基于单片机数据采集系统设计

基于单片机数据采集系统设计内容摘要：

ABLE 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。 /输出端口 P0/P1/P2/P3 P0 口（ ～ ， 39~32 脚）： P0 口是一个漏极开路的 8 位准双向 I/O 口。 9 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（ ～ ， 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（ ～ ， 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（ ～ ， 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： 图 26 系统原理框图 ATMEGA16 LCD12864 键盘 10 ATMEGA16 芯片 管脚图 图 27 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 11 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 12 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。 显示器件的选择 方案一： LED 13 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816 字符和 1616 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。 14 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。 图 31 系统总原理图 外围输入电路 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 ATMEGA16 LCD12864 键盘 数据流 外围电路 15 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 32 音频采集电路 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。 16 图 34 光电池电路 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 μm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 33 光电池结构 图 17 图 35 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～ 12 177。 100 － 20～＋ 85 － 型号 IOUT/mA Ro/kΩ Icc/mA 乘积灵敏度 V/A 输出形式 引脚排列 外形结构 typ max 1 2 3 4。