1、宿迁学院毕业论文说明第 1 页摘要电桥是用比较法测量各种量（如电阻、电容、电感等）的仪器。最简单的是由四个支路组成的电路。各支路称为电桥的“臂” 。论文设计了一种用于测量电阻的直流电桥。测量电桥由电源电路、半桥测量电路、A/D 变换器、微处理器与 LED 等构成。电源由高精度的直流源提供。设计的主要意义为了设计电桥实验仪，一种价格低廉的小型实验设备，通过实验基本能掌握应变片的粘贴技术和应力应变的测量方法，让我们对试验仪有更一步的了解。设计中主要完成应变片粘贴流程，应用 protell99 软件设计电路板图，给出应变计在电桥中的各种接法等。在不同组合方式下，如何实现温度补偿，怎样从复杂的变形中测
2、量所需要的应变分量，以及如何提高测量灵敏度。关键词：直流电桥, 试验仪, 应变片, 单片机 宿迁学院毕业论文说明第 2 页目目 录第一章 绪论 .31.1 课题研究背景 41.2 研究的内容及原理 41.3 发展与展望 5第二章 电桥试验仪的硬件设计 .62.1 直流电源的设计 .72.2 电桥实验仪输入电路的设计 .82.2.1 传感器电路 .82.2.2 A/D 转 换 部 分 .132.3 CPU 的选择 132.3.1 AVR 单片机的工作原理 .132.3.2 ATMEGA168 单片机 152.4 输出显示电路设计 .162.5 PCB 的设计 18第三章 电桥试验仪的软设计 .1
3、83.1 汇编语言 .193.2 Protel 99SE 的运用 20第四章 调试与分析 .234.1 LED 驱动 234.2 A/D 转换驱动 244.3 ATmega168 的指令 25第五章 毕业设计总结 .27附录 128附录 231致谢 .35宿迁学院毕业论文说明第 3 页参考文献 .36宿迁学院毕业论文说明第 4 页第一章 绪论旷日持久的美国次贷危机最终转化为严峻的全球性金融危机，国际金融动荡加剧，金融经济危机已经迅速蔓延成实体经济危机。中国在这样全球性经济萧条的形势下，GDP增速下滑，今后一个时期我国经济运行面临新的不确定因素，国民经济的不景气对 直流单臂携带式电桥行业影响很大
4、，就要求我们站在全球视野的高度、把握好经济发展的周期、剖析国家宏观政策走向，对直流单臂携带式电桥行业市场情况具体问题具体分析，认清形势、抓住机遇，合理预测直流单臂携带式电桥行业未来走势，制定正确的发展规划、及时调整发展战略、积极开拓新的市场，在危机中立于不败之地，在发展中更上一层楼。1.1 课题研究背景随着大规模集成电路、计算机技术的迅速发展，以及人工智能在测试技术方面的广泛应用，传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化逐步形成了一种完全突破传统概念的新一代测试仪器智能仪器。目前，有很多的传统电子仪器已有相应的替代产品，而且还出现不少全新的仪器类型和测试系统体系
5、。在科学技术高速发展的今天，如何用简单便宜，性能良好的元器件制造出对人类生活有用的产品，已经成为人们研究的主要趋势。单片机的诞生，对各种智能仪器的产生和发展起到了很大的推进作用。所谓单片机，普遍认为它是在一块硅片上集成了中央处理器单元（CPU） ，存储器（RAM，ROM，EPROM）和各种输入、输出接口（定时器，计数器，并行 I/O 口，串行口，A/D 转换器以及脉冲调制器 PWM 等） ，这样一块芯片具有一台计算机的功能，因而被称为单片微型计算机。 单片机的优点是体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。传感器是人类探知自然界信息的触角。它是一
6、种能把特定的被测量信息按一定的规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。传感器在本次设计实验中起着一个非常重要的作用，它作为把重量等非电量的变化转化为电量的变化并输出的装置，为接下来通过单片机测量、控制和显示铺平了道路。在本次设计中采用的是电阻应变式单臂电桥传感器。 宿迁学院毕业论文说明第 5 页1.2 研究的内容及原理用 以 实 现 测 试 目 的 所 运 用 的 方 式 方 法 称 为 测 试 技 术 。 完 成 测 试 任 务 首 先 要 搭 建 测 量系 统 ， 它 是 以 客 观 和 实 验 方 式 对 客 体 或 事 件 的 特 性 或 品 质 加 以 定 量 描 述 。 也 就 是
7、 说 ，其 结 果 必 须 不 依 赖 于 观 察 者 并 以 实 验 为 依 据 。 数 值 大 小 必 须 与 所 描 述 的 特 性 遵 循 相 同的 规 律 。 测 试 的 主 要 目 的 是 过 程 监 测 ， 如 环 境 温 度 测 量 ， 气 体 和 水 体 积 测 量 以 及 临 床监 测 。 另 一 个 目 的 是 过 程 控 制 ， 例 如 ， 研 究 不 规 则 形 状 物 体 内 部 的 温 度 分 布 或 确 定 汽车 碰 撞 时 仿 真 模 型 驾 驶 员 各 部 位 的 力 分 布 。图 1-1 电 桥 试 验 仪 原 理 框 架 图在工作状态，电源控制器分别为应
8、变片传感器、LED 显示器、CS5532A/D 转换器、单片机 ATmega168 等提供 5V 电源，通过应变片传感器传输模拟量，由 A/D 转换器转换成数字信号，再通过微处理器 ATmega 168 读取压力，其进行修正处理，并在 LED 显示屏上显示气压和高度的具体数值。1.3 发展与展望IC 测试、通信测试、网络测试和虚拟仪器的发展已出现一些新的势态：（1）降低测试成本成为发展 IC 测试的首要目标体积更小、功能更强的芯片的需求正推动 IC 产业的发展，同时也推动着 IC 设计和测试的发展。对于系统芯片（SOC）的测试，其成本已几乎占芯片成本的一半。根据英特尔公司副总裁提出的测试摩尔定
9、律，未来几年，每一晶体管的硅投资成本将低于其测试成本。 因此未来 IC 测试设备制造商面临的最大挑战是如何降低测试成本。LED 显示ATmega168电源部分A/D 转换CS5532应变片传感器宿迁学院毕业论文说明第 6 页（2）解决异步测试问题，需要制定 IP 核测试标准 目前，设计人员设计系统级 IC 时，已广泛采用将不同的 IP 核集成在一起的方式。这样可大大缩短芯片的上市时间。将不同厂商的不同 IP 核集成到一个器件中可能遇到多个时钟问题。如果设计师采用 PCI 总线和 Rambus 总线，不同的时钟使并行测试这些 IP核极为复杂。假如这些 IP 核的时钟呈整数倍关系，可选的测试方法有
10、很多，但是遇到它们的时钟不呈整数倍时，则在同一测试设备中，需要多个时域。也就是被测器件的各引脚的工作状态处于异步状态，即一些引脚以MHz s 工作，另一些引脚以Mb/s 工作。因此，半导体测试的下一步工作就是要解决这类异步测试问题。现在，各 IP 核供货商采用的不是同一种可测性设计策略，对被测 IP 核的接入方式也各不相同。因此，需要制定 IP 核接入标准和可测性设计标准。（3）提高测试模拟 IC 的速度另一个要解决的测试问题是如何发展可测性设计、内置自测试和其它数字测试技术，以满足器件的模拟测试。从上市的时间的观点来看，这可能是关键问题。IC 测试设备制造商能解决以 Gb/s 工作的数字电路
11、和高速串行通信端口的测试问题。但测试混合信号器件中模拟部分的难度就很大。一些器件可能是数字器件，但具有模拟特性。如局域网接口电路。这种电路的测试很复杂、费时、难以实现。今后，IC 测试设备制造商的另一个任务就是要提高这类器件的测试速度。（4）采用开放式结构，适应通信测试的需求通信测试仪器制造商正面临新技术、新标准和更短的产品寿命周期的挑战。许多通信设备制造商将向市场推出采用无线因特网等新技术的产品。他们一边推出新产品，一边设计性能更高的新产品。因此，它们需要测试仪器厂商提供易于升级的测试仪器，以适应采用最新技术的通信设备的测试需求。所以，这类通信仪器将广泛采用开放式结构设计、模块化和灵活的硬件
12、与软件结构。（5）开发适应高速网测试的网络测试仪随着网络速率的提高，测试仪器捕捉网络数据越来越困难。现有的测试仪器在测试高速率的网络时已不是很有效，甚至采用大容量的缓冲器，也不能获得真实的数据。这就迫切需要仪器生产厂商研制具有实时滤波能力的测试仪器。这样可以把与故障有关的数据存储下来，并进行实时分析。这种具有实时滤波和内部专家系统的仪器不但能对数据进行分析，还能对网络的故障进行准确定位。宿迁学院毕业论文说明第 7 页第二章 电桥试验仪的硬件设计2.1 直流电源的设计三段稳压管也 称 三 端 稳 压 集 成 电 路 ，电 子 产 品 中 常 见 到 的 三 端 稳 压 集 成 电 路 有正 电
13、压 输 出 的 78 系 列 和 负 电 压 输 出 的 79系 列 。 顾 名 思 义 ， 三 端 IC 是 指这 种 稳 压 用 的 集 成 电 路 只 有 三 条 引 脚 输 出 ， 分 别 是 输 入 端 、 接 地 端 和 输 出 端 。它 的 样 子 象 是 普 通 的 三 极 管 ， TO- 220 的 标 准 封 装 ， 也 有 9013 样 子 的 TO-92 封 装 。用 78/79 系 列 三 端 稳 压 IC 来 组 成 稳 压 电 源 所 需 的 外 围 元 件 极 少 ， 电 路 内 部 还 有 过 流 、过 热 及 调 整 管 的 保 护 电 路 ， 使 用 起
14、来 可 靠 、 方 便 ， 而 且 价 格 便 宜 。 该 系 列 集 成 稳 压IC 型 号 中 的 78 或 79 后 面 的 数 字 代 表 该 三 端 集 成 稳 压 电 路 的 输 出 电 压 ， 如 7806 表示 输 出 电 压 为 正 6V， 7909 表 示 输 出 电 压 为 负 9V。 有 时 在 数 字 78 或 79 后 面 还 有 一个 M 或 L， 如 78M12 或 79L24， 用 来 区 别 输 出 电 流 和 封 装 形 式 等 ， 其 中 78L 调 系 列的 最 大 输 出 电 流 为 100mA ， 78M 系 列 最 大 输 出 电 流 为 1A，
15、 78 系 列 最 大 输 出 电 流 为1 5A。 它 的 封 装 也 有 多 种 。 塑 料 封 装 的 稳 压 电 路 具 有 安 装 容 易 、 价 格 低 廉 等 优 点 ，因 此 用 得 比 较 多 。 79 系 列 除 了 输 出 电 压 为 负 。 引 出 脚 排 列 不 同 以 外 ， 命 名 方 法 、 外形 等 均 与 78 系 列 的 相 同 。因 为 三 端 固 定 集 成 稳 压 电 路 的 使 用 方 便 ， 电 子 制 作 中 经 常 采 用 。 注 意 三 端 集 成稳 压 电 路 的 输 入 、 输 出 和 接 地 端 绝 不 能 接 错 ， 不 然 容 易
16、 烧 坏 。 一 般 三 端 集 成 稳 压 电路 的 最 小 输 入 、 输 出 电 压 差 约 为 2V， 否 则 不 能 输 出 稳 定 的 电 压 ， 一 般 应 使 电 压 差 保持 在 4-5V， 即 经 变 压 器 变 压 ， 二 极 管 整 流 ， 电 容 器 滤 波 后 的 电 压 应 比 稳 压 值 高 一 些 。 （ 如 图 2-1 为 两 系 列 的 电 压 输 出 。 ）图 2-2 中 的 引 脚 号 的 标 注 方 法 是 按 照 引 脚 电 位 从 高 到 低 的 顺 序 标 注 的 ， 引 脚 为 最 高 电 位 ， 脚 为 最 低 电 位 ， 脚 居 中 。
17、从 图 中 可 以 看 出 ， 不 论 78 系 列 。 还 是79 系 列 ， 脚 均 为 输 出 端 。 对 于 78 正 压 系 列 ， 输 入 是 最 高 电 位 ， 为 脚 ， 地 端 为 最低 电 位 ， 为 脚 。 对 于 79 负 压 系 列 ， 输 入 为 最 低 电 位 ， 自 然 是 脚 ， 而 地 端 为 最 高电 位 ， 为 脚 ， 输 出 为 中 间 电 位 ， 为 脚 。宿迁学院毕业论文说明第 8 页图 2-1 78、 79 系 列 的 电 压 输 出此 外 ， 还 应 注 意 ， 散 热 片 总 是 和 最 低 电 位 的 第 脚 相 连 ， 这 样 在 78
18、系 列 中 ， 散热 片 和 地 相 连 而 在 79 系 列 中 ， 散 热 片 和 输 入 端 相 连 接 。 用 万 用 表 判 断 三 端 稳 压 器 的方 法 与 三 极 管 的 判 断 方 法 相 同 ， 三 端 稳 压 器 类 似 于 大 功 率 三 极 管 。图 2-2 三 端 稳 压 器 （ 78、 79 系 列 ） 管 脚 的 序 号 判 断2.2 电桥实验仪输入电路的设计2.2.1 传感器电路传 感 器 中 的 电 阻 应 变 片 具 有 金 属 的 应 变 效 应 ， 即 在 外 力 作 用 下 产 生 机 械 形 变 ， 从而 使 电 阻 值 随 之 发 生 相 应
19、的 变 化 。 电 阻 应 变 片 主 要 有 金 属 和 半 导 体 两 类 ， 金 属 应 变 片有 金 属 丝 式 、 箔 式 、 薄 膜 式 之 分 。 半 导 体 应 变 片 具 有 灵 敏 度 高 （ 通 常 是 丝 式 、 箔 式 的几 十 倍 ） 、 横 向 效 应 小 等 优 点 。1. 应 变 片 的 概 念应变片是一种重要的测量敏感元件,它有很多品种系列。长的有几百毫米,短的只有0.2mm,有单片、中测量应力,但也可以做成各种类型的传感器,如压力传感器、加速度计、线位移传感器等。目测电阻应变片有无折痕断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能贴。用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一
20、电桥中各应变片之间阻值相差不得大于 0.5 欧姆。宿迁学院毕业论文说明第 9 页2. 应变片的测量原理和内部结构电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。变化值和应变片粘贴的构件表面的应变成正比,最后通过测量电路和转换电路,输出相应的电压和电流。当试件受力在该处沿电阻丝方向发生线变形时，电阻丝也随着一起变形（伸长或缩短） ，因而使电阻丝的电阻发生改变（增大或缩小） 。金 属 电 阻 应 变 片 分 为 丝 式 、 箔 式 和 薄 膜 式 三 种 。 上 例 中 为 丝 式 。 金 属 箔 式 应
21、变 片的 敏 感 栅 ， 则 是 用 栅 状 金 属 箔 片 代 替 栅 状 金 属 丝 。 金 属 箔 栅 采 用 光 刻 技 术 制 造 ,适用 于 大 批 量 生 产 。（ 图 2-3 为 电 阻 应 变 片 的 内 部 结 构 ）图 2-3 电 阻 应 变 片 的 内 部 结 构3. 应变片的选型1、应变片的粘贴工艺流程(1)应变片选型(2)胶粘剂选择(3)构件打磨(4)表面清洗(5)画线定位(6)应变片清洗(7)涂敷底胶(8)应变片粘贴(9)加热固化(10)贴片质量检查(11)引线连接(12)质量检查(13)常温及温度性能补偿(14)质量检查(15)性能测试(16)防护处理。2、应变
22、片的选型应变片种类较多，大系列有高精度应变片（用于 0.02 级传感器生产） ，通用应变宿迁学院毕业论文说明第 10 页片（可归纳为工程测量类） ，特殊用途应变片（高温、水下等） ，本文主要对工程测量用片作介绍。1） 通用应变片用材有：酚醛-缩醛基底，康铜箔为敏感材料，其全密封结构可温度自补偿，其柔韧性好，粘贴方便；聚酰亚胺基底，康铜箔敏感栅，全密封结构，可温度自补偿，其延伸率高，耐湿热性好，温度范围宽（可用于 150范围内） ；纸浸缩醛树脂基底，康铜箔敏感栅，其基底柔软，粘贴方便，可用于复合材料和混凝土材料。2） 用户在购买应变片时，应根据被测构件材料选择应变片，选片时应注意温度自补偿系数，
23、这是因为在无任何外力作用下，不受约束的试件上的应变片在环境温度发生变化时，其电阻值也随之改变，不同材料其变化值不同，根据这个变化值，应变片生产中采用了一种称之为温度自补偿系数修正的工艺。购买应变片时，应注意温度自补偿系数号，如 9：用于钛合金，10：用于合金钢、马氏体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢，16：用于奥氏体不锈钢和铜基材，23：铝材料，27：用于镁合金。3） 一般的工程测试或教学实验选片电阻值可在 120350 范围。4） 选片时应遵循试验或应用条件：1、应用精度、环境条件。2、试件大小、贴片面积、安装条件。3、使用条件、功耗大小、最大允许电压。4、试件材料类型、工作温度范围。3、应变片粘贴
24、工艺1） 应变片的选择根据测试要求所选择的应变片应符合指标，外观应无破损，无锈斑，无皱折，无短路，电阻值与标称值误差应 胶粘剂 胶粘剂的种类甚多，如环氧、聚按酯、硫化硅橡胶、502 等，应根据粘贴环境、条件选用不同粘贴剂，要了解粘贴剂自身的物理、化学特性及固化条件。粘贴 粘贴前用划针划出贴片位置，线不应划到应变片下方，划线后再做清洗。贴片时要摆正应变片位置，刷胶均匀，用胶量合理，贴片后盖上聚四氟乙烯薄膜，用手指沿应变片轴线方向均匀滚压应变片，以排除多余胶液和气泡，一般以 34 个来回为宜，并注意应变片位置。清洗 对被贴结构物、应变片、粘贴工具的清洗是为了保证粘贴效果和绝缘电阻，从而保证测试精度
25、。6） 固化大部分粘接剂都需要固化（502 快速胶是特例） ，固化条件是：温度、压力、时间。加温是因为大部分粘贴剂需要高温固化。固化方法举例：如环氧胶粘剂：加压0.10.3Mpa，升温至 135，保温 2 小时，然后降温到室温卸压，再升温至 165，保温 2 小时，后降温至常温。固化条件主要是制造传感器厂商及精密测试所使用的方法。在动态测试中，大部分测试现场的环境较差，加之超大的构件，短促的时间，给固化带来影响，工程应用中常使用快干的粘贴剂（如 502 胶）来解决这个问题。建议用户尽可能创造良好的贴片条件，尽可能按贴片基本要求操作，从而使测试精度得以保证（如线性度、重复性） 。4、测试贴片工作
26、结束，待粘贴剂固化以后，应检查应变片，如阻值是否正确，绝缘是否合格（电阻应在 11011 左右） 。5、应变片的焊接及粘贴后的防护1) 应变片焊接时间不可太长，焊线引线尽量选择柔软导线，延长电缆应有一定弹性空间，不要直接拉动应变片焊点。焊接后，应用无水乙醇擦洗应变片及焊点。2) 安装好的应变片可用 703 硅胶覆盖，以防止雨水及空气中有害气体侵蚀（对薄片被测物应慎重，因为硅胶固化后有一定强度，会影响测试精度） 。3) 应用摄子夹持应变片操作，以保证工艺卫生。4. 应变片的电桥输出压力传感器包括利用压阻效应制造出来的压阻式压力传感器，利用压电效应制造出宿迁学院毕业论文说明第 12 页来的压电式压
27、力传感器、利用应变效应制造的应变式压力传感器等，本文仅以压阻式压力传感器为例，说明其测试原理。压阻式压力传感器芯体如图 2-4，R1，R2，R3，R4 是4 片电阻片，当受外力作用时，电阻片 R1，R3 亦受拉伸作用电阻增大，R2，R4 电阻减小，这样外力 F 的作用使 4 个电阻片电阻值发生变化。传感器上的电阻 R1，R2，B3，R4 接成图 2-5 所示的直流桥路。cd 两端接稳压电源 E，ab 两端为电桥电压输出端，输出电压为U0，如图 7。图 2-4 传感器芯体 图 2-5 平衡条件下的电桥根 据 电 工 学 原 理 ， 可 导 出 当 输 入 端 加 有 电 压 IU时 ， 电 桥
28、的 输 出 电 压 为I4321ORU当 0OU时 ， 电 桥 处 于 平 衡 状 态 。 因 此 ， 电 桥 的 平 衡 条 件 为 4231R。 当 处 于平 衡 的 电 桥 中 各 桥 臂 的 电 阻 值 分 别 有 1、 2、 3和 4的 变 化 时 ， 可 近 似 地 求 得电 桥 的 输 出 电 压 为 4321IO4RRU由 此 可 见 ， 应 变 电 桥 有 一 个 重 要 的 性 质 ： 应 变 电 桥 的 输 出 电 压 与 相 邻 两 桥 臂 的 电阻 变 化 率 之 差 、 相 对 两 桥 臂 电 阻 变 化 率 之 和 成 正 比 。 对 于 平 衡 电 桥 ， 如
29、果 相 邻 两 桥 臂的 电 阻 变 化 率 大 小 相 等 、 符 号 相 同 ， 或 相 对 两 桥 臂 的 电 阻 变 化 率 大 小 相 等 、 符 号 相 反 ，则 电 桥 将 不 会 改 变 其 平 衡 状 态 ， 即 保 持 0OU。如 果 电 桥 的 四 个 桥 臂 均 接 入 相 同 的 应 变 片 ， 则 有4321IO4K式 中 ， 1 4分 别 为 接 入 电 桥 四 个 桥 臂 的 应 变 片 的 应 变 值 。若 32， 则 电 桥 的 输 出 电 压 为 IOKU宿迁学院毕业论文说明第 13 页2.2.2 A/D 转 换 部 分A/D 转换的作用是将时间连续、幅值
30、也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D 转换一般要经过取样、保持、量化及编码 4 个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。图 2-6 cs5532 的 原 理 图如 图 2-6 所 示 ， 通 过 引 脚 1、 引 脚 2， 将 压 力 传 感 器 所 得 的 气 压 数 据 进 行 模 数 转换 ； 而 通 过 引 脚 20 将 温 度 传 感 器 测 所 得 的 温 度 数 据 进 行 模 数 转 换 。 引 脚 9、 10 是晶 振 连 接 端 。 引 脚 11 14 和 ATmega168 上
31、 相 应 的 引 脚 相 连 ， 从 而 将 所 得 的 数 据 进行 软 件 补 偿 修 正 。2.3 CPU 的选择2.3.1 AVR 单片机的工作原理AVR 单 片 机 是 新 一 代 的 基 于 RISC 精 简 指 令 集 的 单 片 机 ， RISC 计 算 机 是 九 十 年代 才 开 始 流 行 的 和 以 往 的 CIRC 计 算 机 相 比 指 令 简 单 ， 机 器 执 行 效 率 高 。 现 代 的 计 算机 一 般 都 是 基 于 多 级 流 水 线 设 计 的 。 RISC 计 算 机 也 不 例 外 ， 这 使 得 RISC 计 算 机 具有 在 单 个 时 钟
32、周 期 内 执 行 一 条 指 令 的 能 力 。 对 于 通 用 的 RISC 微 处 理 器 ， 一 般 应 用在 大 型 的 工 作 站 上 ， 其 他 主 要 应 用 在 微 控 制 器 领 域 。 如 八 位 、 十 六 位 、 三 十 二 位 单 片宿迁学院毕业论文说明第 14 页机 。AVR 单 片 机 具 有 非 常 好 的 C 语 言 代 码 效 率 ， 内 部 的 三 十 二 个 工 作 寄 存 器 都 和ALU 相 连 ， 这 些 寄 存 器 和 传 统 的 累 加 器 具 有 相 同 的 功 能 ， 不 同 的 是 它 们 有 32 个 ，在 一 个 时 钟 周 期 内
33、 AVR 可 以 把 寄 存 器 文 件 中 的 任 意 两 个 寄 存 器 转 到 算 术 逻 辑 单 元 执 行一 次 运 算 ， 并 且 把 结 果 写 回 寄 存 器 文 件 中 ， 当 数 据 保 存 在 32 个 寄 存 器 当 中 ， 在 任意 一 个 算 术 指 令 之 间 没 有 必 要 把 数 据 移 入 或 移 出 存 储 器 。 一 些 寄 存 器 可 以 组 成 16位 的 指 针 用 于 高 效 的 访 问 数 据 。 对 于 大 的 存 储 器 ， 16 位 的 指 针 可 以 和 第 三 个 8 位的 寄 存 器 组 成 24 位 的 指 针 用 于 访 问 高
34、 达 64K 的 未 分 页 的 数 据 空 间 。 一 般 情 况 下 ， 没必 要 用 汇 编 语 言 去 开 发 AVR 单 片 机 （ 除 非 对 时 间 有 特 别 的 要 求 ） 。 AT40 系 列 微 控 制器 都 带 有 片 内 FLASH 程 序 存 储 区 ， 且 都 支 持 ISP（ in-system-programming） 系 统在 线 编 程 （ MEGA 器 件 支 持 self-programming） . 大 多 数 的 AVR 器 件 都 含 有 片 内的 EEPROM 数 据 存 储 器 。 AVR 器 件 的 可 编 程 I/O 口 都 是 双 向
35、口 ， 可 以 设 置 为 输 入 、输 出 、 或 是 高 阻 态 。 每 个 I/O 口 对 应 有 3 个 端 口 地 址 （ 如 口 ， 右 PORTA 和PINA3 个 端 口 ） 。AVR 单 片 机 是 高 速 嵌 入 式 单 片 机 它 具 有 以 下 特 点 ：1、 AVR 单 片 机 具 有 预 取 指 令 功 能 ， 即 在 执 行 一 条 指 令 时 ， 预 先 把 下 一 条 指 令 取 进来 ， 使 得 指 令 可 以 在 一 个 时 钟 周 期 内 执 行 。2、 多 累 加 器 型 ， 数 据 处 理 速 度 快 。 AVR 单 片 机 具 有 32 个 通 用
36、 工 作 寄 存 器 ， 相 当于 有 32 条 立 交 桥 ， 可 以 快 速 通 行 。3、 中 断 响 应 速 度 快 。 AVR 单 片 机 有 多 个 固 定 中 断 向 量 入 口 地 址 ， 可 快 速 响 应 中 断 。其 次 ， AVR 单 片 机 耗 能 低 。 对 于 典 型 功 耗 情 况 ， WDT 关 闭 时 为 100nA， 更 适 用 于电 池 供 电 的 应 用 设 备 。 有 的 器 件 最 低 1.8 V 即 可 工 作 。再 次 ， AVR 单 片 机 保 密 性 能 好 。 它 具 有 不 可 破 解 的 位 加 密 锁 Lock Bit 技 术 ，
37、保密 位 单 元 深 藏 于 芯 片 内 部 ， 无 法 用 电 子 显 微 镜 看 到 。4、 AVR 单 片 机 的 I/O 口 是 真 正 的 I/O 口 ， 能 正 确 反 映 I/O 口 输 入 /输 出 的 真 实情 况 。 工 业 级 产 品 ， 具 有 大 电 流 (灌 电 流 )10 40 mA,可 直 接 驱 动 可 控 硅 SCR 或 继 电器 ， 节 省 了 外 围 驱 动 器 件 。5、 AVR 单 片 机 内 带 模 拟 比 较 器 ， I/O 口 可 用 作 A/D 转 换 ， 可 组 成 廉 价 的 A/D 转宿迁学院毕业论文说明第 15 页换 器 。 ATme
38、ga48/8/16 等 器 件 具 有 8 路 10 位 A/D。6、 部 分 AVR 单 片 机 可 组 成 零 外 设 元 件 单 片 机 系 统 ， 使 该 类 单 片 机 无 外 加 元 器 件即 可 工 作 ， 简 单 方 便 ， 成 本 又 低 。7、 AVR 单 片 机 可 重 设 启 动 复 位 ,以 提 高 单 片 机 工 作 的 可 靠 性 。 有 看 门 狗 定 时 器 实行 安 全 保 护 ,可 防 止 程 序 走 乱 (飞 ),提 高 了 产 品 的 抗 干 扰 能 力 。2.3.2 ATMEGA168 单片机ATmega168 是基于 AVR 增强型 RISC 结构
39、的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。它主要有以下特性：1. 高性能、低功耗的 8 位 AVR 微处理器。2. 先进的 RISC 结构：有 131 条指令，大多数指令的执行时间为单个时钟周期；32 x 8 通用工作寄存器；全静态操作；工作于 16 MHz 时性能高达 16 MIPS；只需两个时钟周期的硬件乘法器，擦写寿命: 10000 次；具有独立锁定位的可选 Boot 代码区，通过片上 Boot 程序实现系统内编程，真正的同时读写操作；512 字节的 EEPROM，擦写寿命: 100000 次；1K 字节的片内 SRAM ，可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。3. 外设特点：两个具有独
40、立预分频器和比较器功能的 8 位定时器/ 计数器；一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16 位定时器/ 计数器；具有独立振荡器的实时计数器 RTC；六通道 PWM，8 路 10 位 ADC(TQFP 与 MLF 封装)，6 路 10 位 ADC( PDIP 封装)；可编程的串行 USART 接口，可工作于主机/ 从机模式的 SPI 串行接口；面向字节的两线串行接口，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；片内模拟比较器，引脚电平变化可引发中断及唤醒 MCU。4. 特殊的微控制器特点：上电复位以及可编程的掉电检测；经过标定的片内 RC 振荡器，片内/ 外中断源；五种休眠模式：空闲模式、ADC
41、 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式和 Standby 模式。5. I/O 口与封装：23 个可编程的 I/O 口线，32 引脚 TQFP 封装 与 32 引脚 MLF 封装。6. 工作电压:ATmega168V：1.8 - 5.5V；ATmega168：2.7 - 5.5V7.工作速度等级:ATmega168V: 0 - 2 MHz 1.8 - 5.5V , 0 - 8 MHz 2.4 - 5.5V；ATmega168: 0 - 8 MHz 2.7 - 5.5V,0 - 16 MHz 4.5 - 5.5V8. 极低功耗：正常模式：1 MHz , 1.8V: 300uA 32 MHz , 1.8
42、V: 20uA(包括振荡器）宿迁学院毕业论文说明第 16 页；掉电模式：1.8V , 0.5uA。图 2-7 ATmega168 结构图2.4 输出显示电路设计具有 4 个 8 位 I/ O 口 P0、 P1、 P2、 P3 共 32 条 I/ O 线。其中 P3 口为双功能口 ,按需要优先作为外中断申请、 定时器/计数器输入、 串行数据接收和发送、 外部 RAM 读和写选通。在我们设计的电脑控制管理系统中 ,除了手机与主机串行通信、 空调随室温自动换档及看门狗电路外 ,一个重要的部分是键盘和显示器。在电路设计中除键盘显示外其它功能共使用 I/ O 线 9 位 ,而系统中需 32 键的键盘、
43、26 位 L ED 和 4 位七段数码显示 ,若键盘采用矩阵连接需 12 条 I/ O 线 ,余下的 I/ O 线若不添加芯片是无法完成系统显示要求的。图 2-8 给出了 8 个 LED 和一个数码管的电路连接图.宿迁学院毕业论文说明第 17 页图 2-8 8 个 LED 和一个数码管的电路单片机系统中,显示器显示方式分动态显示和静态显示 ,静态显示具有显示稳定 ,节省 CPU 时间的特点 ,但通常要由硬件芯片实现 ,成本高。动态显示则采用逐位点亮扫描显示方式 ,只要正确调整点亮时间和间隔时间以及导通电流 ,就可得到亮度较高较稳定的显示。动态显示主要依靠软件实现 ,可节省硬件。本系统设计为获较
44、高性价比 ,采用定时中断动态扫描显示。32 位 L ED 也是以 8 位一列矩阵形式排列 ,以 P2 口的 4 位 I/ O 作列选线 , P2 口的另外 4 位 I/ O 线作 4 位七段数码管位选。数码显示芯片为F3407AX ,其面板如图 2-9 所示。要求 DP1、 DP5(DP6) 、 DP8、 DP9 及数码管应根据需要显示 ,在此 ,巧妙地将 DP1、 DP5 (6) 、 DP7、 DP8 作为数码管的 DP 端 ,用八个 8 位数据则可满足显示要求。图 2-9 显示面板宿迁学院毕业论文说明第 18 页2.5 PCB 的设计PCB 布局模拟电路和数字电路在元件布局和布线方法上有许
45、多相同和不同之处.模拟电路中,由于放大器的存在,由布线产生的极小噪声电压,都会引起输出信号的严重失真；在数字电路中,TTL 噪声容限为 0.4V0.6V, CMOS 噪声容限为(0.30.45)Vcc,故数字电路具有较强的抗干扰的能力。良好的电源和地总线方式的合理选择是电路可靠工作的重要保证,相当多的干扰源是通过电源和地线产生的,其中地线引起的噪声干扰最大。 （图为PCB 设计流程） 图 2-10 PCB 设计流程宿迁学院毕业论文说明第 19 页第三章 电桥试验仪的软设计3.1 汇编语言汇 编 语 言 是 一 种 功 能 很 强 的 程 序 设 计 语 言 ， 也 是 利 用 计 算 机 所
46、有 硬 件 特 性 并 能直 接 控 制 硬 件 的 语 言 。 汇 编 语 言 ， 作 为 一 门 语 言 ， 对 应 于 高 级 语 言 的 编 译 器 ， 需 要一 个 “汇 编 器 ”来 把 汇 编 语 言 原 文 件 汇 编 成 机 器 可 执 行 的 代 码 。 高 级 的 汇 编 器 如MASM， TASM 等 等 为 我 们 写 汇 编 程 序 提 供 了 很 多 类 似 于 高 级 语 言 的 特 征 ， 比 如 结 构 化 、抽 象 等 。 在 这 样 的 环 境 中 编 写 的 汇 编 程 序 ， 有 很 大 一 部 分 是 面 向 汇 编 器 的 伪 指 令 ， 已经
47、类 同 于 高 级 语 言 。 现 在 的 汇 编 环 境 已 经 如 此 高 级 ， 即 使 全 部 用 汇 编 语 言 来 编 写windows 的 应 用 程 序 也 是 可 行 的 ， 但 这 不 是 汇 编 语 言 的 长 处 。 汇 编 语 言 的 长 处 在 于 编写 高 效 且 需 要 对 机 器 硬 件 精 确 控 制 的 程 序 。大 多 数 情 况 下 Linux 程 序 员 不 需 要 使 用 汇 编 语 言 ， 因 为 即 便 是 硬 件 驱 动 这 样 的 底层 程 序 在 Linux 操 作 系 统 中 也 可 以 用 完 全 用 C 语 言 来 实 现 ， 再
48、加 上 GCC 这 一 优 秀 的编 译 器 目 前 已 经 能 够 对 最 终 生 成 的 代 码 进 行 很 好 的 优 化 ， 的 确 有 足 够 的 理 由 让 我 们 可以 暂 时 将 汇 编 语 言 抛 在 一 边 了 。 但 实 际 情 况 是 Linux 程 序 员 有 时 还 是 需 要 使 用 汇 编 ，或 者 不 得 不 使 用 汇 编 ， 理 由 很 简 单 ： 精 简 、 高 效 和 libc 无 关 性 。 假 设 要 移 植 Linux到 某 一 特 定 的 嵌 入 式 硬 件 环 境 下 ， 首 先 必 然 面 临 如 何 减 少 系 统 大 小 、 提 高 执
49、 行 效 率 等问 题 ， 此 时 或 许 只 有 汇 编 语 言 能 帮 上 忙 了 。汇 编 语 言 直 接 同 计 算 机 的 底 层 软 件 甚 至 硬 件 进 行 交 互 ， 它 具 有 如 下 一 些 优 点 ： 1.能 够 直 接 访 问 与 硬 件 相 关 的 存 储 器 或 I/O 端 口 ；2.能 够 不 受 编 译 器 的 限 制 ， 对 生 成 的 二 进 制 代 码 进 行 完 全 的 控 制 ；3.能 够 对 关 键 代 码 进 行 更 准 确 的 控 制 ， 避 免 因 线 程 共 同 访 问 或 者 硬 件 设 备 共 享 引起 的 死 锁 ；4.能 够 根 据 特 定 的 应 用 对 代 码 做 最 佳 的 优 化 ， 提 高 运 行 速 度 ；5.能 够 最 大 限 度 地 发 挥 硬 件 的 功 能 。同 时 还 应 该 认 识 到 ， 汇 编 语 言 是 一 种 层 次 非 常 低 的 语 言 ， 它 仅 仅 高 于 直 接 手 工 编写 二 进 制 的 机 器 指 令 码 ， 因 此 不 可 避 免 地 存 在 一 些
