【正文】 摘 要本論文主要是應(yīng)用AVR單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將傳感器輸出的模擬信號進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，或進(jìn)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(jì)算機(jī)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(jìn)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(jì)采用AVR系列單片機(jī)的ATMEGA16單片機(jī)，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(shí)現(xiàn)溫室的溫度,濕度,光度三路信號的采集。使用ATMEGA16實(shí)現(xiàn)其控制，采用ISP通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過PA口輸出進(jìn)行LCD顯示和儲存。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；AVR單片機(jī)；ATMEGA16；ISPABSTRACTThe paper mainly realize the design of datacollecting system based on the AVR system transform the analog signal from sensor to digital signal,then send it to puter for processing or datasaving and displaying,and that put processing oute out by means with the highspeed development of the puter technique and electronical information technique,datacollecting bined with advanced electronical technique,can deal with quanty of meaguring data by using , the embedded system added and high effective MCU used more often make the datacollecting system more smart and prehensive.The design uselize ATMEGA16 from the AVR series siglechip, AD620amp,AD7853 didital to analog convertor,6N137 isolation chip realize three signals applied in the Temperature ,humidity, lighting， use ATMEGA16 to realize the control ,ISP to transport the data,PA to display in LCD and to save. Keywords: datacollecting 。AVR siglechip。 ATMEGA16。 ISP目 錄 摘 要 IIIABSTRACT IV目 錄 V第1章 緒論 7 7 8 9 10第2章 總體方案和原則 11 11 11 12第3章 芯片概述 14 AＴMEGA16芯片概述 14 ATMEGA16的結(jié)構(gòu) 14 ATMEGA16整體結(jié)構(gòu) 14 ATMEGA16功能結(jié)構(gòu) 14 ATMEGA16的封裝及引角 15 AD620芯片概述 17 AD620的結(jié)構(gòu) 17 AD620的介紹 17 AD620內(nèi)部結(jié)構(gòu) 18 AD620的封裝及特點(diǎn) 18 ADS7835芯片概述 19 ADS7835結(jié)構(gòu) 19 ADS7835封裝及特性 19 ADS7835工作模式 20 20 SPI和QSP通信模式簡介 22 6N137芯片概述 22 6N137的結(jié)構(gòu) 22第4章 硬件電路設(shè)計(jì) 24 24 前置電路的設(shè)計(jì) 24 24 A/D轉(zhuǎn)換隔離電路設(shè)計(jì) 25 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 26 外設(shè)電路設(shè)計(jì) 27 總電路設(shè)計(jì) 27 總設(shè)計(jì)電路 27 各元件功能簡述 29 29第5章 軟件設(shè)計(jì) 30 30 30 30 32 SPI通信程序設(shè)計(jì) 32 總程序 35第6章 設(shè)計(jì)總結(jié) 40 40 40 設(shè)計(jì)心得 41致 謝 42參考文獻(xiàn) 43附 錄 44第1章 緒論作為一個整體而言，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(shí)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(zhǔn)確性的要求也正在逐步提高。作為信息源頭的傳感器對計(jì)量測試技術(shù)的發(fā)展有著重要作用。在21世紀(jì)，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(dāng)今網(wǎng)絡(luò)化時代，以因特網(wǎng)為代表的計(jì)算機(jī)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(dāng)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。現(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(dāng)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(shí)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(yùn)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(jìn)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(kuò)展到企業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(zhǔn)確度要提高。可見，現(xiàn)代控制技術(shù)對計(jì)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(jìn)和推動著計(jì)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?！皵?shù)據(jù)采集”是指將各種模擬量進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再進(jìn)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(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換。模擬輸入信號經(jīng)過模擬多路開關(guān)，程控放大器，進(jìn)入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以接受的數(shù)字信號，計(jì)算機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行存儲和處理，并對對結(jié)果進(jìn)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(jìn)行放大，即放大器的放大倍數(shù)可以實(shí)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(jì)算機(jī)定時控制邏輯AdataBdata。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(jì)算機(jī)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?！皵?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(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲、處理、和輸出處理結(jié)果過程。實(shí)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(jìn)行采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后送入計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ眯盘柼幚碓O(shè)備進(jìn)行處理，并可按需要的形式輸出處理結(jié)果。隨著計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的實(shí)時監(jiān)控。在科學(xué)研究中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)對研究目標(biāo)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(dá)、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(jìn)行加密，從而提高信息的安全性。對信息進(jìn)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(shí)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(dá)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(dá)幾百M(fèi)SPSC (megasymbols per second兆符號/秒)。靈敏度由分辨率決定，一般認(rèn)為，在80dB的動態(tài)范圍要求下，分辨率應(yīng)不低于12位。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(jìn)行控制。在實(shí)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(jì)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(dú)立的人工的對溫度,濕度,和光度實(shí)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(dú)立,不便于整體控制操作等缺點(diǎn)。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(jī)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(jì)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(jìn)行采集并直接與PC機(jī)接口，實(shí)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(dú)立信號。*提供自校準(zhǔn)功能。*曲采樣速度較高，單通道采樣最高可達(dá)500KHz。 *直接通過USB接入PC機(jī)聯(lián)機(jī)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 總體方案和原則根據(jù)當(dāng)前技術(shù)狀況和發(fā)展趨勢，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)應(yīng)立足于最先進(jìn)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(jìn)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(hù)、易擴(kuò)展并且高度安全可靠。因此，系統(tǒng)的規(guī)劃實(shí)施必須遵循以下原則: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(diǎn)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(shí)驗(yàn)環(huán)境中的性狀。理論上，這兩個數(shù)據(jù)采集指標(biāo)越高越好，所以在硬件設(shè)計(jì)中應(yīng)該充系統(tǒng)分析及總體設(shè)計(jì)方案分考慮到這個因素。數(shù)據(jù)采集過程實(shí)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(jìn)行錯誤報(bào)警。能夠?qū)崟r的記錄每一幀的采集數(shù)據(jù)。投資保護(hù)原則:極大限度地保護(hù)用戶的投資，充分利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)設(shè)備。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上考慮未來資源種類和屬性的增加，留下充裕的擴(kuò)展余地，具有良好的可擴(kuò)展性和靈活性，以適應(yīng)設(shè)施的迅猛發(fā)展趨勢，滿足當(dāng)前及未來資源管理的需求。經(jīng)濟(jì)、實(shí)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(hù)，且能解決具體的實(shí)際問題，并采用成熟的技術(shù)，在保證系統(tǒng)性能并達(dá)到要求的前提下，盡量使系統(tǒng)投資最省。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(jī)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(dú)立而無任何相關(guān)，且采樣環(huán)境要求抗干擾能力強(qiáng)，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(jì)方案主電路包括A/D采樣、單片機(jī)控制/存儲電路、與PC的接口，考慮到可能脫機(jī)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(jì)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(fù)責(zé)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(jī)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(jì)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(jī)控制器顯示USB接口PC機(jī)接口C