2022年某信息工程学院毕业设计调研报 .pdf

大连交通大学信息工程学院毕业设计 ( 论文) 调研报告学生姓名宋昱专业班级自动化07-4 指导教师薛旭职称工程师所在单位自动化教研室教研室主任魏庆涛精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 9 页完成日期 2011年 04 月 8 日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 9 页调研报告1.AVR单片机简介AVR 单片机是 ATMEL 公司研制开发的一种新型单片机，它与51 单片机、 PIC单片机相比具有一系列的优点：1：在相同的系统时钟下AVR运行速度最快； 2: 芯片内部的Flash 、EEPROM、SRAM 容量较大； 3：所有型号的 Flash 、EEPROM 都可以反复烧写、全部支持在线编程烧写 (ISP) ；4：多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，零外围电路也可以工作；5：每个 IO 口都可以推换驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强； 6：内部资源丰富，一般都集成AD 、DA模数器； PWM；SPI、USART 、TWI 、I2C 通信口；丰富的中断源等。目前支持AVR单片机编译器的语言主要有汇编语言、 C语言、BASIC语言等。其中 C编译器主要有 CodeVisionAVR、AVRGCC、IAR、ICCAVR等，C 语言编译器由于它具有功能强大、运用灵活、代码小、运行速度快等先天性的优点，使得它在专业程序设计上具有不可代替的地位。AVR单片机是 1997 年由ATMEL 公司研发出的增强型内置Flash 的 RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精简指令集高速 8 位单片机。 AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。2.AVR的主要特性高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位 , 一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，所以采取稳妥技术方案：即采用较高的分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。以后的 CMOS 单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未被彻底改观(51 以及 51 兼容) 。此间虽有某些精简指令集单片机(RISC)问世, 但依然沿袭对时钟分频的作法。AVR单片机的推出， 彻底打破这种旧设计格局， 废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中(指令集中占大多数的单周期指令都是如此)，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。AVR单片机硬件结构采取8 位机与 16 位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆(32 个寄存器文件 ) 和单体高速输入/ 输出的技术方案 ( 即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑) 。提高了指令执行速度 (1Mips/MHz) ，克服了瓶颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设经管的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故AVR单片机在软 / 硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。AVR单片机内嵌高质量的Flash 程序存储器，擦写方便，支持ISP 和 IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新、以及嵌长寿命的 EPROM 可长期保存关键数据，避免断电丢失。片内大容量的RAM 不仅能精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 9 页满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序, 并可像 MCS-51单片机那样扩展外部 RAM 。AVR单片机的 I/O 线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入 / 输出、可设定（初始）高阻输入、驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性，使的得 I/O 口的资源灵活、功能强大、可充分利用。AVR单片机片内具备多种独立的时钟分频器，分别供URAT 、I2C、SPI 使用。其中与 8/16 位定时器配合的具有多达10 位的预分频器，可通过软件设定分频系数提供多种档次的定时时间。AVR 单片机独有的“以定时器 / 计数器（单）双向计数形成三角波，再与输出比较匹配寄存器配合，生成占空比可变、频率可变、相位可变方波的设计方法( 即脉宽调制输出PWM) ”更是令人耳目一新。增强性的高速同 / 异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验侦错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串口功能大大超过 MCS-51/96单片机的串口，加之AVR单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波特率通讯。面向字节的高速硬件串行接口TWI 、SPI。TWI与 I2C 接口兼容，具备 ACK 信号硬件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能，能实现主/ 从机的收 / 发全部 4 种组合的多机通信。SPI 支持主 / 从机等 4 种组合的多机通信。 AVR 单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路BOD ，多个复位源 ( 自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD 复位) ，可设置的启动后延时运行程序， 增强了嵌入式系统的可靠性。 AVR单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行（5-2.7V ） ，抗干扰能力强，可降低一般 8 位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。 AVR单片机技术体现了单片机集多种器件 ( 包括 FLASH程序存储器、看门狗、 EEPROM、同/ 异步串行口、 TWI 、SPI、A/D模数转换器、定时器 / 计数器等 ) 和多种功能 ( 增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器/ 计数器、具替换功能的I/O 端口 ) 于一身，充分体现了单片机技术的从“片自为战”向“片上系统Sac”过渡的发展方向。3. 热电阻工作原理热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成规范的基准仪。与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即Rt=Rt0*1+ * （t-t0）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 9 页式中， Rt 为温度 t 时的阻值； Rt0 为温度 t0 （通常 t0=0）时对应电阻值；为温度系数。半导体热敏电阻的阻值和温度关系为Rt=A。e*B/t 式中 Ret 为温度为 t 时的阻值； Ace、B取决于半导体材料的结构的常数。相比较而言，热敏电阻的温度系数更大， 常温下的电阻值更高 （通常在数千欧以上） ，但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50300左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200500范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。4.I2C 总线介绍：由于大规模集成电路技术的发展，在单个芯片集成CPU 以及组成一个单独工作系统所必须的 ROM 、RAM 、I/O 端口、A/D、D/A 等外围电路和已经实现，这就是常说的单片机或微控制器。 目前，世界上许多公司生产单片机， 品种很多：包括各种字长的 CPU ，各种容量和品种的ROM 、RAM ，以及功能各异的I/O 等等。但是，单片机品种规格有限，所以只能选用某种单片机再进行扩展。扩展的方法有两种：一种是并行总线，另一种是串行总线。由于串行总线连线少，结构简单，往往不用专用的母板和插座而直接用导线连接各个设备即可。因此，采用串行总线大大简化了系统硬件设计。PHILIPS公司早在十几年就前推出了I2C 串行总线，它是具备多主机系统所需的包括裁决和高低速设备同步等功能的高性能串行总线。4.1 编辑本段 I2C 总线定义I2C(Inter Integrated Circuit) 总线是一种由 PHILIPS 公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C 总线产生于在 80 年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器经管中使用，其中包括单个组件状态的通信。例如经管员可对各个组件进行查询， 以经管系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了经管。4.2 编辑本段 I2C 总线特点I2C 总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C 总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达 25 英尺，并且能够以 10Kbps 的最大传输速率支持40 个组件。 I2C 总线的另一个优点是，它支持多主控，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 9 页编辑本段 I2C 总线工作原理4.3 总线的构成及信号类型I2C 总线是由数据线 SDA 和时钟 SCL 构成的串行总线， 可发送和接收数据。 在 CPU与被控 IC 之间、IC 与 IC 之间进行双向传送， 最高传送速率 100kbps 。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C 总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。CPU 发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。I2C 总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。开始信号： SCL 为高电平时， SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束信号： SCL 为高电平时， SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。应答信号：接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后，向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU 向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号， CPU 接收到应答信号后，根据实际情况做出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C 接口。 带有 I2C 接口的单片机有：CYGNAL的 C8051F0XX 系列， PHILIPSP87LPC7XX系列， MICROCHIP 的 PIC16C6XX 系列等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供I2C 接口I2C 总线是一种用于IC 器件之间连接的双向二线制总线，所谓总线它上面可以挂多个器件，并且通过两根线连接，占用空间非常的小，总线的长度可长达25 英尺，并且能够以 10Kbps 的最大传输速率支持4 个组件。它的另一优点是多主控，只要能够进行接收和发送的设备都可以成为主控制器，当然多个主控不能同一时间工作。I2C 总线有两根信号线，一根为SDA（数据线），一根为SCL（时钟线）。任何时候时钟信号都是由主控器件产生。编辑本段 I2C 总线操作I2C 规程运用主 /从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。 SDA 线上的数据状态仅在SCL 为低电平的期间才能改变，SCL 为高电平的期间， SDA 状态的改变被用来表示起始和停止条件。控制字节精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 9 页在起始条件之后，必须是器件的控制字节，其中高四位为器件类型识别符（不同的芯片类型有不同的定义， EEPROM 一般应为 1010），接着三位为片选，最后一位为读写位，当为 1 时为读操作，为 0 时为写操作。写操作写操作分为字节写和页面写成两种操作，对于页面写根据芯片的一次装载的字节不同有所不同。读操作读操作有三种基本操作：当前地址读、随机读和顺序读。图4 给出的是顺序读的时序图。应当注意的是： 最后一个读操作的第9 个时钟周期不是 “ 不关心 ” 。为了结束读操作，主机必须在第 9 个周期内发出停止条件或者在第9 个时钟周期内保持SDA 为高电平、然后发出停止条件。编辑本段 I2C 总线应用目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C 接口。 带有 I2C 接口的单片机有：CYGNAL的 C8051F0XX 系列， PHILIPSP87LPC7XX系列， MICROCHIP 的 PIC16C6XX 系列等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供I2C 接口。44 功能和如何实现I2C 总线控制器和 I2C 设备。 I2C 总线控制器为微控制器或微处理器提供控制I2C 总线的接口，它控制所有I2C 总线的特殊序列、协议、仲裁、时序，这里指MPC8250 提供的 I2C 总线控制接口。I2C 设备是指通过 I2C 总线与微控制器或微处理器相连的设备，如 EEPROM 、LCD 驱动器等，这里指EEPROM 。在一个串行数据通道中 .I2C 总线控制器可以配置成主模式或从模式。开发过程中，MPC8250 的 I2C 总线控制器工作在主模式，作为主设备；与总线相连的I2C 设备为AT24C01A 型 EEPROM ，作为从设备。 主设备和从设备都可以工作于接收和发送状态。总线必须由主设备控制，主设备产生串行时钟控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。5 进度表日期计划完成内容第 1 周查阅资料，分解课题任务，完成进度表第 2 周整理完成 3000 字调研报告第 3 周完成 3000 字的外文翻译精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 9 页第 4 周熟悉 AVR系列 ATmega168 单片机的指令和硬件结构第 5 周熟悉传感器 PT100型热电阻测温原理和I2C 总线第 6 周温度控制系统的总体技术方案设计第 7 周进行电路的电子器件选型第 8 周温度控制系统硬件电路设计第 9 周进行电路模块的测试第 10周对设计的总电路进行调试第 11周整理资料，写毕业设计说明书第 12周修改并完善毕业设计说明书第 13周修改并完善毕业设计说明书第 14周制作 POWERPOINT,准备论文答辩6 参考文献1 秦曾煌 . 电工学电子技术 . 北京: 高等教育出版社， 2004. 2 赵家贵 . 电子电路设计 . 北京: 中国计量出版社， 2005 3 王魁汉 . 温度测量技术的发展 . 世界仪表与自动化编， 1997，1(1) ：25-29 4 蔡萍，赵辉 . 现代检测技术与系统 . 北京：高等教育出版社，2002 5 周培森 . 自动检测与仪表 . 北京：清华大学出版社， 1996 6 李华. 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