嵌入式课程设计解读

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1、基于 ATmega16 AVR智能宿舍系统的开发班级：自硕 1401学号： G20148513姓名：马才2015.04i目录1. 引言 .12.基本方法 . .22.1主电路部分 .22.2上位机部分 .23.硬件设计及嵌入式操作系统 . .13.1硬件设计 .13.1.1微控制器选取方案 . .13.1.2最小系统 .23.1.3电源及继电器模块 . .33.1.4温湿度检测模块 . .33.1.5蓝牙模块 .63.1.6数码管及移位寄存器 . .73.1.7灯及风扇模块 . .103.1.8数字电位器 .103.1.9时钟模块 .123.2嵌入式操作系统 . .154.硬件原理结构框图 .

2、 .175.任务划分及程序框图 . .185.1任务划分 .185.2程序框图 .186.PCB设计及成本估计 .196.1 PCB 设计图 .196.2成本估算 .196.2.1单个系统开发成本 . .196.2.2批量系统成本 . .197.设计总结 . .208.参考文献 . .21ii1.引言当今社会，大学生是一个独立的群体，也是很有特色的群体，他们的日常生活开始得到了越来越多的关注。随着智慧家居概念的提出，人们越来越多地向往着科幻片中才该存在的生活。本设计从大学生的宿舍生活出发，采用目前最流行最主流的安卓手机作为控制终端，实现对宿舍内的设施（如风扇，台灯等）遥控操作，真正实现宿舍智能

3、化，可以极大地方便大学生的宿舍生活。本作品采用手机控制，方便快捷，易于推广，很好的迎合了当下大学生对智能手机的要求；整个体统都具有低功耗的特点，掉电保护避免了电能的不必要浪费；同时本设计具有许多智能化的功能，温湿度报警，托管模式，定时开关等等，这些设计让产品更加人性化，智能化。随着社会的发展，越来越多的大学生追求方便而又高效的生活。随着现代信息技术和 Internet技术的飞速发展 , 各种各样的数字化产品得到普及 ; 嵌入式系统已经渗透于现代生活的各个角落手机、 微波炉、取款机、智能玩具、电子商务、工控设备、通信设备、医疗器械、航天航空、军事装备等等。这些技术而得来的产品进入大学宿舍只是早晚

4、问题。本作品立足于大学宿舍，目的在于另大学宿舍生活更加方便，更具有趣味性。本作品操作方便，功能多且实用，非常适合应用于大学生宿舍。首先控制终端在手机上，任何一款安卓手机在安装了相应的应用程序后即可对实物控制部分进行遥控操作和实时的读取和校正数据。方便快捷，体现了作品的科学性；同时控制终端自身具备许多实用的功能，如温湿度报警，风扇，台灯的定时开关，掉电保护，托管模式等等，贴近大学生宿舍生活，更具人性化，很好的体现了作品的先进性。整套作品选取安卓手机作为控制终端，被控制对相象为 Mega16 电路板，手机通过蓝牙与单片机进行通信，下达命令，单片机通过驱动电路板上的外设来驱动台灯和风扇，进而达到控制

5、的目的。不仅方便实用，而且很受欢迎。其中有广大大学生深深喜爱的掉电保护功能，有更加动人的手机主板同步显示功能，令大学宿舍生活更具有趣味性，更加方便。12.基本方法2.1 主电路部分本设计主控芯片采用 mega16单片机 ， 编程软件为 ICCAVR8 。编程中时序非常重要，故在以后的介绍中将附上各个芯片的时序图。图 2.1 为作品功能图。作品具有时间校正显示，温湿度检测及手机数码管同步显示温湿度。可通过手机调节灯的亮暗和风扇转速的大小。以及定时关闭，温度检测报警等功能。这些只是初步的功能，未来我们将加上更多功能，立志于做出大大方便广大大学生宿舍生活的作品。图 2.1 功能总览图2.2 上位机部

6、分本设计上位机采用 Android 系统手机。Android 系统是 Google在 2007 年发布的基于 Linux 平台的开源手机操作系统。近年来，基于此平台的手机市场占有率不断提高，加上其良好的开放性和丰富的API 接口，可以很方便地开发各种应用程序。1）Android 系统结构简介2Android 系统架构见图 1.1，它建立于 Linux 内核之上，包含了各种设备驱动和管理模块，囊括了非常齐全的类库和框架，包括轻量级数据库 SQLite、浏览器 Webkit等。整个系统建立在 Dalvik 虚拟机上，应用程序使用 Java语言编写。 Android 系统提供了丰富的框架（活动管理、

7、位置管理等）来管理系统的软、硬件资源，整合了常用的应用程序（联系人、电话本等），并开放了很全面的API 供用户使用，整个平台具有良好的开放性和扩展性。图 1.1Android 系统架构图2) Activity 生命周期Android 系统上运行的应用程序一般包含一个或多个Activity ，主要由活动管理器进行管理， Activity 是 Android 系统分配和管理资源的基本单位。每个Activity 都有其对应的生命周期，如图 1.2。3图 1.2 Activity 的生命周期onCreate()方法在活动开始时调用，并依次调 onStart() 方法和 onResume()方法，Act

8、ivity 处于运行状态，如有新活动启动，则调用onPause()，活动转入后台；如内存不足，活动进程则被关闭。退出程序则会依次调用onStop()和 onDestroy()。活动管理器对Activity 的管理体现在不同生命周期对以上几个方法的调用上，用户可根据自己的需要重载这几个方法。一般来讲，主程序类继承Activity 类，用户的功能代码在重载这些方法中实现。43.硬件设计及嵌入式操作系统3.1 硬件设计微控制器选取方案在该系统的两个组成部分中，都存在着 MCU的选取问题， MCU的性能及其成本决定着整个系统的性能和成本。在异地监控站部分，MCU主要是对温度传感器和湿度传感器进时监控、

9、记录宿舍内的安防情况以及当警报发生时通过手机完成人机交互的的目的，因此可以有三种主控单元的选择方案。方案一：选用 FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。 FPGA作为新一代的可编程器件使得其应用较为灵活，功能从简单到复杂都可以实现，但是在该系统中，若使用 FPGA则会提高系统的成本，同时由于增加的 FPGA, 也会给电路的维修工作带来不可必要的麻烦。方案二：选用 ATMEL公司生产的 AT89C51单片机。 AT89C51单片机是 8位的单片机，有32个 I/0构成1，对于该系统来说端口不够使用，而且如果从机更多的话 , 单片机内部存储空间不够。方案三：ATmega16是基于增强的 A

10、VR 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。 它编程简单，操作容易。它 用于边界扫描的 JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器 /计数器 (T/C),片内/外中断，可编程串行 USART ，有起始条件检测器的通用串行接口，8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装 ) 的 ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲

11、模式时CPU 停止工作，而USART 、两线接口、A/D 转换器、 SRAM 、 T/C、 SPI 端口以及中断系统继续工作。综上，将 ATmega16单片机作为主控单元的最终选取方案。1作品中 mega16 芯片的外部供电电压为5V。用电源适配器产生 12V 电压，同过稳压芯片是电压稳定在 5,用于主控制器的供电。Mega16 的工作电压：-ATmega16L ：2.7 5.5V-ATmega16：4.5-5.5V最小系统作品设计的最小系统为以主控制器mega16 核心的外部有源晶振，供电电源、复位电路、 ISP 下载器电路组成。作品中需要三个供电电压， 其一是电子继电器的供电电压，为12V

12、 。控制器的供电电压，为 5V，以及灯和电扇的供电电压，为可调电压在012V 之间。考虑到作品稳定性，振荡产生使用有源晶振，振荡频率为16MHz 。大大提高系统运行速度。由于 mega16 为高电位复位，因此使用了电容端接地复位方式。图 3.1 主控芯片2电源及继电器模块作品采用 12V 直接供电，用稳压器将 12V 稳压到 5V，用于主控器供电。继电器用于断电保护，断电又来电之后 PD2 电位发生变化，进而触发 mega16 外部中断，此时控制 PA1 端口电位可以通过 NPN 三极管控制继电器关闭使台灯保持灭的状态。图 3.2 电源及继电器模块温湿度检测模块本作品选用 DHT11 温湿度传

13、感器。DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。通过主控芯片PA0对温湿度进行读数操作。其通信方式为单总线传输。部分调试程序如下：3UINT8 DHT11Start(void) /dht11 开始标志SINT16 counter = WAIT_TIME ;DHT11_OUT;/DATA 设置为输出DHT11_DATA_

14、LOW;/主机拉低 50msDelay_ms(25);DHT11_DATA_HIGH;/总线由上拉电阻拉高主机延时 2040us选 30usDelay_us(40);DHT11_IN;/主机设为输入 判断从机响应信号Delay_us(10);counter = WAIT_TIME ;while(!BitIsSet(DHT11_PIN, DHT11_DATA) & counter- 0); if(counter 0);/判断从机是否发出 80us? 的低电平响应信号是否结束if(counter 1)return 2 ;for(i=0;i 0 );if(counter 1)return 2 ;De

15、lay_us(30);/延时 30S 后再进行判断是不是高电平，从而确定传输的数据是0 还是 1if(BitIsSet(DHT11_PIN, DHT11_DATA)4databyte=1 ;databyte|=0x01;/持续高电平超过 30us 说明是 1elsedatabyte 0 ); if(counter 1)return 3 ;以上程序的作用是：主板向 DHT11 发出开始信号，芯片开始工作。 DHT11 数据的读取及判断也在其中有所体现，读取的值将在数码管上显示出来。图为读取数据的时序图：图 3.3DHT11 时序图、图 3.4温湿度模块图5蓝牙模块本作品通过蓝牙与手机通信实现数据

16、传输。 蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般 10m 内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用 “蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网 Internet 之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙与主控芯片之间用串口通信。图 3.5 为蓝牙模块图。3.5蓝牙模块图部分程序如下：void uart0_init(void)CLI();UCSRB = 0x00; /disable while setting baud rateUCSRA = 0x00;UCSRB

17、 |= (1 3) | (1 4) | (1 7) ;UCSRC |= (1 1) | (1 2) ;UBRRL = 0x33; /set baud rate loUBRRH = 0x00; /set baud rate hiSEI();6#pragma interrupt_handler uart0_rx_isr:iv_USART0_RXCvoid uart0_rx_isr(void)receive = UDR;ReceiveYaokong();以上程序的功能是：蓝牙开始串口通信，以及一个相关外部中端，以控制接收数据。数码管及移位寄存器移位寄存器采用 74HC595 芯片，用两个 74HC5

18、95 将主控器的 3 个管教引申为 16 个管脚，分别控制数码管的段选及位选，从而让数码管显示相应图案。移位寄存器与主控芯片之间的通信方式为 SPI 通信。图为移位寄存器功能表，部分程序如下：void DataSendTo74HC595(UINT8 data_send)UINT8 i , data_temp = 0 ;data_temp = data_send ;for(i = 0; i 8; i+)if( BitIsSet(data_temp, (7- i)HC595_DATA_HIGH ;elseHC595_DATA_LOW ;HC595_SCLK_HIGH ;/给一个上升沿HC595_S

19、CLK_LOW ;7void HC595_Display_Bit(UINT8 bit, UINT8 data)HC595_LCLK_LOW ;HC595_SCLK_LOW ;DataSendTo74HC595( (1 100)data = 100 ;data = 230 - data 1 ;MCP410_2_CS_LOW ;for(i = 0; i 8; i+)if( (command_temp & 0x80) = 0)MCP410_2_SDI_HIGH ;elseMCP410_2_SDI_LOW ;MCP410_2_SCK_HIGH ;Delay_us(5) ;MCP410_2_SCK_LO

20、W ;command_temp = 1;Delay_us(5) ;for(i = 0; i 8; i+)if( (data & 0x80) = 0)MCP410_2_SDI_HIGH ;elseMCP410_2_SDI_LOW ;11MCP410_2_SCK_HIGH ;Delay_us(5) ;MCP410_2_SCK_LOW ;data = 1;Delay_us(5) ;MCP410_2_CS_HIGH ;以上程序的作用是发送数据给与灯连接的数字电位器，让电位器的阻值为自己调整的值。时钟模块时钟芯片选用 DS1302，DS1302是美国 DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带 RAM

21、的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为 2.5V5.5V。采用三线接口与 CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 RAM数据。采用 5V 供电。可用电池对其进行供电。图 3.9 为时钟模块图。图 3.9时钟模块图对时钟芯片 DS1302 的操作部分程序如下：UINT8 ReadDS1302(UINT8 address)12UINT8 i = 0, data = 0 ;DS1302_RST_L ;DS1302_IO_OUT ;DS1302_SCLK_L ;DS1302_RST_H ;for (i = 0; i = 1

22、;DS1302_SCLK_H ;DS1302_SCLK_L ;DS1302_IO_IN ;for (i = 0; i = 1 ;if (DS1302_IO_PIN & (1 DS1302_IO)data |= 0x80 ;DS1302_SCLK_H ;DS1302_SCLK_L ;DS1302_RST_L ;return data ;void WriteDS1302(UINT8 address, UINT8 data)13UINT8 i = 0 ;DS1302_RST_L ;DS1302_IO_OUT ;DS1302_SCLK_L ;DS1302_RST_H ;for (i = 0; i =

23、1 ;DS1302_SCLK_H ;DS1302_SCLK_L ;for (i = 0; i = 1 ;Delay_us(1) ;DS1302_SCLK_H ;DS1302_SCLK_L ;DS1302_RST_L ;void DS1302SetYear(UINT16 year)14UINT16 data = 0 ;data = year - 2000 ;data = (year % 100) / 10 * 16 + year % 10 ;WriteDS1302(DS1302_YEAR_WRITE, data) ;void DS1302SetMonth(UINT8 month)UINT8 da

24、ta = 0 ;data = month / 10 * 16 + month % 10 ;WriteDS1302(DS1302_MONTH_WRITE, data) ;void DS1302SetDay(UINT8 day)UINT8 data = 0 ;data = day / 10 * 16 + day % 10 ;WriteDS1302(DS1302_DAY_WRITE, data) ;以上程序的目的是：读出时钟芯片中的数， address 表示是时分秒还是年月日，更新时钟芯片中的值，以及年月日的设置。3.2 嵌入式操作系统与作品配套的手机软件，选用当下最受欢迎的android 平台编写

25、，软件可在任意安装在有 2.1 及以上版本 Andriod 手机操作系统的手机上。下面对所用软件做一个全面的介绍：进入手机界面会看到如图 3_1 所示的界面。首先点击菜单项，点击连接设备，使手机蓝牙与主板上蓝牙连接。连接成功后就可以使用整个系统了。其中拖动风扇15遥控拉条，可控制风扇的转速，风速可从 0100 间调节。拖动台灯遥控可控制台灯亮度，亮度可从 0100 间调节。往下看定时遥控功能，在时间输入栏输入要设置的时间并打开定时功能，当到了所设置的时间时，整个系统将自动关闭。当然温度及湿度是主板手机同步显示。当打开托管时，系统会根据温度的大小调节风扇的转速。图 3-1软件界面图 1在菜单栏选

26、择了跟多功能后会出现如图 3-2 出现的软件界面。图 3-2软件界面图 2点击确认校正，手机上的时间和主板上的时间显示将同步， 即主板上的时间显示结果与手机上的一致。在设置报警处设置需要报警的温度值和湿度值，点击确认设置完成后。当主板检测到的温度值达到所设置的温度时，主板上的蜂鸣器将会报警。164.硬件原理结构框图作品具有时间校正显示，温湿度检测及手机数码管同步显示温湿度。可通过手机调节灯的亮暗和风扇转速的大小。以及定时关闭，温度检测报警等功能。显示报 警上位机（手机）报警蓝牙模块微处显示蓝牙模块理器继电器无温度传感器湿度传感器键盘175.任务划分及程序框图5.1 任务划分在本设计中，微控制器

27、的主要任务是完成温度及湿度传感器的数据采集、控制电器的电流输入，以及通过蓝牙与上位机（手机）通信等功能。上位机（手机）的主要任务是完成人机交互功能，实时的显示住宿环境的温湿度及电器工作情况，并向微控制器下达各项命令。5.2 程序框图186.PCB 设计及成本估计6.1 PCB 设计图6.2 成本估算单个系统开发成本单片机： 10 元/个蓝牙模块： 30 元/个温湿度传感器： 20 元/个电风扇： 60 元/个点灯： 30 元/个电子器件： 30 元PCB 制作：50 元单个系统开发合计： 230 元批量系统成本100 套成本： 230 元*100 套=23000元；197.设计总结本设计分为主

28、控芯片和上位机两大部分，从机实现了对宿舍内各种情况的检测并发送的功能，主机实现了对从机发送来的信号的处理并监控从机的功能。通过测试发现，该系统出色地完成了的论文要求，有良好的运行性能并且实用性很高。在设计过程中我们遇到了许多问题，每个问题都被我们逐一解决。这段时间，我学到了很多知识，懂得了如何团体协作，并且知道要解决问题必须联系实际。当然，我们的设计还存在着一些缺陷，有待于在将来设计中进一步提高，在此恳请老师批评指正。为了完成这次论文设计，我学会了独自查阅资料，充分利用图书馆和网络等资源，去了解和探索智能系统的构成，在实验室里我也看到了市场已经开发出来的智能系统的实验板，认为理论与实践相结我合

29、才能把这些设计运用到实际生活当中。通过这次设计，我对宿舍智能系统有了一定的认识，相信以后必然是一个智能化的时代。此可见进一步提高系统的可靠性有很大的潜力 , 由因此 , 开发和研制宿舍的智能系统具有十分重要的实际意义。208.参考文献【 1】 DHT11 技术文档 【 2】 ATmega16 技术文档 rev.2466G-10/03【3】74HC596 技术说明文档【 4】 蓝牙 【 5】 DS1302 技术说明文档【6】 康华光. 电子技术基础数字部分 ( 第四版 ). 北京: 高等教育出版社 ,1980年 .【7】 魏立峰，王宝兴 . 单片机原理与应用技术 . 北京：北京大学出版社， 20

30、06.8.【8】 严飞，姜源等 . 妙用电子模块 222例. 北京：中国电力出版社 ,2006.【9】 郭天祥.51 单片机 . 电子工业出版社， 2009.【10】 Dynamic characteristics of Mho Distance Relays, GE Publication GER-3742【11】 Art & Science of Protective Relaying, C. Russell Mason, John Wiley & Sons, Inc.【12】沙占友. 集成化智能传感器原理与应用 . 北京：电子工业出版社 .2004.【13】徐爱钧 , 彭秀华 . 单片机

31、高级语言 C51应用程序设计 . 北京：电子工业出版社,1999.读书的好处1、行万里路，读万卷书。2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。3、读书破万卷，下笔如有神。4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。 达尔文5、少壮不努力，老大徒悲伤。216、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟。 颜真卿7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。8、读书要三到：心到、眼到、口到9、玉不琢、不成器，人不学、不知义。10、一日无书，百事荒废。 陈寿11、书是人类进步的阶梯。12、一日不读口生，一日不写手生。13、我扑在书上，就像饥饿的人扑在面包上。 高尔基14、书到用时方恨少、事非经过不知难。 陆游15、读一本好书，就如同和一个高尚的人在交谈 歌德16、读一切好书，就是和许多高尚的人谈话。 笛卡儿17、学习永远不晚。 高尔基18、少而好学，如日出之阳；壮而好学，如日中之光；志而好学，如炳烛之光。 刘向19、学而不思则惘，思而不学则殆。 孔子20、读书给人以快乐、给人以光彩、给人以才干。 培根1