数据采集与处理论文

数据采集与处理技术课程论文基于ATmega16AVR单片机的多路数据采集系统专业班级： 电子信息科学与技术二班 姓 名： 王洪良 选课序号： 24 学 号： 2220101412 信息科学技术学院摘 要随着科学技术的发展和微型计算机技术的广泛应用，数据采集监测已成为日益重要的检测技术。在现代工业中，多路数据采集已被广泛应用于工业和农业等等场合，因此对数据采集系统的许多方面，如采样率、分辨率、存储深度、数字信号处理速度、抗干扰能力等方面提出了越来越高的要求。目前常用的方式是在PC机中安装数据采集卡，它采集速率高，数据传输速度快，但是安装不方便，价格高，所以设计一种安装方便、价格低的实用数据采集系统很有必要。结合单片机的相关知识本论文设计和完成了基于ATmega16AVR单片机的多路数据采集系统的设计。系统可以采集多路信号，如电压、电流、频率和开关量等，在显示模块上准确显示，可以经过改进应用在监控多路温度、湿度和压力等场合。系统的实现是利用MEGA16自带ADC转换的强大功能，将模拟量等数据采集并传送到主机，然后送到12864液晶显示器上显示。多路数据采集系统最多可采集8路模拟数据，通过键盘可以选择采集相应的数据。另外，本装置还可以通过RS232接口与电脑连接，数据送到电脑后可以显示在屏幕上，有广大的应用前景。关键词：单片机; 液晶显示器; 电位器; 数据采集IIIABSTRACTWith the development of science and technology and the range of micro-computer technology applications becoming wider and wider, data collection has become increasingly important to monitor the detection technology. In modern industry, multi-channel data acquisition has been widely used in industry and agriculture, and so on. So the demand in many areasof the data collection system, such as the sampling rate, resolution, memory depth, digital signal processing speed, anti-interference capability is geting increasingly high.Now the commonly used method is to install data acquisition cards in PC, these cards have a high rate of collection and data transmission .But it is not convenient to install.So it is necessary to design a inexpensive and practical data acquisition system . With the knowledge of MCU I have designed and completed a thesis on ATmega16 AVR microcontroller chip to control the multi-channel data acquisition system design. The purpose of this design is collecting multiple signals, such as voltage, current, frequency and volume switch, accurately display module that can be improved in the application of multi-monitor temperature, humidity and pressure, and other occasions. its own system using the power of conversion, data acquisition and will be sent it to the host,then to 12864 LCD display.At most it can get up to 8 channels to collect information,which canrely on the keyboard to choice a kind of idea. In addition, the device can also connect RS232 interface with the computer. Data can display on the screen after senting back to computer. There are a majority of the application.Keywords: MCU; Liquid crystal display; Potentiometers; Data acquisition V目 录第1章 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2数据采集技术与特点11.2.1 数据采集技术分析11.2.2数据采集的的特点21.3数据采集技术的发展状况2第2章系统总体方案设计32.1系统方案论证32.1.1电源模块的选择32.1.2显示模块的选择32.1.3键盘模块的选择32.2系统总体方案设计4第3章系统硬件设计53.1总体设计部分53.2硬件电路设计部分63.2.1 MEGA16单片机63.2.2输入电路设计63.2.3 12864液晶显示电路设计73.2.4 MAX232和串行口插座电路设计8第4章系统软件设计104.1软件设计思想104.2主程序设计10结论11参 考 文 献11基于ATmega16AVR单片机的多路数据采集系统基于ATmega16AVR单片机的多路数据采集系统第1章 绪论1.1 课题研究的背景及意义数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。随着电子技术的不断进步，芯片处理速度大幅提高，同时，接口技术的发展和软件的进步越来越快，当今的数据采集效率在各方面的应用都得到了飞速的提升数据采集。网络化制造系统中的信息化终端是在车间环境中实施网络化制造的关键装置之一，而数据采集系统是实现制造企业整个生产过程的信息集成，实施综合自动化，以及网络化制造中设备层远程监控的基础。在实际应用中，数据采集常常和工业控制联系在一起，形成一套完整的数据采集监控系统。由于各种工业现场条件不同，对现场的数据采集与控制功能的要求也不尽相同，而且各种信息化终端采用的体系结构和设计方案都有很大的差异，因此如何在各种信息化终端的基础上灵活扩展数据采集与控制模块来满足现场需要具有很大的研究意义。1.2数据采集技术与特点1.2.1 数据采集技术分析在现有的资料中，多路数据采集系统一般由CPU模块、数据采集模块、数据输出模块、时钟模块、液晶显示模块、RS-232通讯模块、CAN总线模块、DeviceNet模块、电源模块组成。主要设计了模拟量采集接口电路、CPU外围电路、通讯模块接口电路。其中典型的有为实现数据的定时采集和按时间日期保存数据而扩展了一片实时时钟日历芯片DS12887；为便于输入各种数据而扩展了键盘接口管理器件SK5278；为便于实时显示采集的数据及人机交互而扩展了中文液晶图文显示器；为便于将采集的数据传送给上位计算机进行数据的处理分析而使用MAX232扩展了RS-232接口，而大部分功能都由单片机芯片中实现。1.2.2数据采集的的特点单片机系统采集的信号有模拟电压信号、模拟电流信号、PWM信号、数字逻辑信号等。现在，绝大多数传感器的信号都是模拟量，电流和电压。所以模拟信号的采集应用最为广泛，处理过程也相对复杂。相对于模拟信号，PWM信号和数字逻辑信号的采集比较直接，单片机能够直接处理这类信号，无需额外的器件进行信号转换。1.3数据采集技术的发展状况随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统迅速得到广泛应用，它渗透到工业、地质、医疗器械、通讯、遥感遥测等各个领域，为获取信息提供了良好的基础。在生产过程中应用这一系统，可实现对生产现场各种参数的采集、监视和记录，为安全生产、提高产品质量、以及降低成本和减少损失提供信息和手段。12第2章系统总体方案设计2.1系统方案论证2.1.1电源模块的选择所有器件采用单一5V电源。这样供电比较简单。D1Bridge10.1uFC30.1uFC4220uF/16VC1220uF/16VC2T1Trans EqVinVoutGND1LM7805GND220V+-+5V图 2-1 电源电路2.1.2显示模块的选择通过单片机，直接驱动LCD。其工作原理就是利用液晶的物理特性：通电时排列变得有序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。 LCD的好处有： 与LED相比，LCD的优点主要包括零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字符显示锐利、占用的IO口数量少等。 缺点是：价格昂贵。2.1.3键盘模块的选择独立式按键。单片机控制系统中，往往只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。独立式按键电路如图2-3所示。独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。此外，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。当I/O口线内部有上拉电阻时，外电路可不接上拉电阻。独立式按键软件常采用查询式结构。先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线。 图 2-3 独立式按键电路2.2系统总体方案设计本次多路数据采集系统的设计，主要是以ATMEGA16单片机为控制核心，由多路模拟量输入、频率量输入、开关量输入、12864液晶显示模块、键盘模块、MAX232转换模块和单片机七个部分组成。本设计主要研究的是从采集多路输入量，然后通过单片机送入12864液晶屏上准确显示，由于采集信号时有干扰，为了能够获得更准确的结果，本设计采取了前端调整电路，同时，还可以通过按键控制采集指定的那路信号。系统框图如图2-4。多路模拟量输入主控制器ATMEGA16L12864液晶显示模块MAX232 转换模块频率量输入开关量输入COMPUTER键盘电路图 2-4 系统框图第3章系统硬件设计3.1总体设计部分本系统应具有如下功能:(1)可实现模拟量8路单端输入，通道循环扫描;(2)可程控量程转换;(3)可选的多种触发方式;其主要性能指标如下:(1)8通道单端信号输入，最高采样率200ksps;(2)分辨率:10bits;(3)准确度:0.01%;(4)输入信号电压范围:0-+O.1V, 0-+1V, 0-+2V及0-+5V四种方式可程控选择。电路设计的原则有以下几点：（1）软硬结合。在单片机应用系统中，许多硬件能完成的功能也可以由软件完成。用软件来实现的硬件功能可以减少硬件电路，但响应时间则比硬件实现要长的多，而且占用许多CPU的执行时间，且部分算法的实现往往非常复杂。在考虑硬件软化是需要考虑这些因素。（2）选用典型的芯片促进硬件系统的标准化和模块化。（3）全面规划系统资源，再进行系统开发是要考虑系统的扩展，以利于系统的二次开发。（4）信号兼容性。考虑设计好的单元电路之间接口信号的类型，如TTL信号与RS-232信号的转换、高速信号与低速信号的缓冲等等。根据以上原则，进行硬件设计。3.2硬件电路设计部分3.2.1 MEGA16单片机本设计选用ATmega16单片机作为系统的CPU。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1MIPSMHz，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。3.2.2输入电路设计OP07构成同相放大器，对输入信号进行一级放大。R2、C1构成一阶低通滤波器，对输入信号中的噪声进行滤波。放大器的电压增益：低通滤波器的截止频率：图3-6 调整电路模拟输入端采用电位器。如图3-7。图3-7 模拟输入端3.2.3 12864液晶显示电路设计液晶显示模块是 12864点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标GB2312 码简体中文字库（16X16 点阵）、128 个字符（8X16 点阵）及 64X256 点阵显示 RAM（GDRAM）。可与 CPU 直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式，本设计中采用串行方式，如图3-8是12864与ATMEGA16串行接口电路图，图3-4是12864串行连接时序图。 图3-8液晶屏的串行接口图3-9串行连接时序图3.2.4 MAX232和串行口插座电路设计1MAX232芯片说明由于电脑和单片机的电平是不一样的，因此两者要进行数据交换，必须采用相应的电平转换电路。用的最多的就是RS232通讯方式，采用MAX232芯片即可完成。UARTO使用的RS232电平转换芯片是美信公司生产的MAX232CPE， MAX232CPE引脚图如图3-10所示。图3-10 MAX232CPE引脚图2.DB 9针串行口插座 本设计中的串行口座用 DB9 的母头，这样 就能用买来的 PC 串行口延长线进行和电脑相连接，也能直接接到电脑 COM口上。如图3-11所示，各引脚定义和功能如表3-3所示。 表3-3 功能表引脚名称功能1CD载波检测2RXD接受数据3TXD发送数据4DTR数据终端准备就绪5GND地6DSR数据集准备就绪7RTS请求发送8CTS允许发送9RI振铃指示图3-11串行9 针插座 3MAX232、串行口与单片机的电路连接MAX232、串行口与单片机的电路连接如图3-12所示：图3-12MAX232、串行口与单片机的电路连接图第4章系统软件设计4.1软件设计思想本系统以C语言结合AVR单片机的特有指令和格式进行软件设计。C语言作为一种编程语言十分受人欢迎，是目前世界上流行、使用最广泛的高级程序设计语言。C语言对操作系统和系统使用程序以及需要对硬件进行操作的场合，用C语言明显优于其它高级语言，许多大型应用软件都是用C语言编写的。根据总体设计的思想及本系统的实现的功能，在系统软件设计之中主要包括以下子程序模块：主程序、A/D程序、键盘子程序、显示子程序等五部分。4.2主程序设计 在本设计中主程序主要是菜单管理程序，先从模拟输入端获得数据，然后送入单片机内部A/D进行转换并在LCD上显示。也可以通过按键来选择循环的方式采集数据。主程序流程图如图4-1所示。图4-1 主程序流程图结论数据采集模块的主要实现如下功能:根据预先设定的数据采集触发方式、通过A/D转换采集各通道被测量。通过对多路模拟开关扫描序列的调整，可实现各通道不同的采样速率。从而在一次数据采集过程中，完成对多个不同测试点、不同特性被测信号的获取。板上采用了功能强大的微处理器，可实时对测得数据进行处理显示。装置还可以通过RS232接口与电脑实现连接，数据送到电脑后可以显示在屏幕上，有广大的应用前景。通过对数据采集资料的认真研读，解决了我在本设计中的主要问题，而且学会了分析问题、处理问题以及解决问题的方法。本设计属于设计了简单的多路数据采集系统,还有许多地方可以改进。比如：1可以设计控制程序实现当外界输入超出某界限时，实施报警，并调整输入端。2.还可以采用CH375等接口方式把系统改变成高速数据采集系统。参 考 文 献1 汪惊奇，周功业，黎书生基于USB接口的便携式数据采集系统的实现M. 电子工业出版社，2002. 82 周坚编单片机C语言轻松入门M.北京航空航天大学出版社,2006 3 谢自美电子线路设计.试验.测试 M.华中科技大学出版社，20044 吴双力，崔剑，王伯岭 AVR-ICC与AVR单片机C语言开发M.北京航空航天大学出版社，20045 陈冬云ATmega128 单片机原理与开发指导M.机械工业出版社，2005.106 李曼多通道高速数据采集电路设计.西安科技学院学报J，2000，第 20卷第二期:1431457 马永杰，杨志民I OOMHz高速数据采集卡研制中关键技术的探讨.西北师范大学学报 (自然科学版)J，1999. (1): 37-378 周兴华单片机智能化产品C语言设计实例详解M. 北京:北京航天航空大学出版社 .2006