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基于单片机数据采集系统设计.rar

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    基于 单片机 数据 采集 系统 设计
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    科技学院 2011 届本科毕业论文基于单片机数据采集系统设计学科专业: 通信工程 指导教师: 王 蓓 学生姓名: 姚 政 宇 学生学号: 062004101681 中国﹒贵州﹒贵阳2011 年 5 月贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 I 页 目 录摘要.......................................................................................................................................IIIAbstract.................................................................................................................................IV第一章 绪论.........................................................................................................................11.1 课题的背景及其意义..........................................................................................11.2 系统整体方案设想..............................................................................................11.2.1 系统硬件方案设想.................................................................................11.2.2 系统软件方案设想.................................................................................21.3 本设计要完成的任务..........................................................................................2第二章 方案的分析与论证.................................................................................................42.1 主控系统分析与论证..........................................................................................42.2 显示器件的选择..................................................................................................6第三章 系统的硬件结构设计.............................................................................................83.1 外围输入电路......................................................................................................83.1.1 音频输入电路.........................................................................................83.1.2 光电池输入电路.....................................................................................93.1.3 磁场输入电路.........................................................................................93.1.4 电压输入电路.......................................................................................103.2 串口电平转换电路............................................................................................113.3 键路盘电 ............................................................................................................113.4 显示电路............................................................................................................123.5 主控器 ATMEGA16 电路 ................................................................................14第四章 系统软件结构设计...............................................................................................174.1 系统主程序流程图............................................................................................144.2 数据采集中断服务子程序流程图....................................................................184.3 数据采集与显示程序流程图............................................................................20总结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21参考文献...............................................................................................................................22附录.......................................................................................................................................23贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 II 页 致谢.......................................................................................................................................42贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 III 页 基于单片机数据采集系统设计摘 要随着计算机技术的飞速发展和普及,数据采集系统也迅速地得到应用。在生产过程中,应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集,监视和记录,为提高产品质量,降低成本提供信息和手段。在科学研究中,应用数据采集系统可获得大量的动态信息,是研究瞬间物理过程的有力工具,也是获取科学奥秘的重要手段之一。 数据采集系统,从严格的意义上来说,应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测,并且能够对数据实行存储、处理、分析计算以及检测的数据中提取可用的信息,供显示、记录、打印或描绘的系统。本文采用 ATMEGA16 单片机作为数据采集系统的控制核心,系统分为数据采集模块、A/D 转换模块、系统控制模块、键盘模块、显示模块等几部分。系统通过 ATMEGA16 对多通道的数据流进行控制,经过处理后在 LCD12864 上进行显示。关键词:ATMEGA16;数据采集;A/D 转换;LCD12864贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 IV 页 The design of data collection system base on singlechipAbstractWith the rapid development of computer technology and penetration, rapid data acquisition system has been applied. In the production process, the system can be applied to the production process parameters for site acquisition, monitoring and recording, To improve product quality, reduce costs and provide information means. In scientific research, application of dynamic data acquisition system can obtain a lot of information is a powerful tool to study physical processes instant. one of the important means of gaining scientific mystery. Data acquisition system, from the strict sense, is to be used computer control of multi-channel data automatic detection or circuit testing, and can be implemented for data storage, processing, analysis and calculation, and testing data, extracting usable information for display, records, print or portray system. The design of the data acquisition system used as a control ATMEGA16 MCU core D conversion system is divided into modules, the system control module, keyboard module, module and other parts. ATMEGA16 of multi-channel systems to control data flow, After being handled in LCD12864 on show. Keywords:ATMEGA16,The data collect,A/Dtransform ,LCD12864贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 1 页 第一章 绪 论1.1 课题的背景及其意义随着计算机技术的飞速发展和普及,数据采集系统也迅速地得到应用。在生产过程中,应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集,监视和记录,为提高产品质量,降低成本提供信息和手段。在科学研究中,应用数据采集系统可获得大量的动态信息,是研究瞬间物理过程的有力工具,也是获取科学奥秘的重要手段之一。总之,不论在哪个应用领域中,数据采集与处理越及时,工作效率就越高,取得的经济效益也越高。电子计算机的发展对通信起了巨大的推动作用。计算机和通信紧密结合可以构成灵活多样的通信控制系统也可以构成强有力的信息处理系统,这样对社会的发展产生深刻的影响。数据通信是电子计算机广泛应用的必然产物。计算机与它的终端之间需要数据通信,计算机与计算机之间更需要数据通信。此处在遥测、遥感、雷达、自动控制等系统中都要用到计算机,因而都需要数据通信。数据采集系统,从严格的意义上来说,应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测,并且能够对数据实行存储、处理、分析计算以及检测的数据中提取可用的信息,供显示、记录、打印或描绘的系统。数据采集系统一般由数据输入系统,数据存储与管理,数据处理,数据输出及显示这四个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测,采样和信号转换工作。数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来,建立相应的数据库,并进行管理和调用。数据处理就是从采集到的原始数据中,删除有关干扰噪声,无关信息和必要的信息,提取出反映被测对象特征的重要信息。另外,就是对数据进行统计分析,以便于检索;或者把数据恢复成原来的物理量形式,以可输出的形态在输出设备上输出,例如打印,显示,绘图等。数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示。1.2 系统整体方案设想1.2.1 系统硬件方案设想数据采集系统一般由数据输入系统,数据存储与管理,数据处理,数据输出及显示这四个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测,采样和信号转换工作。数据贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 2 页 存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来,建立相应的数据库,并进行管理和调用。数据处理就是从采集到的原始数据中,删除有关干扰噪声,无关信息和必要的信息,提取出反映被测对象特征的重要信息。另外,就是对数据进行统计分析,以便于检索;或者把数据恢复成原来的物理量形式,以可输出的形态在输出设备上输出,例如打印,显示,绘图等。数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示。本系统的硬件的组成部分分为数据采集模块、处理与控制模块、键盘模块、显示模块四部分,采用 ATMEGA16 微处理器作为本设计的核心,对各个模块的信号进行处理分析。数据采集系统通过对多路数据进行采集,并通过 ATMEGA16 单片机进行处理和分析,最后将数据显示在 LCD 显示器上。本设计正是通过这个方案对数据进行采集、处理、显示,以达到数据采集的目的。1.2.2 系统软件方案设想对于软件这个部分,关键是怎样通过软件来实现数据采集系统的各种功能。因此,从软件的角度来讲,需要找到一种算法,以便于能利用该算法实现对所有数据流的采集、处理与传输,从而能使该系统能兼容所有的数据采集流。1.3 本设计要完成的任务以单片机 ATMEGA16 为核心,结合其它器件一起设计一个数据采集系统,主要功能是实现一个多路数据采集系统,系统的原理框图如图 1.1 所示:ATMEGA16LCD12864键盘数据流图 1.1 系统原理图贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 3 页 根据本设计的要求和方案的设想,总结一下本设计要做的具体的工作主要有以下几个方面:1、 分析与论证本设计所采用的方案,包括主控系统、显示系统等的分析、以及这些模块的功能等。在对设计要求充分分析的基础上,划分功能模块,选择需要的硬件设备。2、 收集大量数据采集系统方面的资料— 包括文字资料和试验数据,总结规律,找到能够统一对数据进行处理和识别的方法,这是设计中最关键的一步。对设想的方案仔细论证,确定下来以后,根据选择的硬件设备完成原理图的设计。3、 根据划分的功能模块,编写操作程序。这也是本设计中很重要的一个工作,确定编程时要尽量做到界面美观,操作简便。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4 页 第二章 方案的分析与论证2.1 主控系统分析与论证选用 ATMEGA16 芯片为主控器,系统的原理框图如图 2.1 所示:ATMEGA16LCD12864键盘数据流图 2.1 系统原理框图ATMEGA16 芯片管脚图,如图 2.2 所示:贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 5 页 图 2.2 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
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