基于单片机的数据采集系统的设计论文.doc

题目 基于单片机数据采集系统设计 系系 部 电子科学与技术系 部 电子科学与技术系 专专 业业 班 电子科技班 电子科技 xxxxxx 班班 姓姓 名 名 xxxxx 学学 号 号 xxxx 指导教师 指导教师 xxxxx 2007 年年 4 月月 21 日日 毕业设计 论文 开题报告毕业设计 论文 开题报告 姓名xxx专业班电子科技 xxxx 班系别计算机与电子系 指导教师xxxxx同组姓名xxxxxxx 课题名称基于单片机数据采集系统设计 课题的背景及其意义 随着计算机技术的飞速发展和普及 数据采集系统也迅速地得到应用 在生 产过程中 应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集 监视和记录 为提 高产品质量 降低成本提供信息和手段 在科学研究中 应用数据采集系统可获 得大量的动态信息 是研究瞬间物理过程的有力工具 也是获取科学奥秘的重要 手段之一 总之 不论在哪个应用领域中 数据采集与处理越及时 工作效率就 越高 取得的经济效益也越高 电子计算机的发展对通信起了巨大的推动作用 计算机和通信紧密结合可以构 成灵活多样的通信控制系统也可以构成强有力的信息处理系统 这样对社会的发展 产生深刻的影响 数据通信是电子计算机广泛应用的必然产物 计算机与它的终端之 间需要数据通信 计算机与计算机之间更需要数据通信 此处在遥测 遥感 雷达 自动 控制等系统中都要用到计算机 因而都需要数据通信 数据采集系统 从严格的意义上来说 应该是用计算机控制的多路数据自动 检测或巡回检测 并且能够对数据实行存储 处理 分析计算以及检测的数据中 提取可用的信息 供显示 记录 打印或描绘的系统 数据采集系统一般由数据输入系统 数据存储与管理 数据处理 数据输出及 显示这四个部分组成 输入通道要实现对被测对象的检测 采样和信号转换工作 数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来 建立相应的数据库 并进 行管理和调用 数据处理就是从采集到的原始数据中 删除有关干扰噪声 无关 信息和必要的信息 提取出反映被测对象特征的重要信息 另外 就是对数据进 行统计分析 以便于检索 或者把数据恢复成原来的物理量形式 以可输出的形 态在输出设备上输出 例如打印 显示 绘图等 数据输出及显示就是把数据以 适当的形式进行输出和显示 本课题要完成的主要任务 1 学习单片机的原理与接口技术 2 以 80C51 芯片为主控器 选择 A DC0809 模数转换芯片扩展 A D D A 接口 构成一个多路模拟量的数据采集系统 3 设计制作硬件电路 编制程序流程图并调试出程序 仿真脱机运行 4 显示数据 本设计的技术方案 以单片机 ATMEGA16 为核心 结合其它器件一起设计一个数据采集系统 主 要功能是实现一个多路数据采集系统 系统的原理框图如下 数据流 ATMEGA16 LCD12864 键盘 根据本设计的要求和方案的设想 总结一下本设计要做的具体的工作主要有 以下几个方面 第一 分析与论证本设计所采用的方案 包括主控系统 显示系统等的分析 以及这些模块的功能等 在对设计要求充分分析的基础上 划分功能模块 选择 需要的硬件设备 第二 收集大量数据采集系统方面的资料 包括文字资料和试验数据 总 结规律 找到能够统一对数据进行处理和识别的方法 这是设计中最关键的一步 对设想的方案仔细比较论证 确定下来以后 根据选择的硬件设备完成原理图的 设计 包括PCB板的设计 第三 根据划分的功能模块 编写操作程序 这也是本设计中很重要的一个 工作 确定编程时要尽量做到界面美观 操作简便 第四 通过大量的多路数据采集和处理试验 来完善提出的实施方法 同时 进行程序调试 继续完善各功能模块的程序 研究进度 上学期第 13 16 周 完成开题报告 上学期第 17 22 周 完成论文整体方案设计 下学期第 1 2 周 完善论文主体设计并审查 下学期第 3 周 论文格式审查 下学期第 4 5 周 撰写论文 下学期第 6 7 周 答辩 指导教师 签字 同组设计 者 签字 教研室主任 签字 二 年 月 日 基于单片机数据采集系统设计 The design of data collection system base on singlechip 摘 要 在计算机广泛应用的今天 数据采集的重要性是十分显著的 它是计算机与外 部物理世界连接的桥梁 它在现代信息领域发挥着重要作用 是信息产品不可或缺 的重要组成部分 因此选择基于单片机数据采集系统设计是很有意义也是很有必要 的 随着计算机技术的飞速发展和普及 数据采集系统也迅速地得到应用 在生产 过程中 应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集 监视和记录 为提高产 品质量 降低成本提供信息和手段 在科学研究中 应用数据采集系统可获得大量 的动态信息 是研究瞬间物理过程的有力工具 也是获取科学奥秘的重要手段之一 总之 不论在哪个应用领域中 数据采集与处理越及时 工作效率就越高 取得的 经济效益也越高 本设计采用 ATMEGA16 单片机作为数据采集系统的控制核心 系统分为数据采 集模块 A D 转换模块 系统控制模块 键盘模块 显示模块等几部分 系统通 过 ATMEGA16 对多通道的数据流进行控制 经过处理后在 LCD12864 上进行显示 本 设计在此基础上设计了系统的总体方案 最后通过硬件和软件实现了各个功能模块 相关部分附有硬件电路图 程序流程图 经实验证明 这套系统软硬件设计合理 各项性能良好 经过系统扩展与升级 可以有效的满足各种数据采集的需要 关键词 ATMEGA16 数据采集 A D 转换 LCD12864 Abstract Widely used in computers today the importance of data collection is very significant It is a bridge connecting the computer and the outside physical world It plays an important role in the modern field of information is an important and indispensable component of information products MCU selected based data acquisition system is very much necessary in the design is of great significance With the rapid development of computer technology and penetration rapid data acquisition system has been applied In the production process the system can be applied to the production process parameters for site acquisition monitoring and recording To improve product quality reduce costs and provide information means In scientific research application of dynamic data acquisition system can obtain a lot of information is a powerful tool to study physical processes instant one of the important means of gaining scientific mystery In short regardless of which application in the field more timely data acquisition and processing the higher the efficiency achieve higher economic efficiency The design of the data acquisition system used as a control ATMEGA16 MCU core D conversion system is divided into modules the system control module keyboard module module and other parts ATMEGA16 of multi channel systems to control data flow After being handled in LCD12864 on show The design of the system based on the overall design hardware and software by the end of each module Some of related hardware circuit flowchart The experiment proved that the system software and hardware design good properties through expansion and upgrading can effectively meet the needs of data collection Keywords ATMEGA16 The data collect A DTransform LCD12864 目 录 摘要 Abstract 第一章 绪论 1 1 11 1 课题的背景及其意义课题的背景及其意义 1 1 21 2 系统整体方案设想系统整体方案设想 1 1 2 1 系统硬件方案设想 2 1 2 2 系统软件方案设想 2 1 31 3 本设计要完成的任务本设计要完成的任务 2 第二章 方案的分析与论证 4 2 12 1 主控系统分析与论证主控系统分析与论证 4 2 22 2 显示器件的选择显示器件的选择 12 第三章 系统的硬件结构设计 14 3 13 1 外围输入电路外围输入电路 14 3 1 1 音频输入电路 14 3 1 2 光电池输入电路 15 3 1 3 磁场输入电路 16 3 1 4 电压输入电路 17 3 23 2 串口电平转换电路串口电平转换电路 18 3 33 3 键盘电路键盘电路 19 3 43 4 显示电路显示电路 19 3 53 5 主控器主控器 ATMEGA16ATMEGA16 电路电路 21 第四章 系统软件结构设计 24 4 14 1 系统主程序流程图系统主程序流程图 24 4 24 2 数据采集中断服务子程序流程图数据采集中断服务子程序流程图 25 4 34 3 数据采集与显示程序流程图数据采集与显示程序流程图 27 总结 28 致谢 29 参考文献 30 附录 附录一 电路原理图 31 附录二 PCB 图 32 附录三 程序清单 33 第一章第一章绪论绪论 1 11 1课题的背景及其意义课题的背景及其意义 随着计算机技术的飞速发展和普及 数据采集系统也迅速地得到应用 在生产 过程中 应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集 监视和记录 为提高产 品质量 降低成本提供信息和手段 在科学研究中 应用数据采集系统可获得大量 的动态信息 是研究瞬间物理过程的有力工具 也是获取科学奥秘的重要手段之一 总之 不论在哪个应用领域中 数据采集与处理越及时 工作效率就越高 取得的 经济效益也越高 电子计算机的发展对通信起了巨大的推动作用 计算机和通信紧密结合可以构成 灵活多样的通信控制系统也可以构成强有力的信息处理系统 这样对社会的发展产生 深刻的影响 数据通信是电子计算机广泛应用的必然产物 计算机与它的终端之间需 要数据通信 计算机与计算机之间更需要数据通信 此处在遥测 遥感 雷达 自动控制 等系统中都要用到计算机 因而都需要数据通信 数据采集系统 从严格的意义上来说 应该是用计算机控制的多路数据自动检 测或巡回检测 并且能够对数据实行存储 处理 分析计算以及检测的数据中提取 可用的信息 供显示 记录 打印或描绘的系统 数据采集系统一般由数据输入系统 数据存储与管理 数据处理 数据输出及 显示这四个部分组成 输入通道要实现对被测对象的检测 采样和信号转换工作 数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来 建立相应的数据库 并进行 管理和调用 数据处理就是从采集到的原始数据中 删除有关干扰噪声 无关信息 和必要的信息 提取出反映被测对象特征的重要信息 另外 就是对数据进行统计 分析 以便于检索 或者把数据恢复成原来的物理量形式 以可输出的形态在输出 设备上输出 例如打印 显示 绘图等 数据输出及显示就是把数据以适当的形式 进行输出和显示 1 2 系统整体方案设想 1 2 1 系统硬件方案设想 数据采集系统一般由数据输入系统 数据存储与管理 数据处理 数据输出及 显示这四个部分组成 输入通道要实现对被测对象的检测 采样和信号转换工作 数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来 建立相应的数据库 并进行 管理和调用 数据处理就是从采集到的原始数据中 删除有关干扰噪声 无关信息 和必要的信息 提取出反映被测对象特征的重要信息 另外 就是对数据进行统计 分析 以便于检索 或者把数据恢复成原来的物理量形式 以可输出的形态在输出 设备上输出 例如打印 显示 绘图等 数据输出及显示就是把数据以适当的形式 进行输出和显示 本系统的硬件的组成部分分为数据采集模块 处理与控制模块 键盘模块 显 示模块四部分 采用 ATMEGA16 微处理器作为本设计的核心 对各个模块的信号 进行处理分析 数据采集系统通过对多路数据进行采集 并通过 ATMEGA16 单片 机进行处理和分析 最后将数据显示在 LCD 显示器上 本设计正是通过这个方案 对数据进行采集 处理 显示 以达到数据采集的目的 1 2 2系统软件方案设想 对于软件这个部分 关键是怎样通过软件来实现数据采集系统的各种功能 因此 从软件的角度来讲 需要找到一种算法 以便于能利用该算法实现对所有数 据流的采集 处理与传输 从而能使该系统能兼容所有的数据采集流 1 3 本设计要完成的任务 以单片机 ATMEGA16 为核心 结合其它器件一起设计一个数据采集系统 主 要功能是实现一个多路数据采集系统 系统的原理框图如下 数据流 ATMEGA16 LCD12864 键盘 根据本设计的要求和方案的设想 总结一下本设计要做的具体的工作主要有以 下几个方面 第一 分析与论证本设计所采用的方案 包括主控系统 显示系统等的分析 以及这些模块的功能等 在对设计要求充分分析的基础上 划分功能模块 选择需 要的硬件设备 第二 收集大量数据采集系统方面的资料 包括文字资料和试验数据 总结 规律 找到能够统一对数据进行处理和识别的方法 这是设计中最关键的一步 对 设想的方案仔细比较论证 确定下来以后 根据选择的硬件设备完成原理图的设计 包括PCB板的设计 第三 根据划分的功能模块 编写操作程序 这也是本设计中很重要的一个 工作 确定编程时要尽量做到界面美观 操作简便 第四 通过大量的多路数据采集和处理试验 来完善提出的实施方法 同时 进行程序调试 继续完善各功能模块的程序 第二章 方案的分析与论证 2 12 1 主控系统分析与论证主控系统分析与论证 方案一 选用 80C51 芯片为主控器 选择 A DC0809 模数转换芯片扩展 A D D A 接口 1 模拟输入子系统的设计 采用多路数据采集对来自多个信号源的信号进行数字化处理 在图 a 中 模 拟多路复用器 MUX 在来自 8 个模拟传感器的输入信号中进行选择 然后 MUX 将 输出信号馈送给信号调节放大器 信号调节放大器将输出信号馈送给模数转换器 ADC 图 2 1 模拟多路复用器 2 A D 转换 ADCADC0809 模数转换器的引脚功能 IN0 IN7 路模拟量输入 A B C 位地址输入 个地址输入端的不同组合选择八路模拟量输入 ALE 地址锁存启动信号 在 ALE 的上升沿 将 A B C 上的通道地址锁存到 内部的地址锁存器 D0 D7 八位数据输出线 A D 转换结果由这 根线传送给单片机 OE 允许输出信号 当 OE 1 时 即为高电平 允许输出锁存器输出数据 START 启动信号输入端 START 为正脉冲 其上升沿清除 ADC0808 的内部 的各寄存器 其下降沿启动 A D 开始转换 EOC 转换完成信号 当 EOC 上升为高电平时 表明内部 A D 转换已完成 CLK 时钟输入信号 0809 的时钟频率范围在 10 1200kHz 典型值为 640kHz 图 2 2 ADC0809 时序图 3 数据采集系统电路图 ADC0809 是带有 8 1 多路模拟开关的 8 位 A D 转换芯片 所以它可有 8 个 模拟量的输入端 由芯片的 A B C 三个引脚来选择模拟通道中的一个 A B C 三端分别与 8051 的 P1 0 P1 2 相接 地址锁存信号 ALE 和启动转换信 号 START 由 P2 7 和 WR 或非得到 输出允许 由 P2 7 和 RD 或非得到 时 钟信号 可有 8051 的 ALE 输出得到 不过当采用 6M 晶振时 应该先进行二分 频 以满足 ADC0809 的时钟信号必须小于 640K 的要求 图 2 3 系统电路图 4 芯片管脚图 D0 7 A B C OE START ALE CLOCK 74LS74 0202 P0 1 P0 7 P2 0 P2 1 P2 2 RD P2 7 WR ALE 80510809 Vref Vref VCC IN0 IN7 EOCP1 0 图 2 4 ADC0809 管脚图 图 2 5 8051 芯片管脚图 8051 芯片的外部结构引脚和指令系统完全兼容 其内部结构除 ROM EPROM 不同外 其余完全相同 一个完整的计算机应该由运算器 控制器 存储器 ROM 及RAM 数据总线和I O 接口组成 一般微处理器 如8086 就 只包括运算器和控制器两部分 和一般微处理器相比 8051 增加了四个8 位I O 口 一个串行口 4KB ROM 128BRAM 很多工作寄存器及特殊功能寄存器 各引脚功能简要说明如下 1 电源引脚Vcc 和Vss Vcc 40 脚 电源端 为 5V Vss 20 脚 接地端 2 时钟电路引脚XTAL1 和XTAL2 XTAL2 18 脚 接外部晶体和微调电容的一端 在8051 片内它是振荡电路反相 放大器的输出端 振荡电路的频率就是晶体固有频率 若需采用外部时钟电路时 该引脚输入外部时钟脉冲 要检查8051 8031 的振荡电路是否正常工作 可用示波 器查看XTAL2 端是否有脉冲信号输出 XTAL1 19 脚 接外部晶体和微调电容的 另一端 在片内它是振荡电路反相放大器的输入端 在采用外部时钟时 该引脚必 须接地 3 控制信号引脚RST ALE PSEN 和EARST VPD 9 脚 RST 是复位信号输入端 高电平有效 当此输入端保持两个机器周期 24个时钟振荡周期 的高电平时 就可 以完成复位操作 RST 引脚的第二功能是VPD 即备用电源的输入端 当主电源 Vcc 发生故障 降低到低电平规定值时 将 5V 电源自动接入RST 端 为RAM 提供备用电源 以保证存储在RAM 中的信息不丢失 从而合复位后能继续 正常运行 ALE PROG ADDRESS LATCH ENABLE PROGRAMMING 30 脚 地 址锁存允许信号端 8051 上电正常工作后 ALE 引脚不断向外输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率fOSC 的1 6 CPU 访问片外存储器时 ALE 输出信号作为锁 存低8 位地址的控制信号 ALE 端的负载驱动能力为8 个LS 型TTL 低功耗甚高速TTL 负载 此引脚的 第二功能PROG 在对片内带有4KB EPROM 的8751 编程写入 固化程序 时 作为编 程脉冲输入端 PSEN PROGRAM STORE ENABLE 29 脚 程序存储允许输出信号端 在访 问片外程序存储器时 此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号 此引肢 接EPROM 的OE 端 PSEN 端有效 即允许读出EPROM ROM 中的指令码 PSEN 端同样可驱动8 个LS 型TTL 负载 要检查一个8051 小系统上电后CPU 能 否正常到EPROM ROM 中读取指令码 也可用示波器看PSEN 端有无脉冲输出 如有则说明基本上工作正常 EA Vpp ENABLE ADDRESS VOLTAGE PULSE OF PROGRAMING 31 脚 外部程序存储器地址允许输入端 固化编程电压输入端 当EA 引脚接高电平时 CPU只访问片内EPROM ROM并执行内部程序存储器中的指令 但当PC 程序计 数器 的值超过0FFFH 8051 为4K 时 将自动转去执行片外程序存储器内的程序 此引脚的第二功能是Vpp 是对8751 片内EPROM固化编程时 作为施加较高编程电 压 一般12V 21V 的输入端 4 输入 输出端口P0 P1 P2 P3 P0 口 P0 0 P0 7 39 32 脚 P0 口是一个漏极开路的8 位准双向I O 口 作为漏极开路的输出端口 每位能驱动8 个LS 型TTL 负载 当P0 口作为输入口 使用时 应先向口锁存器 地址80H 写入全1 此时P0 口的全部引脚浮空 可作为 高阻抗输入 作输入口使用时要先写1 这就是准双向口的含义 在CPU 访问片外存 储器时 P0 口分时提供低8 位地址和8 位数据的复用总线 在此期间 P0 口内部上拉 电阻有效 P1 口 P1 0 P1 7 1 8 脚 P1 口是一个带内部上拉电阻的8 位准双向I O 口 P1 口每位能驱动4 个LS 型TTL 负载 在P1 口作为输入口使用时 应先向P1 口锁存地址 90H 写入全1 此时P1 口引脚由内部上拉电阻拉成高电平 P2 口 P2 0 P2 7 21 28 脚 P2 口是一个带内部上拉电阻的8 位准双 向I O 口 P2每位能驱动4 个LS 型TTL 负载 在访问片外EPROM RAM 时 它 输出高8 位地址 P3 口 P3 0 P3 7 10 17 脚 P3 口是一个带内部上拉电阻的8 位准双向 I O 口 P3口每位能驱动4 个LS 型TTL 负载 方案二 选用 ATMEGA16 芯片为主控器 系统的原理框图 ATMEGA16 LCD12864 键盘 图 2 6 系统原理框图 ATMEGA16 芯片管脚图 图 2 7 ATMEGA16 芯片管脚图 ATMEGA16 芯片功能介绍 ATmega16是基于增强的AVR 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1 MIPS MHz 从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾 AVR 内核具有丰富的 指令集和32 个通用工作寄存器 所有的寄存器都直接与算逻单元 ALU 相连接 使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器 这种结 构大大提高了代码效率 并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐 率 ATmega16 有如下特点 16K字节的系统内可编程Flash 具有同时读写的能力 即RWW 512 字节EEPROM 1K 字节SRAM 32 个通用I O 口线 32 个通用工作寄 存器 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 掉电模式时晶体振荡 器停止振荡 所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作 在省电模式下 异步 定时器继续运行 允许用户保持一个时间基准 而其余功能模块处于休眠状态 ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和除了异步定时器与ADC 以外所有I O 模块的工作 以降低ADC 转换时的开关噪声 Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行 其 余功能模块处于休眠状态 使得器件只消耗极少的电流 同时具有快速启动能力 扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作 本芯片是以Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的 片内ISP Flash 允许程 序存储器通过ISP 串行接口 或者通用编程器进行编程 也可以通过运行于AVR 内 核之中的引导程序进行编程 引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用 Flash存储区 ApplicationFlash Memory 在更新应用Flash存储区时引Flash区 Boot Flash Memory 的程序继续运行 实现了RWW 操作 通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内 ATmega16 成为一个功能强大的单片 机 为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案 ATmega16 具有一整 套的编程与系统开发工具 包括 C 语言 编译器 宏汇编 程序调试器 软件仿 真器 仿真器及评估板 引脚说明 VCC 数字电路的电源 GND 地 端口A PA7 PA0 端口A 做为A D 转换器的模拟输入端 端口A 为8 位双向 I O 口 具有可编程的内部上拉电阻 其输出缓冲器具有对称的驱动特性 可以输 出和吸收大电流 作为输入使用时 若内部上拉电阻使能 端口被外部电路拉低时 将输出电流 在复位过程中 即使系统时钟还未起振 端口A 处于高阻状态 端口B PB7 PB0 端口B 为8 位双向I O 口 具有可编程的内部上拉电阻 其 输出缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时 若内 部上拉电阻使能 端口被外部电路拉低时将输出电流 在复位过程中 即使系统时 钟还未起振 端口B 处于高阻状态 端口B 也可以用做其他不同的特殊功能 端口C PC7 PC0 端口C 为8 位双向I O 口 具有可编程的内部上拉电阻 其输出 缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时 若内部上 拉电阻使能 端口被外部电路拉低时将输出电流 在复位过程中 即使系统时钟还 未起振 端口C 处于高阻状态 如果JTAG接口使能 即使复位出现引脚PC5 TDI PC3 TMS 与 PC2 TCK 的上拉电阻被激活 端口C 也可以用做其他不同的特殊功能 端口D PD7 PD0 端口D 为8 位双向I O 口 具有可编程的内部上拉电阻 其 输出缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时 若内 部上拉电阻使能 则端口被外部电路拉低时将输出电流 在复位过程中 即使系统 时钟还未起振 端口D 处于高阻状态 端口D 也可以用做其他不同的特殊功能 RESET 复位输入引脚 持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位 持续 时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位 XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端 XTAL2 反向振荡放大器的输出端 AVCC AVCC是端口A与A D转换器的电源 不使用ADC时 该引脚应直接与VCC连 接 使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC 连接 AREF A D 的模拟基准输入引脚 很显然 对比 80C51 芯片与 ATMEGA16 芯片的功能可以知道 ATMEGA16 比 80C51 集成度高 而且它拥有更强大的功能 性价比更高 如果选用 80C51 芯片 需要选择 A DC0809 模数转换芯片扩展 A D D A 接口及扩展外围电路 而 ATMEGA16 集成了 A D 模数转换芯片和其它的外围电路 因此选择 ATMEGA16 芯片更 加方便可靠 使整个电路更加简洁 2 2显示器件的选择 方案一 LED LED Light Emitting Diode 已日趋在固体显示中占主导地位 LED 之所以受到广 泛重视而得到迅速发展 是与它本身所具有的优点分不开的 这些优点概括起来是 亮度高 工作电压低 功耗小 小型化而易与集成电路匹配 驱动简单 寿命长 耐冲击和性能稳定 LED 的发展前景极为广阔 目前正朝着更高亮度 更高耐气 候性 更高的发光密度 更高的发光均匀性 可靠性 全色化方向发展 由组成半 导体的材料不同而可以得到能发出不同色彩的 LED 晶点 目前应用最广的是红色 绿色 黄色 LED 而蓝色和纯绿色 LED 的开发已经达到了实用阶段 从显示方面 讲 LED 可以显示文字 数字 数码管 也可以显示图形图像 LED 矩阵模块 从应用方面 LED 显示即可以用于室内环境 也可以用于室外环境 方案二 LCD 液晶显示器 LCD 具有功耗低 体积小 重量轻 超薄等许多其它显示器无法 比拟的优点 近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器 仪表和低功耗电子产品中 LCD 可分为段位式 LCD 字符式 LCD 和点阵式 LCD 其中 段位式 LCD 和字符式 LCD 只能用于字符和数字的简单显示 不能满足图形曲线和汉字显示的要求 而点阵 式 LCD 不仅可以显示字符 数字 还可以显示各种图形 曲线及汉字 并且可以实现 屏幕上下左右滚动 动画功能 分区开窗口 反转 闪烁等功能 用途十分广泛 本文介绍 了点阵式液晶显示器 MGLS12864 与单片机的接口及编程的方法 同时介绍了创建 8 16 字符和 16 16 点阵汉字的方法 及常用的字符显示和汉字显示程序 考虑到此系统的实用性 选择 LCD 作为显示器件 综上论证 选择 ATMEGA16 单片机为核心 选择 LCD12864 做为显示器件来设计 制作数据采集系统 基于此思想 对系统的硬件 软件的设计以及电路原理图和 PCB 图展开制作 第三章 系统的硬件结构设计 经过方案论证的过程之后 我们选定了采用单片机 ATMEGA16 作为核心的方案 其系统总方框图如图所示 ATMEGA16 LCD12864 键盘 数据流 外围电路 图 3 1 系统总原理图 3 1外围输入电路 3 1 1 音频输入电路 音频输入电路主要原理 外部的声音信号通过麦克风采集 然后经过音频功率 放大电路放大后输入单片机 TDA2822 集成功放电路常用在随身听 便携式的 DVD 等音频放音用 功率不 是很大但以可以满足您的听觉要求了 且有电路简单 音质好 电压范围宽等特点 是业余制作小功放的较佳选择 下图是音频采集的电路图 图 3 2 音频采集电路 3 1 2光电池输入电路 电路工作原理 将外部的光信号采集放大后输入单片机 硅光电池是一个大面积的光电二极管 它被设计用于把入射到它表面的光能转 化为电能 因此 可用作光电探测器和光电池 被广泛用于太空和野外便携式仪器 等的能源 光电池的基本结构如图 当半导体PN结处于零偏或反偏时 在它们的结合面耗 尽区存在一内电场 当有光照时 入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带 激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到N型区和P型区 当在PN结两端加负 载时就有一光生电流流过负载 图 3 4 光电池电路 3 1 3磁场输入电路 霍尔器件是一种磁传感器 用它们可以检测磁场及其变化 可在各种与磁场有 关的场合中使用 霍尔器件以霍尔效应为其工作基础 霍尔器件具有许多优点 它们的结构牢固 体积小 重量轻 寿命长 安装方 便 功耗小 频率高 可达 1MHZ 耐震动 不怕灰尘 油污 水汽及盐雾等的 污染或腐蚀 霍尔线性器件的精度高 线性度好 霍尔开关器件无触点 无磨损 输出波形 清晰 无抖动 无回跳 位置重复精度高 可达 m 级 取用了各种补偿和保护措 施的霍尔器件的工作温度范围宽 可达 55 150 图 3 3 光电池结构图 图 3 5 霍尔电路 CS3501 特性参数 型号 Vcc V 线性范围 mT 工作温度 灵敏度 S mV mT 静态输出电压 Vo V min typ max min typ max CS3501 8 12 100 20 85 3 5 7 0 2 5 3 6 5 0 型号 IOUT mA Ro k Icc mA 乘积灵敏度 V A 0 1T 输出形式 引脚排列 外形结 构 typ max 1 2 3 4 CS3501 4 0 0 1 10 20 射极输出 VCC 地 输出 CI P 3 1 4电压输入电路 电路通过滑动变阻器的滑动将电压输入信号输入单片机 图 3 6 电压输入电路 3 2串口电平转换电路 串口通讯对单片机而言意义重大 不但可以实现将单片机的数据传输到电脑端 而且也能实现电脑对单片机的控制 比如可以很直观地把红外遥控器键值的数据码 显示在电脑上 可以使编写红外遥控程序时方便不少 起到仿真器的某些功效 ATMEGA16 单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯 进行串行通讯时要 满足一定的条件 比如电脑的串口是 RS232 电平的 而单片机的串口是 TTL 电平 的 两者之间必须有一个电平转换电路 我们采用了专用芯片 MAX232 进行转换 虽然也可以用几个三极管进行模拟转换 但是还是用专用芯片更简单可靠 我们采 用了三线制连接串口 也就是说和电脑的 9 针串口只连接其中的 3 根线 第 5 脚的 GND 第 2 脚的 RXD 第 3 脚的 TXD Max232 产品是由德州仪器公司 TI 推出的一款兼容 RS232 标准的芯片 该 器件包含 2 驱动器 2 接收器和一个电压发生器电路提供 TIA EIA 232 F 电平 该器件符合 TIA EIA 232 F 标准 每一个接收器将 TIA EIA 232 F 电平转换成 5 V TTL CMOS 电平 每一个发送器将 TTL CMOS 电平转换成 TIA EIA 232 F 电平 图 3 7 串口电平转换电路 3 3 键盘电路 键盘电路主要是通过手动对单片机进行控制 电路有四个按键 K1 SET K2 UP K3 DOWN K4 ENT 图 3 8 键盘电路 3 4 显示电路 液晶显示器 LCD 具有功耗低 体积小 重量轻 超薄等许多其它显示器无法 比拟的优点 近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器 仪表和低功耗电子产品中 LCD 可分为段位式 LCD 字符式 LCD 和点阵式 LCD 其中 段位式 LCD 和字符式 LCD 只能用于字符和数字的简单显示 不能满足图形曲线和汉字显示的要求 而点阵 式 LCD 不仅可以显示字符 数字 还可以显示各种图形 曲线及汉字 并且可以实现 屏幕上下左右滚动 动画功能 分区开窗口 反转 闪烁等功能 用途十分广泛 本文介绍 了点阵式液晶显示器 MGLS12864 与单片机的接口及编程的方法 同时介绍了创建 8 16 字符和 16 16 点阵汉字的方法 及常用的字符显示和汉字显示程序 单片机可以通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式 I O 设备访问 形式控制该液晶显示模块 单片机对液晶显示模块的操作可分为两部分 即左半屏和 右半屏操作 功能介绍 LCD12864 黄色背光 是一款具有 4 位 8 位并行 2 线或 3 线串行多种接 口方式 内部含有国标一级 二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块 其显示 分辨率为 128 64 内置 8192 个 16 16 点汉字 和 128 个 16 8 点 ASCII 字符集 利 用该模块灵活的接口方式和简单 方便的操作指令 可构成全中文人机交互图形界 面 可以显示 8 4 行 16 16 点阵的汉字 也可完成图形显示 低电压低功耗是其又 一显著特点 由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比 不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多 且该模块的价格也略低于相同点阵的 图形液晶模块 管脚名称LEVEL功能 1VSS0V电源地 2VDD 5V电源正极 3V0 5V对比度调节 4RSH L数据 命令选择 5R WH L读 写选择 6EH H L模块使能端 7 14DB0 DB7H L双向数据口 15PSBH L H 并行模式 L 串行模式 16NC空脚 17 RSTL 自带复位 可 悬空 18NC空脚 19LEDA 5VLED 背光正极 20LEDK0VLED 背光负极 图 3 9 LCD12864 引脚功能表 图 3 10 LCD12864 3 5 主控器 ATMEGA16 电路 整个硬件电路以 ATMEGA16 单片机为核心 单片机对输入的音频信号 光信 号 磁信号 电压等信号进行处理 通过按键对单片机进行控制 最后将信号在 LCD 上进行显示 选用高性能 低功耗的 8 位 ATMEGA16 单片机 它具有如下特点 16KB 的 系统内可编程 Flash 具有同时读写的能力 即 RWW 512B EEPROM 1KB SRAM 32 个通用 I O 口线 32 个通用工作寄存器 3 个具有比较模式的灵活的定 时器 计数器 T C 可编程串行接口 低功耗空闲和掉电方式等 芯片特性 高性能 低功耗的 8 位AVR 微处理器 先进的RISC 结构 131 条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期 32个8 位通用工作寄存器 全静态工作 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 非易失性程序和数据存储器 16K 字节的系统内可编程Flash 擦写寿命 10 000 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 100 000 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 JTAG 接口 与IEEE 1149 1 标准兼容 符合JTAG 标准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试功能 通过JTAG 接口实现对Flash EEPROM 熔丝位和锁定位的编程 外设特点 两个具有独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 四通道PWM 8路10 位ADC 8 个单端通道 TQFP 封装的7 个差分通道 2 个具有可编程增益 1x 10 x 或200 x 的差分通道 面向字节的两线接口 两个可编程的串行USART 可工作于主机 从机模式的SPI 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 特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的RC 振荡器 片内 片外中断源 6种睡眠模式 空闲模式 ADC 噪声抑制模式 省电模式 掉电模式 Standby 模式以及 扩展的Standby 模式 I O 和封装 32 个可编程的I O 口 40引脚PDIP 封装 44 引脚TQFP 封装 与44 引脚MLF 封装 工作电压 ATmega16 4 5 5 5V 速度等级 0 16 MHz ATmega16 图3 11 ATMEGA16的主电路 第四章系统软件结构设计 4 1 系统主程序流程图 图 4 1 主程序流程图 4 2 数据采集中断服务子程序流程图 图 4 2 数据采集中断服务子程序流程图 4 3 数据采集与显示程序流程图 图 4 3 数据采集与显示程序流程图 总结 本设计采用 ATMEGA16 单片机作为数据采集系统的控制核心 系统分为数据采 集模块 A D 转换模块 系统控制模块 键盘模块 显示模块等几部分 系统数据 采集的数据流包括音频信号 光信号 磁信号 电压引号 这些信号传输到 ATMEGA 单 片机 经过单片机的处理将数据显示在 LCD12864 上 系统是由硬件与软件协调运作实现数据采集的功能 其中硬件电路由数据采集 外围电路 串口电平转换电路 CPU 控制电路 键盘电路 显示电路组成 软件由 驱动子程序组成 在元件及调制方面 由于采用的电路使用了很多集成电路 外围元件不是很多 所以调试应该不会太难 一般只要电路焊接无误 稍加调试应该会正常工作 电路 中除集成电路外 对各电子元件也无特别要求 该系统各部分采用模块化设计 各个模块之间独立性强 控制部分采用可编 程微处理器 可以在不增加系统硬件的情况下方便地对系统进行二次开发与升级 致谢 首先 我要感谢我的导师乐雄军老师在毕业设计中对我给予的悉心指导和严 格要求 同时感谢电子科技实验室的一些老师在毕业设计期间所给予我得帮助 在 我毕业论文写作期间 各位老师给我提供了种种专业知识上的指导和日常生活上的 关怀 没有您们这样的帮助和关怀 我不会这么顺利的完成毕业设计 借此机会 向您们表示由衷的感激 同时还要感谢系实验室在毕业设计期间提供给我们优越的 实验条件 接着 我要感谢我的同学 邵梦龙 刘奕 在毕业设计的短短 3 个月里 你们 给我提出很多宝贵的意见 给了我不少帮助还有工作上的支持 在此也真诚的谢谢 你们 同时 我还要感谢我的寝室同学和身边的朋友 正是在这样一个团结友爱 相 互促进的环境中 在和他们的相互帮助和启发中 才有我今天的小小收获 最后我要深深地感谢我的家人 正是他们含辛茹苦地把我养育成人 在生活和 学习上给予我无尽的爱 理解和支持 才使我时刻充满信心和勇气 克服成长路上 的种种困难 顺利的完成大学学习 还有许许多多给予我学业上鼓励和帮助的朋友 在此无法一一列举 在此也一 并表示忠心地感谢 参考文献 1 李华 MCS 51 系列单片机实用接口技术 北京航空航天大学出版社 1993 2 谢自美 电子线路设计 试验 测试 华中科技大学出版社 2002 293 299 3 朱定华 微机应用系统设计 华中科技大学设计 4 南建辉 熊鸣 王军如 MCS 51 单片机原理及应用实例 清华大学出版社 5 全国大学生电子设计竞赛 1994 年获奖作品选编 北京理工大学出版社 6 万光毅 严义 单片机实验与实践教程 北京航空航天大学出版社 7 朱定华 单片机原理及接口技术实验 清华大学出版社 8 楼然苗 李光飞 51 系列单片机设计实例 北京航空航天大学出版社 9 元红妍 张鑫 电子综合设计实验教程 山东大学出版社 10 林红 数字电路与逻辑设计 清华大学出版社 11 YANG Jie LIU Ji dong BI Hong yan Design of Data Acquisition System with Single chip Processors Based on PSD 12 Journal of Projectiles Rockets Missiles and Guidance The Design and Implementation of Data Acquisition and Transmission System for Radar Targ