基于AVR單片機高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).doc

摘 要本論文主要是應(yīng)用avr單片機進行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將傳感器輸出的模擬信號進行采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后送入計算機進行處理，或進行數(shù)據(jù)儲存和顯示，并按需要的形式輸出處理結(jié)果。隨著計算機技術(shù)和電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集結(jié)合先進的電子技術(shù)，已經(jīng)能利用軟件來處理大量測量數(shù)據(jù)。特別是嵌入系統(tǒng)的投入，高性能的單片的大量應(yīng)用，使采集系統(tǒng)更加智能化和綜合化。 本設(shè)計采用avr系列單片機的atmega16單片機，ad620放大器，ad7853數(shù)模轉(zhuǎn)換器,6n137隔離芯片等芯片的連接來實現(xiàn)溫室的溫度,濕度,光度三路信號的采集。使用atmega16實現(xiàn)其控制，采用isp通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸。通過pa口輸出進行l(wèi)cd顯示和儲存。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；avr單片機；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 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 system 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, 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 錄 摘 要iiiabstractiv目 錄v第1章 緒論71.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展71.2數(shù)據(jù)采集基本理論81.3設(shè)計的任務(wù)和要求91.4設(shè)計的目的和意義10第2章 總體方案和原則112.1系統(tǒng)設(shè)計原則112.2總體設(shè)計方案112.3系統(tǒng)信號流程12第3章 芯片概述143.1 amega16芯片概述143.1.1 atmega16的結(jié)構(gòu)143.1.1.1 atmega16整體結(jié)構(gòu)143.1.1.2 atmega16功能結(jié)構(gòu)143.1.2 atmega16的封裝及引角153.2 ad620芯片概述173.2.1 ad620的結(jié)構(gòu)173.2.1.1 ad620的介紹173.2.1.2 ad620內(nèi)部結(jié)構(gòu)183.2.2 ad620的封裝及特點183.3 ads7835芯片概述193.3.1 ads7835結(jié)構(gòu)193.3.2 ads7835封裝及特性193.3.3 ads7835工作模式203.3.3.1工作模式概述203.3.3.2 spi和qsp通信模式簡介223.4 6n137芯片概述223.4.1 6n137的結(jié)構(gòu)22第4章 硬件電路設(shè)計244.1電源電路的設(shè)計244.2 前置電路的設(shè)計244.2.1放大電路設(shè)計244.2.2 a/d轉(zhuǎn)換隔離電路設(shè)計254.3 單片機控制電路設(shè)計264.4 外設(shè)電路設(shè)計274.5 總電路設(shè)計274.5.1 總設(shè)計電路274.5.2 各元件功能簡述294.5.3電路信號流程29第5章 軟件設(shè)計305.1軟件總體設(shè)計方案305.1.1初始程序設(shè)計305.1.2整體中斷程序設(shè)計305.2程序設(shè)計325.2.1 spi通信程序設(shè)計325.2.2 總程序35第6章 設(shè)計總結(jié)406.1設(shè)計過程406.2需求改進406.3 設(shè)計心得41致 謝42參考文獻43附 錄44第1章 緒論1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展作為一個整體而言，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展將受到多方面方面的影響。比如:測量技術(shù)、傳感器技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以及在實踐中不斷提出的新要求，這些因素都將在很大程度上影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展。測量技術(shù)在其發(fā)展過程中，會不斷產(chǎn)生新的測量需求，對測量數(shù)據(jù)的多樣性及準確性的要求也正在逐步提高。作為信息源頭的傳感器對計量測試技術(shù)的發(fā)展有著重要作用。在21世紀，傳感器在多功能性和智能性方向的發(fā)展仍將對測量技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響。在當今網(wǎng)絡(luò)化時代，以因特網(wǎng)為代表的計算機網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展和應(yīng)用取得了前所未有的突破和成功，測量技術(shù)的發(fā)展當然也離不開互連網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)化測量和(對網(wǎng)中儀器設(shè)備的)控制技術(shù)正隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而迅速發(fā)展，其優(yōu)勢令人矚目。憑借自身優(yōu)良的性能，網(wǎng)絡(luò)化測量和控制已經(jīng)成為測量技術(shù)發(fā)展的必然趨勢?，F(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展對測量技術(shù)不斷提出了新要求。(1)隨著科技的快速發(fā)展，現(xiàn)代生產(chǎn)的自動化程度在提高，技術(shù)難度在增加，采用的控制技術(shù)、控制系統(tǒng)的組成和方式都在不斷變化，各類控制系統(tǒng)和裝置沒有完善的檢測手段是不可能適應(yīng)要求的。(2)從當前世界自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢看，現(xiàn)代控制技術(shù)趨于全程化。即在生產(chǎn)(或制造)過程的全部時間領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)在線控制和管理。這意味著過程控制系統(tǒng)將提供工廠設(shè)備在其生產(chǎn)周期內(nèi)的完整數(shù)據(jù)，以保證對每日的操作運行的優(yōu)化。(3)現(xiàn)代控制技術(shù)應(yīng)用人工智能技術(shù)(模糊邏輯、人工神經(jīng)網(wǎng)、專家系統(tǒng)、模式識別。(遺傳算法和小波分析)對生產(chǎn)過程參數(shù)進行測量，以提高控制精度，保證品質(zhì)。(4)傳統(tǒng)的工業(yè)控制技術(shù)主要是對設(shè)備和生產(chǎn)過程的控制。今天，除了復(fù)雜生產(chǎn)過程仍然是人們研究應(yīng)用的重要對象以外，現(xiàn)代控制技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)擴展到企業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計過程、管理過程以及企業(yè)間的資源分配和優(yōu)化，如現(xiàn)代物流供需鏈管理、電子商務(wù)等。這些都對測量技術(shù)的發(fā)展提出了更新、更高的要求:測量的方法、可測量的種類和范圍應(yīng)不斷拓寬和更新，準確度要提高?？梢?，現(xiàn)代控制技術(shù)對計量測試技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要?，F(xiàn)代控制技術(shù)的長足發(fā)展以及它所產(chǎn)生的測量需求已成為測量技術(shù)發(fā)展的不竭動力，正不斷地促進和推動著計量測試技術(shù)的發(fā)展。簡而言之，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展離不開測量技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化測量和控制是其發(fā)展的必然趨勢。1.2數(shù)據(jù)采集基本理論“數(shù)據(jù)采集”是指將各種模擬量進行采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再進行存儲、處理、顯示或打印的過程，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。模擬通道n模擬通道一模擬通道二多路開關(guān)程控放大定時與控制邏輯計算機a/d轉(zhuǎn)換圖1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖圖1.1是典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件框圖。模擬輸入信號經(jīng)過模擬多路開關(guān)，程控放大器，進入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)轉(zhuǎn)換為計算機可以接受的數(shù)字信號，計算機對數(shù)字信號進行存儲和處理，并對對結(jié)果進行顯示打印。上圖假設(shè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對多路模擬量進行采集。一般是在不要求高速采集的場合，可使用公共的a/d轉(zhuǎn)換器，用模擬多路開關(guān)輪流切換各路模擬量與a/d轉(zhuǎn)換器之間的通道，使得在一個特定的時間內(nèi)，只允許一路模擬信號輸入到a/d，從而實現(xiàn)分時轉(zhuǎn)換的目的。程控放大器的作用是對模擬輸入信號進行調(diào)理，以便充分利用a/d轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍。也就是說，為了能充分利用a/d轉(zhuǎn)換器的分辨率，即轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字位數(shù)，應(yīng)把模擬輸入信號放大到與a/d轉(zhuǎn)換器滿量程電壓相應(yīng)的電平值。一般通用多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各通道的模擬信號電壓可能有較大差異，因此最好是對各通道采用不同的放大倍數(shù)進行放大，即放大器的放大倍數(shù)可以實時控制改變。程控放大器能夠?qū)崿F(xiàn)這個要求，就在于它的放大倍數(shù)隨時可以由一組數(shù)碼控制，這樣，在多路開關(guān)改變其通道序號時，控制放大器也由相應(yīng)的一組數(shù)碼控制改變放大倍數(shù)，即為每個模擬通道提供最適合的放大倍數(shù)。a/d轉(zhuǎn)換器高速緩存計算機定時控制邏輯adatabdata圖1.2帶緩存的單路輸入的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖1.2是一種帶緩存的單路輸入的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于采樣速率高，所以采用一個a/ d變換器轉(zhuǎn)換一路信號的方式，并且常常將數(shù)據(jù)在讀入計算機或處理設(shè)備之前加以緩存。對于這類高速a/ d變換器，輸出一般分兩路輸出，交替給出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)以降低速率。1.3設(shè)計的任務(wù)和要求“數(shù)據(jù)采集”是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并送入計算機進行存儲、處理、和輸出處理結(jié)果過程。實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由此可見，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)就是將傳感器輸出的模擬信號進行采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后送入計算機或?qū)Ｓ眯盘柼幚碓O(shè)備進行處理，并可按需要的形式輸出處理結(jié)果。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可用來實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控。在科學(xué)研究中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用來實現(xiàn)對研究目標的定量分析和動態(tài)模擬。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已滲透到地質(zhì)勘探、醫(yī)療器械、雷達、通訊、測控等技術(shù)領(lǐng)域。隨著數(shù)字硬件的開發(fā)和制造技術(shù)的發(fā)展，越來越多的傳統(tǒng)模擬設(shè)備和系統(tǒng)被數(shù)字硬件和軟件所代替。數(shù)字化處理有著極大的優(yōu)越性。數(shù)字化處理使處理精度提高，并且為處理提供了更大的靈活性。提高系統(tǒng)的性能;便于對信息進行加密，從而提高信息的安全性;對信息進行信道編碼可以抵御信道干擾和噪聲的影響，提高信道質(zhì)量。在實際應(yīng)用中，對數(shù)字采集系統(tǒng)的主要要求是速度和精度。速度由采樣率來反映，采樣率由被采集模擬信號的帶寬決定。應(yīng)用于現(xiàn)代雷達數(shù)字信號處理技術(shù)和軟件無線電技術(shù)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其采樣率可高達幾百mspsc (megasymbols per second兆符號/秒)。靈敏度由分辨率決定，一般認為，在80db的動態(tài)范圍要求下，分辨率應(yīng)不低于12位。1.4設(shè)計的目的和意義在現(xiàn)代農(nóng)業(yè),工業(yè),等許多行業(yè)中,溫室得到了大量的應(yīng)用。在溫室系統(tǒng)中主要是多其中的溫度,濕度,光度進行控制。在實現(xiàn)對其中環(huán)境控制之前,必須得到精確的環(huán)境采集量。本設(shè)計就是針對溫室系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確快速的溫度,濕度,光度采集。對較早溫室控制系統(tǒng)而言,數(shù)據(jù)采集都采用獨立的人工的對溫度,濕度,和光度實施采集。這樣由于很多因素的影響精確度不高,對環(huán)境變化反應(yīng)速度慢,各采集量獨立,不便于整體控制操作等缺點。而對現(xiàn)代電子技術(shù)不斷發(fā)展, 電子、電腦技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)和生活之中,特別的單片機系統(tǒng)不斷的應(yīng)用,使的各種生產(chǎn)生活更加智能化,便捷化。應(yīng)對溫室數(shù)據(jù)采集的要求,本課題的研究目的是設(shè)計出溫度，濕度，光度三路信號的數(shù)據(jù)采集器，采用電子技術(shù)對信號電壓進行采集并直接與pc機接口，實現(xiàn)三路數(shù)據(jù)記錄和儲存。*采用12位a/d采樣。*可在同一時間采樣三路獨立信號。*提供自校準功能。*曲采樣速度較高，單通道采樣最高可達500khz。 *直接通過usb接入pc機聯(lián)機操作，便于數(shù)據(jù)傳送分析。 *a/d后采用放大采用隔離放大器，適于采集非相關(guān)的信號電壓，通道隔離度要高。第2章 總體方案和原則2.1系統(tǒng)設(shè)計原則根據(jù)當前技術(shù)狀況和發(fā)展趨勢，系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)應(yīng)立足于最先進并且成熟的主流產(chǎn)品和主流技術(shù)上，在技術(shù)開放和高度集成的基礎(chǔ)上，進行高層次的應(yīng)用開發(fā)，在系統(tǒng)建設(shè)主導(dǎo)思想的指引下，使系統(tǒng)簡單易用、易維護、易擴展并且高度安全可靠。因此，系統(tǒng)的規(guī)劃實施必須遵循以下原則:1、數(shù)據(jù)采集的高速率、高精度原則:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)中的采集速率和采集精度的要求極為苛刻。采集速率越高，就意味著在相同采集時間段內(nèi)和相同的采樣點上，得到更多的采樣值，在分析處理測量數(shù)據(jù)時，能最大程度精確地繪制化學(xué)信號的某種漸變過程:對于采集精度來說，越高就表示在被測物體上采樣的位置更多，越能更全面的反映物體在不同科學(xué)測量實驗環(huán)境中的性狀。理論上，這兩個數(shù)據(jù)采集指標越高越好，所以在硬件設(shè)計中應(yīng)該充系統(tǒng)分析及總體設(shè)計方案分考慮到這個因素。2、數(shù)據(jù)采集過程實時性原則:在啟動數(shù)據(jù)采集的自動化過程后，要求能夠?qū)崟r顯示采集數(shù)據(jù);能夠?qū)崟r檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的硬件設(shè)備狀態(tài)，及時進行錯誤報警;能夠?qū)崟r的記錄每一幀的采集數(shù)據(jù)。3、投資保護原則:極大限度地保護用戶的投資，充分利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和計算機設(shè)備。在系統(tǒng)的設(shè)計上考慮未來資源種類和屬性的增加，留下充裕的擴展余地，具有良好的可擴展性和靈活性，以適應(yīng)設(shè)施的迅猛發(fā)展趨勢，滿足當前及未來資源管理的需求。4、經(jīng)濟、實用原則:確保系統(tǒng)具有友好的用戶界面，便于掌握、使用和維護，且能解決具體的實際問題，并采用成熟的技術(shù)，在保證系統(tǒng)性能并達到要求的前提下，盡量使系統(tǒng)投資最省。2.2總體設(shè)計方案采集系統(tǒng)從功能上主要由三部分組成，即a/d,隔離放大、單片機控制器。由于所采集信號為化學(xué)反應(yīng)參數(shù)，要求采樣信號之間彼此完全獨立而無任何相關(guān)，且采樣環(huán)境要求抗干擾能力強，所以前置放大器采用隔離放大器，使被采集信號完全與采集器的主控電路分離，從而使采樣信號間完全不相關(guān)，同時提高了抗干擾能力。系統(tǒng)分析及總體設(shè)計方案主電路包括a/d采樣、單片機控制/存儲電路、與pc的接口，考慮到可能脫機測試數(shù)據(jù)，應(yīng)包括用戶鍵盤及顯示接口。在主電路圖和電路板圖設(shè)計上形成不包括電源在內(nèi)的兩大主體部分，即a/d隔離放大部分與主控電路部分。a/d隔離放大部分負責完成a/d采樣控制及信號放大與隔離，主控電路完成與pc機的通訊、用戶界面控制等一系列控制功能。這兩部分需分別設(shè)計制版，再聯(lián)合統(tǒng)調(diào)。模擬輸入a模擬輸入b模擬輸入c放大放大放大a/d采樣a/d采樣a/d采樣隔離隔離隔離單片機控制器顯示usb接口pc機接口chachbchc鍵盤圖2.1設(shè)計總框圖此次所設(shè)計實現(xiàn)的a/d隔離放大系統(tǒng)有兩大優(yōu)點。本次課題中所采取的方法，擬將三路通道分別進入a/d后再進行隔離，這樣，只要由單片機控制讓a/d同時采樣，并將三路數(shù)據(jù)由三個i/0口接收，那么就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時性，而不必使用輪詢的方法。同時，用一塊a/d控制采集一路的化學(xué)信號，可以達到很高的采集速率。實驗結(jié)果還得到:用先a/d后隔離后所得到的數(shù)據(jù)的線性度會有很大的提高。2.3系統(tǒng)信號流程溫度傳感器通過感受環(huán)境溫度變化，把溫度通過模擬的電信號表示，由于模擬信號比較弱，溫度模擬電信號再通過放大模塊，對溫度電信號進行放大加強。a/d采樣對放大的模擬信號進行采樣，按照合適采樣和編碼定理，模擬溫度信號變成了數(shù)字信號表示。數(shù)字溫度信號在通過單片機的控制實現(xiàn)其譯碼，把數(shù)字信號表示成相應(yīng)的物理量，通過顯示電路進行外部顯示，同時也通過儲存電路把數(shù)字部分進行采集儲存。濕度和光度信號分別通過濕度和光度傳感器，把信號分別變成模擬信號，再通過放大，轉(zhuǎn)變成較強的電信號。在各自經(jīng)過的a/d采樣，通過不同的量化度和編碼，轉(zhuǎn)變成了數(shù)字濕度和光度信號。再通過顯示和儲存設(shè)備對濕度和光度進行顯示和儲存。三路信號處理過程是相同的，只是采用了不同采集傳感器，不同的a/d采樣量化度和編碼形式。第3章 芯片概述3.1 amega16芯片概述3.1.1 atmega16的結(jié)構(gòu)3.1.1.1 atmega16整體結(jié)構(gòu)atmegal6是基于增強的avr risc結(jié)構(gòu)的低功耗8位cmos微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，atmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 mips/mhz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。一條指令的執(zhí)行只需一個時鐘周期，與傳統(tǒng)的單片微機相比較速度要快很多倍，因而能夠勝任高速ad采樣時的控制工作。為了獲得最高的性能以及并行性，avr采用了harvard結(jié)構(gòu)，具有獨立的數(shù)據(jù)和程序總線。程序存儲器里的指令通過一級流水線運行。cpu在執(zhí)行一條指令的同時讀取下一條指令(在本文稱為預(yù)取)。這個概念實現(xiàn)了指令的單時鐘周期運行。程序存儲器是可以在線編程的flash. 快速訪問寄存器文件包括32個8位通用工作寄存器，訪問時間為一個時鐘周期。從而實現(xiàn)了單時鐘周期的alu(算術(shù)邏輯單元)操作。在典型的alu操作中，兩個位于寄存器文件中的操作數(shù)同時被訪問，然后執(zhí)行運算，結(jié)果再被送回到寄存器文件。整個過程僅需一個時鐘周期，avr有一個靈活的中斷模塊?？刂萍拇嫫魑挥趇/o空間，狀態(tài)寄存器里有全局中斷使能位。每個中斷在中斷向量表里都有獨立的中斷向量。各個中斷的優(yōu)先級與其在中斷向量表的位置有關(guān)，中斷向量地址越低，優(yōu)先級越高。角存儲器空間包含64個可以直接尋址的地址，作為cpu外設(shè)的控制寄存系統(tǒng)硬件設(shè)計及實現(xiàn)器、spi,以及其他i/0功能。映射到數(shù)據(jù)空間即為寄存器文件之后的地址0x20-0x5f。3.1.1.2 atmega16功能結(jié)構(gòu)在16mhz頻率下速度為16mips的8位risc結(jié)構(gòu)單片機，內(nèi)含硬件乘法器。支持jtag端口仿真和編程，仿真效果比傳統(tǒng)仿真同更真實有效。8通道10位ad轉(zhuǎn)換器，支持單端和雙端差分信號輸入，內(nèi)帶增益可編程運算放大器。16k字節(jié)的flash存貯器，支持 isp、iap編程，使系統(tǒng)開發(fā)、生產(chǎn)、維護更容易。多達1k字節(jié)的sram，32個通用寄存器，三個數(shù)據(jù)指針，使用c語言編程更容易。512字節(jié)的eeprom存貯器，可以在系統(tǒng)掉電時保存您的重要數(shù)據(jù)。多達20 個中斷源，每個中斷有獨立的中斷向量入口地址。2個8 位定時/計數(shù)器，1個16位定時/計數(shù)器，帶捕捉、比較功能，有四個通道的pwm，2個硬件usart、spi和基于字節(jié)處理的ic接口。杰出的電氣性能，超強的抗干擾能力。每個i/o口可負載40ma的電流，總電流不超過200ma?？蛇x片內(nèi)/片外 rc振蕩、石英/陶瓷晶振、外部時鐘，更具備實時時鐘（rtc）功能；片內(nèi)rc振蕩可達8mhz，頻率可校調(diào)到1%精度；片外晶振振蕩幅度可調(diào)，以改善emi性能。內(nèi)置模擬量比較器。可以用熔絲開啟、獨立振蕩器的看門狗，看門狗溢出時間分8 級可調(diào)。內(nèi)置上電復(fù)位電路和可編程低電壓檢測（bod）復(fù)位電路。六種睡眠模式，給你更低的功耗和更靈活的選擇。atmega16l工作電壓2.7v-5.5v，工作頻率0-8mhz；atmega16工作電壓4.5-5.5v，工作頻率0-16mhz。32個i/o口，dip40、tqfp44封裝。與其它8位單片機相比，有更高的程序安全性，保護您的知識產(chǎn)權(quán)。3.1.2 atmega16的封裝及引角圖3.1的pdip封裝圖*vcc數(shù)字電路的電源。*gnd地。*端口a(pa7.pa0)端口a做為a/d轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口a 為8 位雙向i/o 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口a處于高阻狀態(tài)。端口 a 的第二功能:pa6 adc6 (adc 輸入通道6)pa5 adc5 (adc 輸入通道5)pa4 adc4 (adc 輸入通道4)pa3 adc3 (adc 輸入通道3)pa2 adc2 (adc 輸入通道2)pa1 adc1 (adc 輸入通道1)*端口b(pb7.pb0) 端口b為8 位雙向i/o口，具有pa7 adc7 (adc 輸入通道7)pa0 adc0 (adc 輸入通道0)可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口b處于高阻狀態(tài)。端口b的第二功能:pb7 sck (spi總線的串行時鐘)pb6 miso (spi總線的主機輸入/從機輸出信號)pb5 mosi (spi總線的主機輸出/從機輸入信號)pb4 ss (spi從機選擇引腳)pb3 ain1 (模擬比較負輸入)oc0 (t/c0輸出比較匹配輸出)pb2 ain0 (模擬比較正輸入)int2 (外部中斷2 輸入)pb1 t1 (t/c1外部計數(shù)器輸入)pb0 t0 (t/c0外部計數(shù)器輸入)xck (usart 外部時鐘輸入/ 輸出)*端口c(pc7.pc0) 端口c為8位雙向i/o口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口c 處于高阻狀態(tài)。如果jtag接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 pc5(tdi)、pc3(tms)與 pc2(tck)的上拉電阻被激活。端口c也可以用做其他不同的特殊功能。端口 c 的第二功能:pc7 tosc2 (定時振蕩器引腳2)pc6 tosc1 (定時振蕩器引腳1)pc5 tdi (jtag 測試數(shù)據(jù)輸入)pc4 tdo (jtag 測試數(shù)據(jù)輸出)pc3 tms (jtag 測試模式選擇)pc2 tck (jtag 測試時鐘)pc1 sda (兩線串行總線數(shù)據(jù)輸入/輸出線)pc0 scl (兩線串行總線時鐘線)*端口d(pd7.pd0) 端口d為8位雙向i/o口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口d處于高阻狀態(tài)。端口d的第二功能:pd7 oc2 (t/c2輸出比較匹配輸出)pd6 icp1 (t/c1輸入捕捉引腳)pd5 oc1a (t/c1輸出比較a匹配輸出)pd4 oc1b (t/c1輸出比較b匹配輸出 )pd3 int1 (外部中斷1的輸入)pd2 int0 (外部中斷0的輸入)pd1 txd (usart輸出引腳)pd0 rxd (usart輸入引腳)reset復(fù)位輸入引腳,持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。持續(xù)時間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。xtal1 反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端。xtal2 反向振蕩放大器的輸出端。avcc avcc是端口a與a/d轉(zhuǎn)換器的電源。不使用adc時，該引腳應(yīng)直接與vcc連接。使用adc時應(yīng)通過一個低通濾波器與vcc 連接。aref a/d 的模擬基準輸入引腳。3.2 ad620芯片概述3.2.1 ad620的結(jié)構(gòu)3.2.1.1 ad620的介紹ad620是在傳統(tǒng)的三運放組合方式改進的基礎(chǔ)上研制的單片儀用放大器，是一種只用一個外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù)為110000的低功耗、高精度儀表放大器。它體積小，為8管腳的soil或dip封裝:供電電源范圍為+/-2.3v、+/-18v;最大供電電流僅為1.3ma。ad620具有很好的直流特性和交流特性，它的最大輸入失調(diào)電壓為50uv，最大輸入失調(diào)電壓漂移為1pv/，最大輸入偏置電流為2.ona。在增益g=10時，其共模抑制比大于93db。在0.1hz-lohz范圍內(nèi)輸入電壓噪聲的峰一峰值為0.28pv，輸入電流噪聲為0.1pa/hz。增益g=1時它的增益帶寬為120khz，建立時間為15us。3.2.1.2 ad620內(nèi)部結(jié)構(gòu)為了獲得最高的性能，許多a/d變換器都采用差分模擬輸入，輸入三極管q1和q2提供了唯一雙極差分輸入。采用差分模擬輸入對共模噪聲有很好的抑制作用。它的輸入偏移電流比一般情況低10倍。通過q-a-r，環(huán)路和q2-a2-r2環(huán)路的反饋，保持了q1、q2集電極電流為常量，所以輸入電壓相當于加在外接電阻rg的兩端，從輸入到a1/a2輸出的差分放大倍數(shù)為g=( r1+ r2 )/rg+1。由a3組成的單位增益減法器消除了任何共模成分，而產(chǎn)生一個與ref管腳電位有關(guān)的單路輸出。rg的值還確定了前級運放的跨導(dǎo)。當rg減小時，放大倍數(shù)增大，對輸入三極管的跨導(dǎo)漸漸地增大，這個帶來的優(yōu)點就是:放大倍數(shù)增加使得開環(huán)增益增大，因此減小了與增益有關(guān)的誤差;由cz和前置運放跨導(dǎo)確定的增益帶寬乘積增加，因此頻率響應(yīng)得到改善;主要由輸入三極管集電極電流和基極電阻確定的輸入電壓噪聲減小到9nv/hz。3.2.2 ad620的封裝及特點圖3.2ad620引角圖（1）ad620引角功能:*1、8跨接電阻調(diào)節(jié)放大倍率；*4、7接需提供正負相等的工作電壓；*由 2、3接腳輸入的放大的電壓值；*6接腳輸出的放大電壓值，腳5接是參考基準，如果接地，則腳6的輸出為與地之間的相對電壓。（2）ad620特性:*能確保高增益精密放大所需的低失調(diào)電壓、低失調(diào)電壓漂移和低噪聲等性能指標；*只用一只外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù)1-1000；*體積小，只有8個引腳；*低功耗，最大供電電流為1.5ma，輸入阻抗20k歐姆。3.3 ads7835芯片概述3.3.1 ads7835結(jié)構(gòu)ads7835的是12位,采樣模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，完成與采樣-保持,國內(nèi)2.5v參考,并同步串行接口. 典型功耗為17.5mw在500khz吞吐量速率. 該裝置可置于功率下降模式,從而降低損耗僅2.5mw .內(nèi)部可參考overdriven外部電壓. 低功率,體積小,速度快,使ads7835適合電池操作的系統(tǒng),如無線通訊裝置,portable multichannel data loggers ,頻譜分析器. 串行接口也提供低成本的隔離遠程數(shù)據(jù)采集,并保證在-40至85溫度范圍。3.3.2 ads7835封裝及特性convvrefclkanvrcfgnd87654321ainclkgndadads7835gnddatagndco+vccmsop-8圖片3.3 ads7835引腳圖（1）ads7835引角功能：*1腳接vref內(nèi)部參考電壓；*8腳 +vcc 電源+5v；*2腳ain 模擬輸入-2.5+2.5；*7腳接 clk 時鐘125ns5us；*3腳 gnd 接地 ；*6腳 data 接12位數(shù)據(jù)輸出；*4腳 gnd 接地。*5腳 conv數(shù)據(jù)輸出允許； （2）ads7835特性：*500khz的處理速率；*正負2. 5v的內(nèi)部參考電壓，亦可接入更高的外部參考電壓；*低功率:在500khz的處理速率時的典型功耗是17.5mw；*可設(shè)置低功率模式工作，其功耗可降達2.5mw；*單端輸入電壓5v；*同步:串行接口；*無誤碼；*工作溫度范圍可達-40+85 。3.3.3 ads7835工作模式3.3.3.1工作模式概述ads7853有6中工作模式，我們了解其中的四種，根據(jù)設(shè)計的需要，我們選擇的是spi和qsp模式，模式選擇不同則具有不同的時序，其中時間標示和clk和串行數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系如下。表3.1 ads7835時間標示表時間標 示說明最小 時 間典型 時 間最 大 時 間tacp采樣時間350nstconv轉(zhuǎn)換時間1.625ustckp時鐘周期125ns500nstck1時鐘底半周期50nstckh時鐘高半周期50nstckdh下降沿對現(xiàn)行傳輸數(shù)據(jù)無效時間5ns15nstckds下降沿對下一組傳輸數(shù)據(jù)有效時間30ns50nstcv1conv腳底電平時間40nstcvhconv腳高電平時間40nstckchclk下降沿conv腳保持時間10nstckcsclk下降沿conv腳置位時間10nstckdeclk下降沿到數(shù)據(jù)有效時間20ns50nstckddclk下降沿到數(shù)據(jù)高阻時間70ns100nstckspclk下降沿到采樣時間5nstckpdclk下降沿到省電模式時間50nstcvhdconv下降沿到采樣有效時間5nstcvspconv上升沿到采樣模式時間5nstcvpuconv上升沿到全功率工作模式50nstcvddconv變換時間到數(shù)據(jù)高阻時間70ns100nstcvpdconv變換狀態(tài)到省電模式50nstdrpclk下降沿到clk啟動時間5usclxdatatcxptcxltcxhtcxdltcxdh圖3.4clk和串行傳輸關(guān)系3.3.3.2 spi和qsp通信模式簡介這種模式經(jīng)常用在各種不同的微處理器中的。此時conv接到任意的i/o口(在spi中)或接到pcx腳(在qspi中)。clk可以接到串行時鐘接口，data接到串行數(shù)據(jù)輸入引腳如miso (masterin slave out)。這段時間是在spi和qspi模式中觸發(fā)clk的conv要保持低電平的最短時間。系統(tǒng)擬采用的avr公司的mega16單片機支持spi的傳輸模式，所以此模式也可以選擇作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作模式。圖片3.5 spi/qsp模式3.4 6n137芯片概述3.4.1 6n137的結(jié)構(gòu)6n137是一塊支持lsttl/ttl兩種方式的高速光電隔離器。其中包含了gaasp的兩極真空管和集成度一很高的檢測器。高度集成的檢測器中的光電二極管檢測收集光子后用高增益線性放大器放大。整個過程維持常溫，是實時且電壓會自動補償。6n137這款片在;交直流情況下都能進行隔離，也就是對lsttl和ttl兩種情況都是兼容的。芯片的工作溫度可以在0-70之間。當芯片接5v的供電電源時，在輸入端有微小的輸入如5ma時其輸出端就會放大輸出13mao6n137的典型傳輸延遲時間時45ns。12345678圖片3.6 6n137引角圖（1）引腳功能：*1.腳nc；*5.腳gnd，接地；*2. 腳anode；*6.腳output 輸出端；*3.cathode；*7.腳enable；*4.腳nc. ；*8.腳vcc 接電源。（2）6n137特性：*速度可高達lom bit/s；*5v供電，兼容lsttl或ttl；*在高溫下正常工作；*邏輯門電路輸出；*超高隔離性能?？梢娝x的隔離芯片有很好隔離性能，而且前面的a/d校準曲線表中的lcd數(shù)據(jù)是在通過這個隔離芯片以后測的，從表中的數(shù)據(jù)可以看到，隔離對數(shù)據(jù)的精確度基本沒有影響。也就是在正確保證了數(shù)據(jù)的有效性之外提供了很好的隔離性。第4章 硬件電路設(shè)計4.1電源電路的設(shè)計完全隔離要求放大器兩邊的電源也必須隔離，因而電源同樣設(shè)計為由不同繞線組引出的交流電處理而得。其中ad620, op07, ad7835以及6n137的輸入部分單獨使用兩路士12v和5v模擬電壓;6n137的輸出部分則使用另兩路電源，從而將電源完全隔離開來。圖4.1 電源電路圖4.2 前置電路的設(shè)計4.2.1放大電路設(shè)計第一級ad620采用繼電器rw1控制實現(xiàn)增益5，而當ad620開環(huán)時增益為1第二級op07開環(huán)增益為1，而通過繼電器rw2 rw6這5個繼電器分別控制實現(xiàn)增益0.25, 0.5,5,10,1000。圖4.2 放大電路圖4.2.2 a/d轉(zhuǎn)換隔離電路設(shè)計經(jīng)由前面二級放大后的模擬信號通過ad7835轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，繼而再通過光隔離芯片6n137進行隔離。從圖下可以看到，ad7835的cony、data，和clk 3個端口是要通過單片機控制的，所以將此3個端口的輸出信號都接入光隔離芯片進行隔離。因此，一路的信號需要3塊隔離芯片。特別注意器件的gnd的設(shè)計，在光隔芯片的信號輸入端全部選擇接入變壓器交流分壓而得的模擬地，而在光隔芯片的信號輸出端則全部選擇接入由單片機提供的數(shù)字地，從而確保了信號在經(jīng)過光隔離芯片后的完全隔離。圖4.3 a/d轉(zhuǎn)換隔離電路圖4.3 單片機控制電路設(shè)計而對于三路通道的而言，三片ad的conv和clk可由pbl和pbo共同控制，系統(tǒng)硬件設(shè)計及實現(xiàn)而數(shù)據(jù)data則可分別接到pdo、pd2這三個端口。通過上面的硬件連接就能實現(xiàn)對三個通道的實時操作，可以同時采集三個通道的數(shù)據(jù)，而不用使用輪詢的方式，就不會在數(shù)據(jù)變化較快時造成數(shù)據(jù)的丟失。使整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的靈敏度有了很大的提高。gnd convgnd dataain clkvref +vcc隔離pb1pd0pb0ads7835convdataclkatmega16圖4.4 單片機控制簡圖4.4 外設(shè)電路設(shè)計為便于調(diào)試與使用，系統(tǒng)帶有四個按鍵和一塊lcd液晶顯示屏，lcd為5*7點陣字符型，可顯示2行字符，每行20字符。作為提供給用戶的界面。lcd采用標準接法，鍵盤通過三態(tài)緩沖隔離后可由總線讀入。 pb0 pb1 pa7-pa0按鍵地址選通 r/we rs d7-d0三態(tài)緩沖atmega16 圖4.5 lcd和鍵盤電路圖4.5 總電路設(shè)計4.5.1 總設(shè)計電路圖4.6總體設(shè)計電路圖4.5.2 各元件功能簡述圖4.6為設(shè)計整體電路圖，本電路主要是由三路信號的流程模塊組成，其三個模塊的功能和組成都是相同，每個信號模塊都是由ad620，0p07，ads7835，6n137，繼電器，電阻，電容，等元件組成。ad620在電路中是對信號進行一級放大，繼電器rw1是對6n137實現(xiàn)增益控制。op07是在一級放大以后進行二級放大，分別由rw2rw6實現(xiàn)增益控制。ads7835是a/d轉(zhuǎn)換芯片，主要功能是模擬信號變換成數(shù)字信號，在轉(zhuǎn)換過程中實現(xiàn)了采集，量化，編碼等工序。6n137是一種光電隔離器，實現(xiàn)被采集信號與主控電路隔離，在系統(tǒng)中主要是發(fā)揮其隔離的功能。在三個模塊以外的電路中，atmega16是系統(tǒng)的核心，主要功能有，對數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)目刂疲峁┫到y(tǒng)時鐘，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的顯示和保持控制，提供系統(tǒng)的調(diào)試。lcd功能是通過對數(shù)字譯碼，對采集數(shù)據(jù)進行顯示，達到系統(tǒng)與人的交互。電源部分主要是由二極管，mc7415t，mc7405t組成。二級管組成橋式整流，mc7415t和mc7405t是為系統(tǒng)提供+12v和5v的電壓。4.5.3電路信號流程溫度傳感器采集環(huán)境中的溫度,反映成為模擬電信號,模擬電信號輸入ad620的vin+和vin-端,由out端口輸出,實現(xiàn)了增益為5的放大,然后再由繼電器rw2-rw6控制輸入op07進行二級放大,成為變化很明顯的模擬信號.模擬信號通過atmega16的控制輸入ads7835,實a/d轉(zhuǎn)換,模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,同時也由atmega16控制,并經(jīng)過6n137的隔離,.數(shù)字溫度信號進入atmega 16的pd0端,最后通過atmega16的處理,由lcd的采集的溫度進行顯示,同時也用儲存器進行儲存.濕度和光度信號流程基本都是相同,具備各自的流程通道.只是在模擬采集和單片機輸入端口不同,具有相同的流程原理.第5章 軟件設(shè)計5.1軟件總體設(shè)計方案5.1.1初始程序設(shè)計初始程序主要是初始化器件的端口，設(shè)定芯片的工作方式進行，以及其他功能處理的初始設(shè)定。開始初始化、參數(shù)設(shè)置消息循環(huán)、等待指令圖5.1初始程序流程圖5.1.2整體中斷程序設(shè)計主要的中斷有兩種:定時中斷和外部定時中斷由定時器產(chǎn)生，作為定時采樣時的觸發(fā)信號和時標。開始現(xiàn)場恢復(fù)i=1 to 3通道1開采樣通道1，記錄采樣值采樣值處理，存入ram,或直接傳到pcram存滿面換頁或通知pc返回現(xiàn)場保護i=4nyypc中斷 圖5.1定時中斷服務(wù)程序外部中斷因中斷源不同而有所不同。開始現(xiàn)場保護取中斷源信息收取usb數(shù)據(jù)流指令分析設(shè)置解釋執(zhí)行指令并回復(fù)關(guān)中斷進入鍵盤設(shè)置程序設(shè)置執(zhí)行程序現(xiàn)場恢復(fù)返回讀取采樣值采樣值處理；存入ram或直接傳到pc換頁或通知pcram存滿？帶回復(fù)指令yn鍵盤中斷ad中斷圖5.3 外部中斷服務(wù)程序5.2程序設(shè)計5.2.1 spi通信程序設(shè)計在設(shè)計中，我們模數(shù)轉(zhuǎn)換的ads7835芯片采取spi的方式進行通訊，spi通信程序如下：#define lpt_port 0x378#define clr_wck(x) x=x&(10); outportb(lpt_port,x); / data.0#define set_wck(x) x=x | (10) outportb(lpt_port,x); #define clr_bck(x) x=x&(12); outportb(lpt_port,x); / data.2#define set_bck(x) x=x | (12) outportb(lpt_port,x); #define clr_data(x) x=x&(13); outportb(lpt_port,x); / data.3#define set_data(x) x=x | (13) outportb(lpt_port,x); #define false 0#define true 1void test_comm()unsigned char data data = 0;printf(“please press enter to begin send datan”);getch();printf(“pull down wck data.0n”);clr_wck(data);getch();printf(“pull up wck data.0n”);set_wck(data);getch();printf(“pull down bck data.2n”);clr_bck(data);getch();printf(“pull up bck data.2n”);set_bck(data);getch();printf(“pull down data data.3n”);clr_data(data);getch();printf(“pull up data data.3n”);set_data(data);get