基于AVR單片機(jī)的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉紅梅，譚傳武

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電務(wù)學(xué)院，湖南株洲 412001）

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及5G 移動通信技術(shù)的不斷商用及人們生活水平的不斷提高[1-2]，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等實際生產(chǎn)場景中，溫濕度、光照、噪聲等因素能直接影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效果[3-4]，市場上各類傳感器能實時準(zhǔn)確地監(jiān)測環(huán)境參數(shù)[5]，但往往監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)單一[6]，且成本較高[7-8]，鑒于監(jiān)測與控制在日常生活中不斷普及，比如空調(diào)、冰箱、教學(xué)用物理實驗裝置等都需要對各類參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與控制[9-10]，該文結(jié)合現(xiàn)有監(jiān)測裝置的優(yōu)缺點，采用AVR 單片機(jī)改進(jìn)和設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)能實時、高效、準(zhǔn)確地采集各類信息，在物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)及5G 商用的背景下，研究監(jiān)測系統(tǒng)具有一定的實踐意義[11]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)硬件包括ATmega128 系統(tǒng)電路、液晶顯示接口電路、電壓電流模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和串行通信接口電路。所有的這些電路部分組合在一起構(gòu)成一個下位機(jī)的硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件模塊連接框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件模塊框圖

2 關(guān)鍵電路設(shè)計

1）主控模塊

如圖2所示，ATmega128選用了外部14.745 6 MHz的晶振，其工作頻率既快又穩(wěn)定[12]，電源的+5 V 端與芯片的VCC 和AVCC 引腳相連、而0 V 端則連接到GND 和PEN 引腳，VCC 與GND 之間還連接有去耦電容，以濾除電源中的紋波[13]，屏蔽外部干擾。

圖2 ATmega128的最小系統(tǒng)電路圖

2）顯示模塊

系統(tǒng)液晶顯示接口電路設(shè)計如圖3 所示。

圖3 中電路的引腳與液晶屏引腳相連，外部復(fù)位引腳9與一個自動復(fù)位電路相連，當(dāng)啟動硬件時，可以對電路進(jìn)行自動復(fù)位。D0～D7引腳與ATmega128的PA 口相連，在VEE、VO 和GND 端接了一個阻值為10 kΩ的電位器，對液晶屏的背光亮度進(jìn)行控制。

圖3 液晶顯示接口電路

3）模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

傳感器獲取被測信號后轉(zhuǎn)化為電壓或者電流，通過雙通道全差分模擬輸入的AD7705 進(jìn)行轉(zhuǎn)換[15]，通道1 為電壓輸入，如圖4 所示，通道2 為電流輸入，轉(zhuǎn)化電路如圖5 所示。

圖4 電壓轉(zhuǎn)化電路圖

圖5 電流轉(zhuǎn)化電路圖

AD7705 最大測量電壓為+2.5 V[16]，當(dāng)被測信號電壓值過高，輸入信號須先經(jīng)過相應(yīng)的降壓或轉(zhuǎn)換處理。圖4 的電路中，測量電壓是從Pad1 接頭輸入的，而串聯(lián)電阻RAD1和電阻RAD2兩端的電壓即為所要測量的電壓。

在第3小節(jié)中，詩人通過“鄉(xiāng)愁是一方矮矮的墳?zāi)埂边@一句式來表達(dá)自己對已逝母親的無限哀思。如圖2所示，在“鄉(xiāng)愁是墳?zāi)埂边@一看似隱喻但實為偽隱喻的結(jié)構(gòu)中，我們無法通過由源域向目標(biāo)域的映射直接從具體的“墳?zāi)埂鲍@得對抽象的“鄉(xiāng)愁”的語義解釋，這是因為“墳?zāi)埂逼鋵嵤寝D(zhuǎn)喻的源域或喻體，而要正確理解這一轉(zhuǎn)喻喻體的涵義則需要我們在其ICM框架內(nèi)給予解釋。那么，詩人選用“墳?zāi)埂币辉~背后的ICM是什么呢？

在圖5 的電路里，流過加熱電阻器的電流是從Pad2 接頭的引腳1 流入，再從引腳2 流出的。在這個兩個引腳之間加入了一個阻值為0.5 Ω的電阻RAD3，相對加熱電阻器的阻值來說這個電阻阻值非常小，可以忽略不計，對電流的變化不會產(chǎn)生影響。要得到電流值，只需要測量RAD3兩端的分壓，由于阻值是已知的，再使用歐姆定律便可算出電流值。

在圖6 中，AD7795 使用了外部的晶振電路和自動復(fù)位電路,AD7705BR 使用SPI 總線與ATmege128進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，片選引腳4 通過ATmega128 來控制片選信號有效。

圖6 AD7705BR模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

4）串行通信模塊

串行通信的MAX232D 電平轉(zhuǎn)換電路如圖7 所示，電路中串行輸入RXD，串行輸出TXD 分別與ATmega128 的RXD0 和TXD0 連接。

圖7 MAX232D電平轉(zhuǎn)換電路

5）電源模塊

系統(tǒng)電源電路原理圖如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)電源電路原理圖

采用半導(dǎo)體直流穩(wěn)壓電源供電，使用3 種共地電源，即+12 V，-12 V 和+5 V 的VCC，共地端為GND。硬件模塊中除模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊AD7705BR 使用+12 V和-12 V外，其他所有硬件模塊都只是使用+5 V電源。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵程序設(shè)計

1）協(xié)議格式定義

表1 協(xié)議格式定義

上位機(jī)發(fā)送和下位機(jī)返回的命令設(shè)計如表2所示。

表2 上位機(jī)發(fā)送和下位機(jī)返回命令

2）主控模塊程序設(shè)計

ATmega128 初始化包括對各I/O 口、SPI 總線、定時器、以及USART 即串行異步通信口的初始化。

I/O 口：I/O 口的初始化就是設(shè)置各個I/O 口的輸入輸出方式，以及是否設(shè)置上拉電阻或初始化的輸出是邏輯0 還是邏輯1。各個I/O 口的初始化程序如下：

SPI 總線初始化設(shè)置為：ATmega128 為主機(jī)模式；串行數(shù)據(jù)發(fā)送時，高位MSB 在前，LSB 在后；時鐘速率為fck/16 即460k；SCK 空閑時為高電平,下降沿為起始沿，上升沿為結(jié)束沿，結(jié)束沿采樣，下降沿設(shè)置，初始化程序如下：

定時器初始化設(shè)置為：TCNT0 的初始值；OCR0的匹配值；定時器中斷允許；定器的時鐘源分步設(shè)置。初始化程序如下：

串口初始化對USART0 進(jìn)行設(shè)置，包括：發(fā)送和接收中斷的充許；工作模式的選擇；波特率的設(shè)置；奇偶校驗；停止位和發(fā)送數(shù)據(jù)長度設(shè)置。USART0的初始化程序如下：

3）模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊程序設(shè)計

AD7705 與ATmega128 數(shù)據(jù)傳遞通過SP 總線數(shù)據(jù)傳遞函數(shù)SPI_TranByte()進(jìn)行，AD7705 初始化設(shè)置刷新周期、增益倍數(shù)、通道選擇和是否為緩沖區(qū)方式。SPI_TranByte()函數(shù)和AD7705 初始化程序如下：

4）顯示模塊程序設(shè)計

ATmega128 對T6963C 的數(shù)據(jù)或命令的傳遞是通過數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)SendData()和命令發(fā)送函數(shù)SendCom1()、SendCom2()、SendCom3()進(jìn) 行。T6963C的初始化包括：設(shè)置文本或圖形顯示方式；設(shè)置圖形顯示方式的區(qū)域首地址和寬度；還有清屏即設(shè)置顯示RAM 區(qū)指針地址為0000H。清屏函數(shù)ClearScreen()和T6963C 的初始化程序如下：

4 系統(tǒng)調(diào)試

采用串口調(diào)試工具完成了硬件調(diào)試，系統(tǒng)硬件通信正常，測試系統(tǒng)的功能如圖9 所示，可以看出系統(tǒng)能實時顯示溫度的變化。

圖9 系統(tǒng)功能測試

5 結(jié)論

該文設(shè)計了一種智能監(jiān)測系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，經(jīng)過綜合調(diào)試和測試，驗證了該監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)合理、性能可靠、操作方便。由于時間和實驗條件的限制，該系統(tǒng)設(shè)計仍有一些缺憾和不足，沒有更多地考慮下位機(jī)的抗干擾能力，還有待進(jìn)一步完善。