本科畢業設計基于avr單片機的數據采集系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 MAX485RXD ATXD B DEREA 電平轉換電路BDB9圖36 MAX485與ATmega64單片機及PC機的連接圖，單片機的PD4口控制MAX485的DE和/RE端口，以實現接收和發送控制。當PD4為0時，MAX485的接收器使能，驅動器被禁止；當PD4為1時，MAX485的驅動器使能，接收器被禁止。RS422與RS232電平轉換接口使用MAX232和MAX485實現。接口電路見附錄C. 外存儲器擴展 I2C總線簡介I2C（InterIntegrated Circuit）總線是一種Philips公司開發的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。I2C總線最大的優點是其簡單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因為I2C總線占用的空間小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數量，降低了互聯成本?？偩€的長度可達25英尺，并且能夠以10Kbit/s的最大傳輸和時鐘頻率支持40個組件。I2C總線的另一個優點是支持多主控（multimastering）,其中任何能夠進行發送和接受的設備都可以成為主總線。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。I2C總線是由數據線SDA和時鐘SCL構成的數據串行總線，可發送和接收數據。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳輸，最高傳輸速率100Kbit/s。I2C總線在傳輸數據過程中共有3種類型信號，分別是：開始信號、結束信號和應答信號。：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳輸數據。：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳輸數據。：接收數據的IC在接收到8位數據后，向發送數據的IC發出特定的低電平脈沖，表示已收到數據。CPU向受控單元發出一個信號后，等待受控單元發出一個應答信號，CPU接收到應答信號后，根據實際情況做出是否繼續傳遞信號的判斷，若未收到應答信號，判斷為受控單元出現故障。 AT24C64簡介AT24C64是ATMEL公司的兩線制串行E2PROM芯片。共有64KB字節的存儲容量。具有結構緊湊、存儲容量大等優點。芯片與單片機之間使用I2C接口通信，接口電路簡單、操作方便，適合存儲單片機系統中一些重要的數據。AT24C64的管腳定義如表35：表35 AT24C64的管腳定義名稱管腳功能A0~A2地址輸入；SDA串行數據輸入/輸出SCL串行時鐘輸入WP寫保護VCC電源GND電源地圖37為AT24C64的8引腳PDIP封裝管腳圖： 圖37 AT24C64引腳圖 AT24C64與ATmega64單片機接口連接如圖38 所示為ATmega64與AT24C64的硬件連接圖。圖中AT24C64的地址A0~A2都設置為0，這樣AT24C64的器件寫地址為0xA0，器件讀地址為0xA1。AT24C64的串行時鐘線SCL與PD0相連，串行數據線SDA與PD1相連。按照I2C協議的接線要求，對SDA線接上拉電阻，保證其數據傳輸的可靠性。圖38 ATmega64與AT24C64硬件連接圖 溫濕度采集端設計本采集系統采用SHT75溫濕度傳感器。SHT75是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens專利技術的新型溫濕度傳感器。該傳感器將COMS芯片技術與傳感器技術結合起來，發揮出強大的優勢互補作用。芯片通過I2C接口與Atmega64單片機相連接。 SHT75的主要性能；；；；；，溫度值輸出分辨率為12位，可編程降至12位和8位；+%RH，溫度測量精度為+℃；；，保證100%的互換性；：~；SHT75的封裝形式為小體積4腳單線封裝，其引腳說明如表36表36 SHT75管腳定義引腳名稱功能1SCK串行時鐘輸入2VDD電源端：~3GND接地端4DATA雙向串行數據段 硬件設計如圖39所示為ATmega64與SHT75的硬件連接圖。圖中SHT75的串行時鐘輸入線SCK與PC3相連，串行數據線DATA與PC4相連，使PC3~PC4模擬I2C協議進行通信。按照I2C協議的接線要求，對DATA線接上拉電阻，保證其數據傳輸的可靠性。圖39 ATmega64與SHT75硬件連接圖 壓力采集端設計 ATmega64單片機概述壓智能化、數字化和控制技術的發展，特別是智能化數字壓力傳感器的問世，促進了數字壓力計的新發展，在國內外市場上先后出現了各種高精度的手動或自動控制的數字壓力計。 數字壓力計是以壓力傳感器為感應元件。當壓力傳感器感受到外界被測壓力時，它會把力物理量轉化為模擬信號發送出去，當模擬信號傳送到放大電路里會進行濾波和信號放大，然后把該模擬信號傳送到A/D轉化電路里轉換為數字信號，傳送到單片機進行相應的運算。派若斯（Paroscientific）公司的740和760系列數字式石英壓力計，由于其精度、穩定性、可靠性等性能突出，在國際上被用作壓力傳遞標準。DH公司采用數字式石英壓力傳感器研制生產多量程（三量程或六量程）的手動或自動數字式壓力計。%，它包括非線性、遲滯、重復性誤差，穩定性、溫度影響和檢定所用標準的誤差等，%/年。本系統所設計的數字壓力計主要是在野外測量氡時進行壓力測量的，所以壓力傳感器的選取就必須考慮到土壤表層的一些情況：：土壤表面到地表以下10米左右深度的溫度最高在40～50℃，最低在30～20℃；，而在地表以下10米的壓力也不會超過2個大氣壓(1個大氣壓=)；，所以采用的壓力傳感器的精度應該比較高；、液兩種形態的情況，因此在選擇壓力傳感器時也要考慮到傳感器的工作環境問題；。根據以上五點要求，總結出了要選用的傳感器所應該具備的一些參數要求，如表37表37 傳感器特性工作溫度量程精度輸出信號適用環境功耗30~50℃0~%~%FSO電壓固體、液體低經過反復比較，從候選的幾十種傳感器中篩選了中國大恒（集團）有限公司銷售的26PC系列無放大帶溫補器的傳感器。 26PCB壓力傳感器簡介：? 供電電源：016VDC? 壓力量程：? 輸出信號：mV電壓信號? 工作溫度：40℃80℃? 溫度補償：26PC系列溫度補償050℃? 壓力形式：表壓(G)，差壓(D)，絕壓(A)? 線性遲滯：%：? 專利的導電密封彈性連接系統消除了傳統的導線粘結和帶狀連接? 專利的Snaptogether 結構導致了多樣化的測量孔形式? 最低價格的帶溫度補償和校整的小型封裝壓力傳感器? 不同的引腳可選（1x4 或2x2）? 可以測量負壓和正壓? 激光刻蝕電阻保證極好的器件一致性，芯片引腳如圖310所示。引腳1：電源（VDD）； 引腳2：輸出（+）；引腳3：輸出（）； 引腳4：接地（VDD）圖310 26PC引腳圖 鍵盤接口設計鍵盤是單片機系統中進行人機對話的基本接口，是單片機系統數據輸入的重要方式。鍵盤的接法靈活多樣，最簡單的方式為獨立式接法，即利用單片機讀取I/O口的電平高低來判斷是否有鍵按下。這里所說的按鍵采用金屬接觸方式，開關的原理是觸電導通或斷開，通常采用銅片彈簧作為彈性材料。在外型上有圓形、方形等形狀。圖311 鍵盤接口圖在本采集系統中，單片機3個I/O口外接3個按鍵，可以實現3個按鍵的輸入。獨立式按鍵的接法是在單片機的I/O口上接一個按鍵，每個按鍵對應單片機的一個輸入端口，按鍵的另一端接電源或者數字地。為了保證電平的有效性，按照圖311的接線方式，對每一路的按鍵都需要加一個上拉電阻。ATmega64單片機的端口PB0，PB1，PB2分別連接按鍵KEY1~KEY3。 顯示接口設計 LCD1602簡介1602是典型的字符點陣LCD，可以顯示16位2行共32個字符。驅動電壓為+。背光燈有黃綠色、白色等。如圖312所示為1602引腳圖：312 1602引腳圖1602采用標準的16腳接口。接口定義及功能如表38表38 1602引腳定義表引腳編號符 號含 義功 能1VSS接地電源地2VDD接電源電源正極3Vo液晶驅動電壓對比度調整端4RS寄存器選擇高電平：選擇數據寄存器低電平：選擇指令寄存器5R/W讀/寫信號高電平：讀低電平：寫6EN片選使能EN端電平下降沿觸發模塊工作7~14D0~D7雙向數據線傳輸數據15BLK背光燈引腳接陰極16BLA背光燈引腳接陽極1602的顯示原理是：在其內部存儲器中保存字符圖形，通過控制器向1602寫入指定的顯示存儲地址，相應地址對應的字符即被顯示到液晶屏幕上。在1602內部的字符發生存儲器（CGROM）中已經儲存了160個不同的點陣字符圖形。這些字符包括：阿拉伯數字、英文字母的大小寫、常用的符號和日文假名等。每個字符都有一個固定的代碼。 硬件設計1602與ATmega64單片機如圖313所示。1602的D0~D7與ATmega64單片機的端口A相連，控制端口RS、RS、EN分別與端口C的PC0、PCPC2相連。圖313 1602與單片機連接電路圖 本章小結本章詳細介紹了數據采集系統各硬件模塊的設計思路及過程，包括單片機最小系統設計，其中電源電路采用LM7805CK穩壓芯片，時鐘電路采用內部時鐘，復位電路采用手動復位方式；數據采集模塊，其中溫濕度傳感器采用SHT75芯片，壓力傳感器采用26PCB壓力傳感器；系統輸入輸出模塊及系統與PC機通信模塊等相關模塊的各芯片電路連接。第4章 軟件設計 軟件總體設計框架系統啟動系統初始化是否接到采集命令？執行采集命令進行數據采集處理現場顯示并存儲數據傳送數據到上位機是否接到傳輸命令圖41 總體流程圖采集系統軟件設計采用模塊化結構，用C語言編寫，總體設計流程圖如圖41所示：系統上電后首先進行自檢，檢查各功能模塊電子器件是否正常工作，檢查完畢后進行各功能模塊初始化，掃描鍵盤，當有“按鍵1”按下時，系統可讀到PB0口為低電平，此時系統開始執行測量數據的工作，將采集到的溫濕度及壓力儲存到特定寄存器，當有“按鍵2”按下時，系統將儲存在寄存器中的溫濕度及壓力數據組送LCD顯示，同時將該組數據通過I2C總線傳送至片外E2PROM，當“按鍵3”按下時，系統檢查是否與上位機已經建立連接，若連接成功則通過RS232接口進行數據傳送。系統主程序及頭文件“include”完整代碼見附錄D。 溫濕度及壓力數據采集模塊軟件設計SHT75傳感器共有5條用戶命令具體命令格式如表41所示： 表41 SHT75傳感器命令列表命令代碼功能測量溫度01111測量溫度測量濕度00101測量濕度讀狀態寄存器00111讀狀態寄存器的內容寫狀態寄存器00110向狀態寄存器寫入命令軟啟動11110重啟芯片SHT75的具體命令順序如下：傳輸開始。，首先發出“傳輸開始”命令，命令包括SCK為高時，DATA由高電平變為低電平，并在下一個SCK為高時將DATA置為高。后一個命令順序包含3個地址位（目前只支持100創）和5個命令位，通過DATA引腳的ACK位處于低電位來表示SHT75正確收到命令。 如果與SHT75傳感器的通信中斷，下列信號順序會使串口復位，當使DATA線處于高電平時，觸發SCK9次以上（含9次），并隨后發出一個“傳輸開始”命令。當發出了溫濕度測量命令后，控制器需要等到測量完成，方可讀取結果。使用8/12/14位的分辨率測量分別需要大約11/55/210ms。為表明測量完成，SHT75會使數據線為低電平，此時控制器必須重新啟動SCK。然后傳送兩字節測量數據和一字節CRC校驗和。控制器必須通過使DATA為低來確認每一字節，所有的矢量中從右算MSB（最高位）列于第一位。通信在確認CRC數據位后停止。如果沒有用CRC8的校驗和，則控制器就會自動返回休眠模式。需要注意的是，℃，工作頻率不能大于15%（如：12位精確度時每秒最多進行3次測量），即對SHT75的操作不能過于頻繁，如果傳感器本身溫度升高，將會使測量結果產生較大誤差。程序中，通過PCPC3模擬進行I2C協議進行通信。首先設置溫度啟動命令，等待轉換完成，然后讀取溫度測量值，并進行溫度轉換。隨后設置濕度啟動命令，轉換完成后，進行濕度變換和濕度的補償計算。設置SHT75為+5V電源下，14位精度的溫度測量和12位精度的濕度采集。程序清單見附錄2。壓力采集端采用26PCB壓力傳感，26PC壓力傳感器輸出的模擬信號可通過單片機的ADC接口直接輸入單片機進行轉化，并進行相應的控制操作，溫濕度及壓力采集程序流程圖42所示系統啟動系統初始化啟動溫濕度及壓力采集是否接到采集命令？送顯示并存儲送顯示并存儲？圖42 采集程序流程圖 標準RS232及RS422接口擴展軟件設計 RS232接口擴展軟件設計在PC內接有PC16550（和8250兼容）串行接口、EIATTL的電平轉換器和RS232C連接器，除鼠標占用一個串行口以外，還留有兩個串行口給用戶，這就是COM1(地址3F8H～3FFH)和COM2(地址2F8H～2FFH)，通過這兩個口，可以連接Modem和電話線進入互聯網，也可以連接其他的串行通訊設備，如單片機、仿真器等。由于單片機的串行發送和接收線TXD和RXD是TTL電平，而PC的COM1或COM2的RS232C連接器（D型9針插座）是EIA電平，因此單片機需加接MAX232芯片，通過串行電