基于AVR单片机高速数据采集系统.doc
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1、摘 要本论文主要是应用AVR单片机进行数据采集系统的设计,数据采集系统是将传感器输出的模拟信号进行采集转换成数字信号,然后送入计算机进行处理,或进行数据储存和显示,并按需要的形式输出处理结果。随着计算机技术和电子信息技术的高速发展,数据采集结合先进的电子技术,已经能利用软件来处理大量测量数据。特别是嵌入系统的投入,高性能的单片的大量应用,使采集系统更加智能化和综合化。 本设计采用AVR系列单片机的ATMEGA16单片机,AD620放大器,AD7853数模转换器,6N137隔离芯片等芯片的连接来实现温室的温度,湿度,光度三路信号的采集。使用ATMEGA16实现其控制,采用ISP通信方式进行数据传
2、输。通过PA口输出进行LCD显示和储存。关键词:数据采集;AVR单片机;ATMEGA16;ISPABSTRACTThe paper mainly realize the design of data-collecting system based on the AVR sigle-chip.Data-collecting system transform the analog signal from sensor to digital signal,then send it to computer for processing or data-saving and displaying,and
3、 that put processing outcome out by means needed.Along with the high-speed development of the computer technique and electronical information technique,data-collecting combined with advanced electronical technique,can deal with quanty of meaguring data by using software.Especially, the embedded syst
4、em added and high effective MCU used more often make the data-collecting system more smart and comprehensive.The design uselize ATMEGA16 from the AVR series sigle-chip, AD620amp,AD7853 didital to analog convertor,6N137 isolation chip etc.to realize three signals applied in the Temperature ,humidity,
5、 lighting,analysis.it use ATMEGA16 to realize the control ,ISP to transport the data,PA to display in LCD and to save. Keywords: data-collecting ;AVR sigle-chip; ATMEGA16; ISP目 录 摘 要IIIABSTRACTIV目 录V第1章 绪论71.1数据采集系统的发展71.2数据采集基本理论81.3设计的任务和要求91.4设计的目的和意义10第2章 总体方案和原则112.1系统设计原则112.2总体设计方案112.3系统信号流程
6、12第3章 芯片概述143.1 AMEGA16芯片概述143.1.1 ATMEGA16的结构143.1.1.1 ATMEGA16整体结构143.1.1.2 ATMEGA16功能结构143.1.2 ATMEGA16的封装及引角153.2 AD620芯片概述173.2.1 AD620的结构173.2.1.1 AD620的介绍173.2.1.2 AD620内部结构183.2.2 AD620的封装及特点183.3 ADS7835芯片概述193.3.1 ADS7835结构193.3.2 ADS7835封装及特性193.3.3 ADS7835工作模式203.3.3.1工作模式概述203.3.3.2 SPI
7、和QSP通信模式简介223.4 6N137芯片概述223.4.1 6N137的结构22第4章 硬件电路设计244.1电源电路的设计244.2 前置电路的设计244.2.1放大电路设计244.2.2 A/D转换隔离电路设计254.3 单片机控制电路设计264.4 外设电路设计274.5 总电路设计274.5.1 总设计电路274.5.2 各元件功能简述294.5.3电路信号流程29第5章 软件设计305.1软件总体设计方案305.1.1初始程序设计305.1.2整体中断程序设计305.2程序设计325.2.1 SPI通信程序设计325.2.2 总程序35第6章 设计总结406.1设计过程406.
8、2需求改进406.3 设计心得41致 谢42参考文献43附 录44第1章 绪论1.1数据采集系统的发展作为一个整体而言,数据采集系统的发展将受到多方面方面的影响。比如:测量技术、传感器技术、软件技术、网络技术,以及在实践中不断提出的新要求,这些因素都将在很大程度上影响数据采集系统的发展。测量技术在其发展过程中,会不断产生新的测量需求,对测量数据的多样性及准确性的要求也正在逐步提高。作为信息源头的传感器对计量测试技术的发展有着重要作用。在21世纪,传感器在多功能性和智能性方向的发展仍将对测量技术的发展产生深刻的影响。在当今网络化时代,以因特网为代表的计算机网络通信的发展和应用取得了前所未有的突破
9、和成功,测量技术的发展当然也离不开互连网。网络化测量和(对网中仪器设备的)控制技术正随着网络的发展而迅速发展,其优势令人瞩目。凭借自身优良的性能,网络化测量和控制已经成为测量技术发展的必然趋势。现代控制技术的发展对测量技术不断提出了新要求。(1)随着科技的快速发展,现代生产的自动化程度在提高,技术难度在增加,采用的控制技术、控制系统的组成和方式都在不断变化,各类控制系统和装置没有完善的检测手段是不可能适应要求的。(2)从当前世界自动化技术的发展趋势看,现代控制技术趋于全程化。即在生产(或制造)过程的全部时间领域内实现在线控制和管理。这意味着过程控制系统将提供工厂设备在其生产周期内的完整数据,以
10、保证对每日的操作运行的优化。(3)现代控制技术应用人工智能技术(模糊逻辑、人工神经网、专家系统、模式识别。(遗传算法和小波分析)对生产过程参数进行测量,以提高控制精度,保证品质。(4)传统的工业控制技术主要是对设备和生产过程的控制。今天,除了复杂生产过程仍然是人们研究应用的重要对象以外,现代控制技术的应用已经扩展到企业产品的设计过程、管理过程以及企业间的资源分配和优化,如现代物流供需链管理、电子商务等。这些都对测量技术的发展提出了更新、更高的要求:测量的方法、可测量的种类和范围应不断拓宽和更新,准确度要提高。可见,现代控制技术对计量测试技术的发展至关重要。现代控制技术的长足发展以及它所产生的测
11、量需求已成为测量技术发展的不竭动力,正不断地促进和推动着计量测试技术的发展。简而言之,数据采集系统的发展离不开测量技术的发展,网络化测量和控制是其发展的必然趋势。1.2数据采集基本理论“数据采集”是指将各种模拟量进行采集、转换成数字量,再进行存储、处理、显示或打印的过程,相应的系统称为数据采集系统。模拟通道N模拟通道一模拟通道二多路开关程控放大定时与控制逻辑计算机A/D转换图1.1数据采集系统框图图1.1是典型的数据采集系统硬件框图。模拟输入信号经过模拟多路开关,程控放大器,进入模拟数字转换器(ADC)转换为计算机可以接受的数字信号,计算机对数字信号进行存储和处理,并对对结果进行显示打印。上图
12、假设数据采集系统对多路模拟量进行采集。一般是在不要求高速采集的场合,可使用公共的A/D转换器,用模拟多路开关轮流切换各路模拟量与A/D转换器之间的通道,使得在一个特定的时间内,只允许一路模拟信号输入到A/D,从而实现分时转换的目的。程控放大器的作用是对模拟输入信号进行调理,以便充分利用A/D转换器的输入电压范围。也就是说,为了能充分利用A/D转换器的分辨率,即转换器输出的数字位数,应把模拟输入信号放大到与A/D转换器满量程电压相应的电平值。一般通用多路数据采集系统各通道的模拟信号电压可能有较大差异,因此最好是对各通道采用不同的放大倍数进行放大,即放大器的放大倍数可以实时控制改变。程控放大器能够
13、实现这个要求,就在于它的放大倍数随时可以由一组数码控制,这样,在多路开关改变其通道序号时,控制放大器也由相应的一组数码控制改变放大倍数,即为每个模拟通道提供最适合的放大倍数。A/D转换器高速缓存计算机定时控制逻辑AdataBdata图1.2带缓存的单路输入的高速数据采集系统图1.2是一种带缓存的单路输入的高速数据采集系统。由于采样速率高,所以采用一个A/ D变换器转换一路信号的方式,并且常常将数据在读入计算机或处理设备之前加以缓存。对于这类高速A/ D变换器,输出一般分两路输出,交替给出转换数据以降低速率。1.3设计的任务和要求“数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字信
14、号,并送入计算机进行存储、处理、和输出处理结果过程。实现数据采集的系统称为数据采集系统。由此可见,数据采集系统的任务就是将传感器输出的模拟信号进行采集转换成数字信号,然后送入计算机或专用信号处理设备进行处理,并可按需要的形式输出处理结果。随着计算机技术的迅速发展和普及,数据采集系统的应用越来越广泛。在工业生产过程中,数据采集系统可用来实现生产过程的实时监控。在科学研究中,数据采集系统用来实现对研究目标的定量分析和动态模拟。数据采集技术已渗透到地质勘探、医疗器械、雷达、通讯、测控等技术领域。随着数字硬件的开发和制造技术的发展,越来越多的传统模拟设备和系统被数字硬件和软件所代替。数字化处理有着极大
15、的优越性。数字化处理使处理精度提高,并且为处理提供了更大的灵活性。提高系统的性能;便于对信息进行加密,从而提高信息的安全性;对信息进行信道编码可以抵御信道干扰和噪声的影响,提高信道质量。在实际应用中,对数字采集系统的主要要求是速度和精度。速度由采样率来反映,采样率由被采集模拟信号的带宽决定。应用于现代雷达数字信号处理技术和软件无线电技术领域的数据采集系统,其采样率可高达几百MSPSC (megasymbols per second兆符号/秒)。灵敏度由分辨率决定,一般认为,在80dB的动态范围要求下,分辨率应不低于12位。1.4设计的目的和意义在现代农业,工业,等许多行业中,温室得到了大量的应
16、用。在温室系统中主要是多其中的温度,湿度,光度进行控制。在实现对其中环境控制之前,必须得到精确的环境采集量。本设计就是针对温室系统能够实现精确快速的温度,湿度,光度采集。对较早温室控制系统而言,数据采集都采用独立的人工的对温度,湿度,和光度实施采集。这样由于很多因素的影响精确度不高,对环境变化反应速度慢,各采集量独立,不便于整体控制操作等缺点。而对现代电子技术不断发展, 电子、电脑技术已被广泛应用于各种生产和生活之中,特别的单片机系统不断的应用,使的各种生产生活更加智能化,便捷化。应对温室数据采集的要求,本课题的研究目的是设计出温度,湿度,光度三路信号的数据采集器,采用电子技术对信号电压进行采
17、集并直接与PC机接口,实现三路数据记录和储存。*采用12位A/D采样。*可在同一时间采样三路独立信号。*提供自校准功能。*曲采样速度较高,单通道采样最高可达500KHz。 *直接通过USB接入PC机联机操作,便于数据传送分析。 *A/D后采用放大采用隔离放大器,适于采集非相关的信号电压,通道隔离度要高。第2章 总体方案和原则2.1系统设计原则根据当前技术状况和发展趋势,系统设计和开发应立足于最先进并且成熟的主流产品和主流技术上,在技术开放和高度集成的基础上,进行高层次的应用开发,在系统建设主导思想的指引下,使系统简单易用、易维护、易扩展并且高度安全可靠。因此,系统的规划实施必须遵循以下原则:1
18、、数据采集的高速率、高精度原则:数据采集系统对数据采集环节中的采集速率和采集精度的要求极为苛刻。采集速率越高,就意味着在相同采集时间段内和相同的采样点上,得到更多的采样值,在分析处理测量数据时,能最大程度精确地绘制化学信号的某种渐变过程:对于采集精度来说,越高就表示在被测物体上采样的位置更多,越能更全面的反映物体在不同科学测量实验环境中的性状。理论上,这两个数据采集指标越高越好,所以在硬件设计中应该充系统分析及总体设计方案分考虑到这个因素。2、数据采集过程实时性原则:在启动数据采集的自动化过程后,要求能够实时显示采集数据;能够实时检测数据采集系统中的硬件设备状态,及时进行错误报警;能够实时的记
19、录每一帧的采集数据。3、投资保护原则:极大限度地保护用户的投资,充分利用现有的通信网络系统和计算机设备。在系统的设计上考虑未来资源种类和属性的增加,留下充裕的扩展余地,具有良好的可扩展性和灵活性,以适应设施的迅猛发展趋势,满足当前及未来资源管理的需求。4、经济、实用原则:确保系统具有友好的用户界面,便于掌握、使用和维护,且能解决具体的实际问题,并采用成熟的技术,在保证系统性能并达到要求的前提下,尽量使系统投资最省。2.2总体设计方案采集系统从功能上主要由三部分组成,即A/D,隔离放大、单片机控制器。由于所采集信号为化学反应参数,要求采样信号之间彼此完全独立而无任何相关,且采样环境要求抗干扰能力
20、强,所以前置放大器采用隔离放大器,使被采集信号完全与采集器的主控电路分离,从而使采样信号间完全不相关,同时提高了抗干扰能力。系统分析及总体设计方案主电路包括A/D采样、单片机控制/存储电路、与PC的接口,考虑到可能脱机测试数据,应包括用户键盘及显示接口。在主电路图和电路板图设计上形成不包括电源在内的两大主体部分,即A/D隔离放大部分与主控电路部分。A/D隔离放大部分负责完成A/D采样控制及信号放大与隔离,主控电路完成与PC机的通讯、用户界面控制等一系列控制功能。这两部分需分别设计制版,再联合统调。模拟输入A模拟输入B模拟输入C放大放大放大A/D采样A/D采样A/D采样隔离隔离隔离单片机控制器显
21、示USB接口PC机接口CHACHBCHC键盘图2.1设计总框图此次所设计实现的A/D隔离放大系统有两大优点。本次课题中所采取的方法,拟将三路通道分别进入A/D后再进行隔离,这样,只要由单片机控制让A/D同时采样,并将三路数据由三个I/0口接收,那么就能实现数据的实时性,而不必使用轮询的方法。同时,用一块A/D控制采集一路的化学信号,可以达到很高的采集速率。实验结果还得到:用先A/D后隔离后所得到的数据的线性度会有很大的提高。2.3系统信号流程温度传感器通过感受环境温度变化,把温度通过模拟的电信号表示,由于模拟信号比较弱,温度模拟电信号再通过放大模块,对温度电信号进行放大加强。A/D采样对放大的
22、模拟信号进行采样,按照合适采样和编码定理,模拟温度信号变成了数字信号表示。数字温度信号在通过单片机的控制实现其译码,把数字信号表示成相应的物理量,通过显示电路进行外部显示,同时也通过储存电路把数字部分进行采集储存。湿度和光度信号分别通过湿度和光度传感器,把信号分别变成模拟信号,再通过放大,转变成较强的电信号。在各自经过的A/D采样,通过不同的量化度和编码,转变成了数字湿度和光度信号。再通过显示和储存设备对湿度和光度进行显示和储存。三路信号处理过程是相同的,只是采用了不同采集传感器,不同的A/D采样量化度和编码形式。第3章 芯片概述3.1 AMEGA16芯片概述3.1.1 ATMEGA16的结构
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