AVR单片机C程序设计与传感器：读取温度、湿度和运动

# 1. AVR单片机C语言基础**

AVR单片机是一种8位RISC微控制器，具有低功耗、高性能和易于编程的特点。本章将介绍AVR单片机C语言基础知识，包括：

* AVR单片机架构和指令集
* C语言数据类型、变量和常量
* 控制结构（if-else、循环）
* 函数和数组
* 输入/输出操作（端口、ADC、UART）

通过本章的学习，读者将掌握AVR单片机C语言的基本语法和编程技巧，为后续传感器数据采集和处理奠定基础。

# 2. 传感器原理及接口技术

### 2.1 温度传感器

**2.1.1 温度传感器的类型和特性**

温度传感器是一种将温度变化转换为电信号的器件。根据其工作原理，温度传感器可分为以下几类：

- **热敏电阻（NTC）**：NTC的电阻值随温度升高而减小。
- **正温度系数热敏电阻（PTC）**：PTC的电阻值随温度升高而增加。
- **热电偶**：热电偶利用两种不同金属之间的温差产生电压。
- **红外温度传感器**：红外温度传感器测量物体发出的红外辐射强度，从而确定温度。

**2.1.2 温度传感器的接口电路**

温度传感器与单片机连接时，需要设计适当的接口电路。常见接口电路包括：

- **分压电路**：将温度传感器与电阻串联，形成分压器，通过测量分压器输出电压即可获得温度信息。
- **运放放大电路**：使用运放放大温度传感器输出的电压，提高测量精度。
- **ADC转换电路**：将温度传感器输出的模拟电压转换为数字信号，以便单片机处理。

### 2.2 湿度传感器

**2.2.1 湿度传感器的类型和特性**

湿度传感器是一种将空气中湿度变化转换为电信号的器件。根据其工作原理，湿度传感器可分为以下几类：

- **电容式湿度传感器**：电容式湿度传感器利用电容值随湿度变化的特性进行测量。
- **电阻式湿度传感器**：电阻式湿度传感器利用电阻值随湿度变化的特性进行测量。
- **光学湿度传感器**：光学湿度传感器利用光在不同湿度下的折射率变化进行测量。

**2.2.2 湿度传感器的接口电路**

湿度传感器与单片机连接时，需要设计适当的接口电路。常见接口电路包括：

- **分压电路**：将湿度传感器与电阻串联，形成分压器，通过测量分压器输出电压即可获得湿度信息。
- **运放放大电路**：使用运放放大湿度传感器输出的电压，提高测量精度。
- **ADC转换电路**：将湿度传感器输出的模拟电压转换为数字信号，以便单片机处理。

### 2.3 运动传感器

**2.3.1 运动传感器的类型和特性**

运动传感器是一种将运动变化转换为电信号的器件。根据其工作原理，运动传感器可分为以下几类：

- **压电式运动传感器**：压电式运动传感器利用压电材料在受力时产生电荷的特性进行测量。
- **红外运动传感器**：红外运动传感器利用红外辐射的变化来检测运动。
- **加速度传感器**：加速度传感器利用物体加速度的变化来检测运动。

**2.3.2 运动传感器的接口电路**

运动传感器与单片机连接时，需要设计适当的接口电路。常见接口电路包括：

- **电阻分压电路**：将运动传感器与电阻串联，形成分压器，通过测量分压器输出电压即可获得运动信息。
- **运放放大电路**：使用运放放大运动传感器输出的电压，提高测量精度。
- **ADC转换电路**：将运动传感器输出的模拟电压转换为数字信号，以便单片机处理。

# 3. 传感器数据采集与处理

### 3.1 传感器数据的采集

#### 3.1.1 ADC原理及配置

模拟数字转换器（ADC）是将模拟信号（如温度、湿度、运动）转换为数字信号的电子器件。AVR单片机内置ADC模块，可将模拟电压信号转换为数字值。

ADC转换过程如下：

1. **采样：**ADC将模拟信号采样，获取其瞬时值。
2. **量化：**ADC将采样值量化为有限个离散值。
3. **编码：**ADC将量化值编码为数字信号。

ADC配置主要包括：

- **参考电压：**ADC转换的参考电压，通常为单片机的电源电压。
- **分辨率：**ADC转换的位数，决定了转换结果的精度。
- **采样速率：**ADC采样信号的频率。

// ADC初始化函数
void ADC_Init(void) {
    // 设置参考电压为单片机电源电压
    ADMUX |= (1 << REFS0);
    // 设置分辨率为10位
    ADMUX |= (1 << ADLAR);
    // 设置采样速率为125kHz
    ADCSRA |= (1 << ADPS2) | (1 << ADPS1) | (1 << ADPS0);
}

#### 3.1.2 传感器数据的读取

读取传感器数据的步骤如下：

1. **启动ADC转换：**通过设置ADCSRA寄存器的ADSC位启动ADC转换。
2. **等待转换完成：**轮询ADCSRA寄存器的ADIF位，等待转换完成。
3. **读取转换结果：**读取ADC寄存器（ADCL和ADCH）获取转换结果。

// 读取传感器数据函数
uint16_t Read_Sensor_Data(void) {
    // 启动ADC转换
    ADCSRA |= (1 << ADSC);
    // 等待转换完成
    while (!(ADCSRA & (1 << ADIF)));
    // 读取