基于AVR单片机的电热水锅炉测控系统Word格式.docx

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2.2超声波简介6

2.2.1引言6

2.2.2超声波测距原理6

2.2.3超声波测距系统的电路设计7

2.3DS18B20简介9

2.4无线模块SRWF-501简介12

2.4.1引言12

2.4.2无线模块的特点12

2.4.3无线模块的应用领域13

2.4.4无线模块的使用方法13

2.4.5无线模块的注意事项14

第3章系统软件14

3.1三维力控组态软件介绍14

3.1.1概述14

3.1.2主要技术指标14

3.1.3软件功能简介15

3.2Modbus通信协议17

3.2.1MODBUS总线简介17

3.2.2MODBUS协议简介18

3.2.3MODBUS通讯信息传输过程18

3.2.4MODBUS功能码简介19

3.2.5错误校校验验码（CRC）20

3.2.6通讯错误信息及数据的处理21

第4章电路图与程序清单23

4.1电路图23

4.2程序清单24

4.2.1总程序.c24

4.2.2touwenjian.h31

4.2.3wendu.h31

4.2.4tongxin.h32

4.2.5chushihua.h34

4.2.6quanjubianliang.h35

参考文献36

致谢37

第1章系统简介

随着社会的发展和人民生活水平的不断提高，电子产品越来越普及，尤其是节能、环保、效率高、智能的电子产品越来越受到人们的喜爱。

第2章系统硬件

2.1ATmega8简介

ATmega8是ATMEL公司在2002年第一季度推出的一款新型AVR高档单片机。

在AVR家族中，ATmega8是一种非常特殊的单片机，它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备AVR高档单片机MEGE系列的全部性能和特点。

但由于采用了小引脚封装（为DIP28和TQFP/MLF32），所以其价格仅与低档单片机相当，再加上AVR单片机的系统内可编程特性，使得无需购买昂贵的仿真器和编程器也可进行单片机嵌入式系统的设计和开发，同时也为单片机的初学者提供了非常方便和简捷的学习开发环境。

ATmega8的这些特点，使其成为一款具有极高性能价格比的单片机，深受广大单片机用户的喜爱，在产品应用市场上极具竞争力，被很多家用电器厂商和仪器仪表行业看中，从而使ATmega8迅速进入大批量的应用领域。

ATmega系列单片机属于AVR中的高档产品，它承袭了AT90所具有的特点，并在AT90（如AT9058515、AT9058535）的基础上，增加了更多的接口功能，而且在省电性能，稳定性、抗干扰性以及灵活性方面考虑得更加周全和完善。

ATmega8是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVRRISC结构的8位单片机。

AVR单片机的核心是将32个工作寄存器和丰富的指令集联结在一起，所有的工作寄存器都与ALU（算术逻辑单元）直接相连，实现了在一个时钟周期内执行的一条指令同时访问（读写）两个独立寄存器的操作。

这种结构提高了代码效率，使得大部分指令的执行时间仅为一个时钟周期。

因此，ATmega8可以达到接近1MIPS/MHz的性能，运行速度比普通CISC单片机高出10倍。

ATmega8的主要性能如下：

*高性能、低功耗的8位AVR微控制器，先进的RISC精简指令集结构

130条功能强大的指令，大多数为单时钟周期指令

32个8位通用工作寄存器

工作在16MHz时，具有16MIPS的性能

片内集成硬件乘法器（执行速度为2个时钟周期）

*片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器以及工作存储器

8K字节的Flash程序存储器，擦写次数：

＞10000次

支持可在线编程（ISP）、可在应用自编程（IAP）

带有独立加密位的可选BOOT区，可通过BOOT区内的引导程序区（用户自己写入）来实现IAP编程。

512个字节的E2PROM，擦写次数：

100000次

1K字节内部SRAM

可编程的程序加密位

*丰富强大的外部接口（Peripheral）性能

2个具有比较模式的带预分频器（SeparatePrescale）的8位定时/计数器

1个带预分频器（SeParatPrescale），具有比较和捕获模式的16位定时／计数器

1个具有独立振荡器的异步实时时钟（RTC）

3个PWM通道，可实现任意＜16位、相位和频率可调的PWM脉宽调制输出

8通道A/D转换（TQFP、MLF封装），6路10位A/D+2路8位A/D

6通道A/D转换（PDIP封装），4路10位A/D+2路8位A/D

1个I2C的串行接口，支持主/从、收/发四种工作方式，支持自动总线仲裁

1个可编程的串行USART接口，支持同步、异步以及多机通信自动地址识别

1个支持主/从（Master/Slave）、收/发的SPI同步串行接口

带片内RC振荡器的可编程看门狗定时器

片内模拟比较器

*特殊的微控制器性能

可控制的上电复位延时电路和可编程的欠电压检测电路

内部集成了可选择频率（l/2/4/8MHZ）、可校准的RC振荡器

外部和内部的中断源18个

五种睡眠模式：

空闲模式（Idle）、ADC噪声抑制模式（ADCNoiseReduction）。

省电模式（Power－save）、掉电模式（Power－down）、待命模式（Standby）

*I/O口和封装

最多23个可编程I/O口，可任意定义I/O的输入/输出方向；

输出时为推挽输出，驱动能力强，可直接驱动LED等大电流负载：

输入口可定义为三态输入，可以设定带内部上拉电阻，省去外接上拉电阻

28脚PDIP封装，32脚TQFP封装和32脚MLF封装

*宽工作电压

2.7V-5.5V（ATmega8L）

4.5V-5.5V（ATmega8）

*高运行速度

O-8MHz（ATmega8L）

0-16MHz（ATmega8）

*低功耗

正常模式（Active）：

3.6mA

空闲模式（IdleMode）：

1.0mA

掉电模式（Power－downMode）：

0.5uA

2.2超声波简介

2.2.1引言

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制、汽车工业、医疗器械上也得到了广泛的应用。

2.2.2超声波测距原理

1、超声波发生器

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。

总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：

一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。

电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；

机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

2、压电式超声波发生器原理

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

它有两个压电晶片和一个共振板，当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

3、超声波测距原理

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：

s=340t/2。

这就是所谓的时间差测距法。

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

测距的公式表示为：

L=C×

T

式中L为测量的距离长度；

C为超声波在空气中的传播速度；

T为测量距离传播的时间差（T为发射到接收时间数值的一半）。

超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。

由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。

在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。

通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。

超声波测距误差分析

根据超声波测距公式L=C×

T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。

时间误差

当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s（20℃室温），忽略声速的传播误差。

测距误差s△t<

（0.001/344）≈0.000002907s即2.907ms。

在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。

使用的1MHz晶体作时钟基准的ATmega8单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用ATmega8定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。

超声波传播速度误差

超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。

对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。

例如当温度0℃时超声波速度是332m/s,30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。

若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。

2.2.3超声波测距系统的电路设计

1、超声波发送

超声波发送脉冲如图1所示。

40kHz的超声波发送脉冲信号由ATmega8的PB0口送出，其脉冲宽度及脉冲间隔均由软件控制。

脉冲宽度约为125μs～200μs，即在一个调制脉冲内包5～8个40kHz的方波。

脉冲发送间隔取决于要求测量的最大距离及测量通道数。

本系统有四路测距通道，采用分时工作，按左、中、右的顺序循环测距。

若在有效测距范围内有被测物的话，则在后一路超声波束发出之前应当接收到前一路发同的反射波，否则认为前一路无被测物。

因此按有效测距范围可以估算出最短的脉冲间隔发送时间。

例如:

最大测距范围为5m时，脉冲间隔时间t=2s/v=2×

5/340≈30ms，实际应取t≥30ms。

图1超声波发送脉冲波形图

2、超声波接收

回波很弱，因而转换为电信号的幅值也较小，为此要求将信号放大60万倍左右。

采有三级放大。

放大后的交流信号经光电隔离送入比较器，比较器的作用是将交流信号整形输出一个方波信号，此方波信号上升沿使D触发器触发，向CPU发中断申请。

在中断服务程序中，读取时间计数器的计数值，并结合温度换算出的速度算出发射到接收的距离。

3、时间计测

超过波从发射到接收的间隔时间的测定是由单片机内部的计数器T1来完成的。

在调试过程中出现的发送部分与接收部分的直接串扰问题是由于换能器之间的距离不大，有部分声波未经被测物就直接绕射到接收换能器上。

从发射开始一直到“虚假反射波”结束这段时间，不会发中断申请，可有效躲避干扰，但也会形成所谓的“盲区”。

本系统的盲区约为20cm左右。

4、电路框图

2.3DS18B20简介

DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20是新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。

一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°

C~+125°

C，在-10~+85°

C范围内,精度为±

0.5°

C。

DS1822的精度较差为±

2°

C。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

适合于恶劣环境的现场温度测量，如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。

而且新一代产品更便宜，体积更小。

DS18B20、DS1822的特性DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±

可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。

分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

DS18B20的性能是新一代产品中最好的！

性能价格比也非常出色！

DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。

省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±

2°

C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。

继“一线总线”的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。

DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

DS18B20的管脚排列如下:

DQ为数字信号输入/输出端；

GND为电源地；

VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。

64位光刻ROM的排列是：

开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。

光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:

用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；

如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。

暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。

第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。

第六、七、八个字节用于内部计算。

第九个字节是冗余检验字节。

该字节各位的意义如下：

TMR1R011111

低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。

在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。

R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：

（DS18B20出厂时被设置为12位）

分辨率设置表:

R1R0分辨率温度最大转换时间

009位93.75ms

0110位187.5ms

1011位375ms

1112位750ms

根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：

每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。

复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。

DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：

1、较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。

在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。

2、在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。

当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。

3、连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。

试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。

当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。

这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。

因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。

4、在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。

这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。

2.4无线模块SRWF-501简介

2.4.1引言

现代世界是一个高速自动化的世界，各种各样的设备除了可以与计算机联机外，还可以互相联机，而最简单的自动化联机方式就是使用串行通讯。

随着时代的进步，它并没有被取代，反倒是逐渐被广泛应用。

如今，在许多的场合有线连接的方式已经不能满足科技的高速发展。

无线技术正以一种快速的速度进入许多产品，它与有线相比主要有成本低，携带方便，省去有线布线的烦恼。

特别适用于手持设备的通信、电池供电设备、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、无线数字语音、数字图像传输、智能小区不停车收费、银行智能回单系统等。

在如此多的无线系统应用中，无线通信的协议自然显得特别重要，无线协议的好坏直接关系到系统的安全性、误码率、以及系统运行的速度。

2.4.2无线模块的特点

本系统采用上海桑锐电子科技有限公司的SRWF-501系列的无线收发模块，其特点如下：

1、微发射功率:

最大10dbm（10mW）的发射功率。

2、ISM频段工作频率，无需申请频点。

载频频率429-433MHz，也可提供315/868/915MHz等载频。

3、高抗干扰能力和低误码率。

基于FSK的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为10-2时，可得到实际误码率10-5～10-6。

4、完善的通讯协议，数据实时通信。

5、传输距离远。

在视距情况下，天线高度>

1.5米，可靠传输离距>

800m（BER=10-3/1200bps）。

6、透明的数据传输。

提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。

自动过滤掉空中产生的噪音信号及假数据（所发即所收）。

7、多信道，多速率。

SRWF-501型远程唤醒微功率无线数传模块标准配置提供8个信道，根据用户需要，可扩展到16/32信道，满足用户多种通信组合方式的需求。

SRWF-501型模块可提供1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps等多种通信波特率，并且无线传输速率与接口波特率成正比，以满足客户设备对多种波特率的需要。

8、双串口，3种接口方式。

SRWF-501型远程唤醒微功率无线数传模块提供2个串口3种接口方式COM1为TTL电平UART接口。

COM2由用