，中斷向量位于Boot 區(qū)—或者反過來 —的時(shí)候。Figure 15 為復(fù)位邏輯的電路圖。Table15則定義了復(fù)位電路的電氣參數(shù)。 復(fù)位源有效時(shí)I/O 端口立即復(fù)位為初始值。此時(shí)不要求任何時(shí)鐘處于正常運(yùn)行狀態(tài)。所有的復(fù)位信號(hào)消失之后，芯片內(nèi)部的一個(gè)延遲計(jì)數(shù)器被激活，將內(nèi)部復(fù)位的時(shí)間延長(zhǎng)。這種處理方

56、式使得在MCU 正常工作之前有一定的時(shí)間讓電源達(dá)到穩(wěn)定的電平。延遲計(jì)數(shù)器的溢出時(shí)間通過熔絲位SUT與CKSEL設(shè)定。ATmega16芯片有如下幾種通過Flash熔絲位進(jìn)行選擇的時(shí)鐘源。時(shí)鐘輸入到AVR時(shí)鐘發(fā)生器，再分配到相應(yīng)的模塊。延遲時(shí)間的選擇請(qǐng)見表3-3。 表3-3 時(shí)鐘源選擇 器件時(shí)鐘選項(xiàng) CKSEL3.0 外部晶體/陶瓷振蕩器 1111 - 1010 外部低頻晶振 1000 - 0101 外部RC 振蕩器 1000 - 0101 標(biāo)定的內(nèi)部RC 振蕩器 0100 - 0001 外部時(shí)鐘 0000 當(dāng)CPU自掉電模式或省電模式喚醒之后，被選擇的時(shí)鐘源用

57、來為啟動(dòng)過程定時(shí)，保證振蕩器在開始執(zhí)行指令之前進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)CPU從復(fù)位開始工作時(shí)，還有額外的延遲時(shí)間以保證在MCU開始正常工作之前電源達(dá)到穩(wěn)定電平。這個(gè)啟動(dòng)時(shí)間的定時(shí)由看門狗振蕩器完成?？撮T狗溢出時(shí)間所對(duì)應(yīng)的WDT振蕩器周期數(shù)列于表3-4。看門狗振蕩器的頻率由工作電壓決定[19]。 表3-4 看門狗振蕩器周期數(shù) 典型的溢出時(shí)間 (VCC = 5.0V) 典型的溢出時(shí)間 (VCC = 3.0V) 時(shí)鐘周期數(shù) 4.1 ms 4.3 ms 4K (4，096) 65 ms 69 ms 64K (65，536) 3.3.2 晶體振蕩器 XTAL1與XTAL2分別為用作

58、片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出，如圖3-2所示，這個(gè)振蕩器可以使用石英晶體，也可以使用陶瓷諧振器。熔絲位CKOPT 用來選擇這兩種放大器模式的其中之一。當(dāng)CKOPT被編程時(shí)振蕩器在輸出引腳產(chǎn)生滿幅度的振蕩。這種模式適合于噪聲環(huán)境，以及需要通過XTAL2驅(qū)動(dòng)第二個(gè)時(shí)鐘緩沖器的情況。而且這種模式的頻率范圍比較寬。當(dāng)保持CKOPT為未編程狀態(tài)時(shí)，振蕩器的輸出信號(hào)幅度比較小。其優(yōu)點(diǎn)是大大降低了功耗，但是頻率范圍比較窄，而且不能驅(qū)動(dòng)其他時(shí)鐘緩沖器。 對(duì)于諧振器，CKOPT未編程時(shí)的最大頻率為8 MHz，CKOPT編程時(shí)為16 MHz。C1和C2的數(shù)值要一樣，不管使用的是晶體還是諧振器。最佳的數(shù)值與

59、使用的晶體或諧振器有關(guān)，還與雜散電容和環(huán)境的電磁噪聲有關(guān)。 圖3-2 晶體振蕩器連接圖 3.3.3 復(fù)位源 ATmega16有5個(gè)復(fù)位源： ? 上電復(fù)位。電源電壓低于上電復(fù)位門限 VPOT時(shí)，MCU復(fù)位。 ? 外部復(fù)位。引腳RESET上的低電平持續(xù)時(shí)間大于最小脈沖寬度時(shí)MCU復(fù)位。 ? 看門狗復(fù)位?？撮T狗使能并且看門狗定時(shí)器溢出時(shí)復(fù)位發(fā)生。 ? 掉電檢測(cè)復(fù)位。掉電檢測(cè)復(fù)位功能使能，且電源電壓低于掉電檢測(cè)復(fù)位門限 VBOT時(shí)MCU即復(fù)位。 ? JTAG AVR復(fù)位。復(fù)位寄存器為1時(shí)MCU復(fù)位[20]。 3.4 AD轉(zhuǎn)換器 ATmega16有一個(gè)10位的逐次逼近型ADC。A

60、DC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以0V(GND)為基準(zhǔn)。器件還支持16路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入(ADC1、ADC0 與ADC3、ADC2)有可編程增益級(jí)，在A/D轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供0dB(1x)、20dB(10x) 或46dB(200x)的放大級(jí)。七路差分模擬輸入通道共享一個(gè)通用負(fù)端(ADC1)，而其他任何ADC 輸入可做為正輸入端。如果使用1x或10x增益，可得到8位分辨率。如果使用200x 增益，可得到7位分辨率。 ADC包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。 ADC由AVCC 引腳

61、單獨(dú)提供電源。AVCC 與VCC 之間的偏差不能超過 0.3V。標(biāo)稱值為2.56V 的基準(zhǔn)電壓，以及AVCC，都位于器件之內(nèi)?；鶞?zhǔn)電壓可以通過在AREF引腳上加一個(gè)電容進(jìn)行解耦，以更好地抑制噪聲。 ADC 通過逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)10位的數(shù)字量。最小值代表GND，最大值代表AREF引腳上的電壓再減去1 LSB。通過寫ADMUX寄存器的REFSn位可以把AVCC 或內(nèi)部2.56V 的參考電壓連接到AREF引腳。在AREF上外加電容可以對(duì)片內(nèi)參考電壓進(jìn)行解耦以提高噪聲抑制性能。模擬輸入通道與差分增益可以通過寫ADMUX 寄存器的MUX 位來選擇。任何ADC輸入引腳，像GND及

62、固定能隙參考電壓，都可以作為ADC的單端輸入。ADC輸入引腳可選做差分增益放大器的正或負(fù)輸入。如果選擇差分通道，通過選擇被選輸入信號(hào)對(duì)的增益因子得到電壓差分放大級(jí)。然后放大值成為ADC的模擬輸入。如果使用單端通道，將繞過增益放大器。通過設(shè)置ADCSRA寄存器的ADEN即可啟動(dòng)ADC。只有當(dāng)ADEN置位時(shí)參考電壓及輸入通道選擇才生效。ADEN清零時(shí)ADC并不耗電，因此建議在進(jìn)入節(jié)能睡眠模式之前關(guān)閉ADC。 ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果為10位，存放于ADC數(shù)據(jù)寄存器ADCH及ADCL中。默認(rèn)情況下轉(zhuǎn)換結(jié)果為右對(duì)齊，但可通過設(shè)置ADMUX寄存器的ADLAR變?yōu)樽髮?duì)齊。如果要求轉(zhuǎn)換結(jié)果左對(duì)齊，且最高只需8 位的

63、轉(zhuǎn)換精度，那么只要讀取ADCH足夠了。否則要先讀ADCL，再讀ADCH，以保證數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容是同一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果一旦讀出ADCL，ADC對(duì)數(shù)據(jù)寄存器的尋址就被阻止了。也就是說，讀取ADCL之后，即使在讀ADCH之前又有一次ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)也不會(huì)更新，從而保證了轉(zhuǎn)換結(jié)果不丟失。ADCH被讀出后， ADC即可再次訪問ADCH及ADCL寄存器。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束可以觸發(fā)中斷。即使由于轉(zhuǎn)換發(fā)生在讀取ADCH與ADCL之間而造成ADC無法訪問數(shù)據(jù)寄存器，并因此丟失了轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，中斷仍將觸發(fā)。 ADC通過逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)10位的數(shù)字量。最小值代表GND，最大值代表AR

64、EF引腳上的電壓再減去1 LSB。通過寫ADMUX寄存器REFSn位可以把AVCC 或內(nèi)部2.56V的參考電壓連接到AREF引腳。在AREF 上外加電容可以對(duì)片內(nèi)參考電壓進(jìn)行解耦以提高噪聲抑制性能。 模擬輸入通道與差分增益可以通過寫ADMUX寄存器的MUX位來選擇。任何ADC輸入引腳，像GND及固定能隙參考電壓，都可以作為ADC的單端輸入。ADC輸入引腳可選做差分增益放大器的正或負(fù)輸入。 如果選擇差分通道，通過選擇被選輸入信號(hào)對(duì)的增益因子得到電壓差分放大級(jí)。然后放大值成為ADC的模擬輸入。如果使用單端通道，將繞過增益放大器。通過設(shè)置ADCSRA 寄存器的ADEN即可啟動(dòng)ADC。只有當(dāng)ADE

65、N置位時(shí)參考電壓及輸入通道選擇才生效。ADEN 清零時(shí)ADC并不耗電，因此建議在進(jìn)入節(jié)能睡眠模式之前關(guān)閉ADC。 4 液晶屏JXD1602 LCD是液晶顯示屏，主要是用來做面顯示的，它本身不發(fā)光，然后通過電流使屏幕產(chǎn)生各種顏色的渾濁現(xiàn)象，后置一個(gè)光源來透過前面的LCD面板使人看到圖案。LED是發(fā)光二極管，它本身是點(diǎn)光源，就是說發(fā)出來的光不是一個(gè)面，而是一個(gè)點(diǎn)。也有用LED做顯示屏的，相對(duì)于液晶顯示屏來說，LED適合于室外以及室內(nèi)大屏幕觀看距離稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)的情況，因?yàn)長(zhǎng)ED顯示屏的分辨率肯定遠(yuǎn)遠(yuǎn)小過LCD。還有一點(diǎn)就是由于LED與LCD的功耗比大約為10:1，所以本設(shè)計(jì)部采用LE

66、D顯示。 液晶顯示器（LCD）由于體積小、重量輕、耗電小等優(yōu)點(diǎn)已成為各種嵌入式系統(tǒng)的常用的理想顯示器。近年來，液晶顯示器技術(shù)的發(fā)展迅猛，大面積的液晶顯示器已開始取代CRT顯示器，在使用電池供電的嵌入式電子產(chǎn)品中，如手機(jī)、PDA、家電產(chǎn)品、儀器儀表產(chǎn)品等，液晶顯示器是首選的顯示器。 4.1液晶顯示簡(jiǎn)介 4.1.1液晶顯示原理 液晶顯示器利用液晶的物理特性， 通過外加電壓對(duì)顯示區(qū)域進(jìn)行控制， 可以顯示字符或圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)， 廣泛用于便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、PDA、移動(dòng)通信工具等領(lǐng)域。 4.1.2液晶顯示器的分類 液晶顯示的分類方法很多， 按顯示方式可分為段式、字符式、點(diǎn)陣式等。除了黑白顯示外， 液晶顯示器還有多灰度、彩色顯示等。如果根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式，可以分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)。、單純矩陣驅(qū)動(dòng)和主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)等三種。 4.2 1602字符型LCD簡(jiǎn)介 1602字符型液晶顯示模塊是專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣式LCD，目前常用的有16X1、16X2、20X2和40X2行等。下面以1602字符型液晶