基于單片機的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

林嘉茵，蒙 萌，丁 欣，秦 燕

（廣西水利電力職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530000）

0 引言

隨著電子技術的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中各種測量設備，控制設備逐漸增多，不同的設備都有各自的控制器，使用起來很不方便。根據(jù)這種實際情況，本文介紹了一種多路數(shù)據(jù)器，它可以避免多種數(shù)據(jù)測量設備的混淆，利用一個控制器實現(xiàn)對多路數(shù)據(jù)進行控制。

1 方案設計

該方案的系統(tǒng)原理框架如圖1 所示，使用現(xiàn)在應用廣泛的ATmega16 單片機作為CPU，該CPU 內(nèi)核具有模塊化的結(jié)構(gòu)，內(nèi)置A/D 轉(zhuǎn)換器。

信號發(fā)生器輸出信號，經(jīng)頻率電壓變換后輸出直流電壓，經(jīng)CPU 采樣處理后通過串行傳輸線顯示。

兩片CPU 均采用目前廣泛應用的ATmega16。該芯片功能較強并且內(nèi)置A/D 轉(zhuǎn)換器，被廣泛應用于測控系統(tǒng)中。在閱讀ATmega16 數(shù)據(jù)手冊時可以了解到，ATmega16 具有特殊的處理器結(jié)構(gòu)。工作電壓為4.5~5.5V；速度等級為0~16MHz；工作電流在正常模式下為1.1mA；空閑模式下為0.35mA[1]。

2 系統(tǒng)原理及硬件制作

本系統(tǒng)可以由以下4 個模塊構(gòu)成：信號發(fā)生器、F/V 變換、主從CPU（內(nèi)置A/D）通訊與數(shù)據(jù)處理、鍵盤控制與顯示。

2.1 信號發(fā)生器

本模塊工作在遠距離終端，用于模擬待采樣的信號源。

設計要求制作一個由可變電阻控制改變振蕩頻率的信號發(fā)生器，控制振蕩頻率在200~2000Hz 范圍變化，并達到盡可能好的R/F 線性度，從而保證經(jīng)F/V 變換后，使R/V 之間具有良好的線性關系。

本文采用NE555 電路。NE555 單片定時電路[4]是一個高度穩(wěn)定的控制器，具有產(chǎn)生精確的延時或者振動的能力，也可以精確定時，脈沖寬度調(diào)制。它的轉(zhuǎn)換時間少于2ms，工作頻率大于500kHz，定時范圍可從精確到小時，還可以運行在非穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)模式，具有高輸出電流和可調(diào)整的占空因數(shù)，兼容的晶體管-晶體管邏輯電路，溫度穩(wěn)定性可達0.005%每攝氏度，在延時模式下工作時，時間由一個外部寄存器和電容器控制。一個振蕩器自由轉(zhuǎn)動的頻率和占空因數(shù)都是由兩個外部的寄存器和一個電容器精確地控制；當輸出下降到200mA 且位于下降沿時，電路可以被觸發(fā)和復位。因此，NE555 是一個不錯的選擇。

由NE555 電路和阻容元件構(gòu)成的多諧振蕩器接通電源后，電容C4 充電，Vc 上升，當Vc 上升到2/3Vcc時，觸發(fā)器復位，同時放電BJTT 導通，此時Vo 為低電平，電容 C 通過 R15 和 T 放電，使 Vc 下降。當 Vc 下降到1/3Vcc 時，觸發(fā)器又被置位，Vo 翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C 放電所需的時間為t=RCln2≈0.7RC[2]。當C 放電結(jié)束時，T 截止，Vcc 將通過 R14、R15 向電容器 C 充電，Vc 由 1/3Vcc 上升到 2/3Vcc 所需的時間為 t’=（R14+R15）Cln2≈0.7（R14+R15）C。當 Vc 上升到 2/3Vcc 時，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復始，在輸出端就得到一個周期性的波源，其頻率為f=1/（t+t’）≈1.43/（R14+2×R15）C[2]。

2.2 F/V 變換器

本系統(tǒng)采用了精密且廉價的LM331 構(gòu)成高精度的F/V 變換器。LM331 的動態(tài)范圍寬，可達100dB；變換精度高，數(shù)字分辨率可達12 位；LM331 不僅用法非常普遍，且滿足設計所提出的要求。由信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號FIN 經(jīng)R9、C2 組成的微分電路傳輸?shù)捷斎氡容^器的反相輸入端；輸入比較器的同相輸入端經(jīng)電阻R7、R8分壓；輸出驅(qū)動器外接電阻來靈活改變輸出脈沖的邏輯電平；R1、C1 組成低通濾波器與COUT 端相連；輸出端將信號經(jīng)運算放大器送給從CPU 的PA0 口。

2.3 主從CPU 通訊與數(shù)據(jù)處理

2.3.1 主機電路

ATmega16 的PB0~PB3 外接按鍵電路，端口B 為8位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口B 處于高阻狀態(tài)。

2.3.2 從機電路

從機部分中，利用串聯(lián)電阻分壓原理，通過對標準5 伏電壓進行分壓，然后把相應模擬信號送模擬輸入端PA1~PA5。標準電壓輸入Vcc 為5V，分壓電阻R=10kΩ。V1=1V，V2=2V，V3=3V，V4=4V。滿足電壓輸入信號的需要。

從機部分接線如下：自制的1~5V 直流電壓與PA0口相接；0V、1V、2V、3V、4V、5V 電壓分別與 PA5~PA0相接；另外，從機系統(tǒng)還有一個RS485 接口電路。

2.3.3 數(shù)據(jù)接口電路

CPU 之間用RS-485 總線實現(xiàn)通信，接口芯片選用MAX487，該芯片的輸入阻抗為RS-485 標準輸入阻抗的4 倍。RS485 為雙電氣接口，雙端傳送信號，其中一條為邏輯0，另一條就為邏輯1，它的電壓回路為雙向，傳輸率可達20kbit/s。RS-485 接口的標準如下：傳輸方式是差分方式；傳輸介質(zhì)是雙絞線；傳輸速率為19.2kbit/s；標準節(jié)點數(shù)為32；最遠通信距離可以達到1200m；共模電壓最大和最小值為+12V 和-7V；差分輸入范圍為（-7～+12）V；接收器輸入靈敏度為±200mV；接收器輸入阻抗大于12kΩ。

2.4 鍵盤控制與顯示

2.4.1 鍵盤輸入電路

鍵盤輸入電路如圖2 所示。

圖2 鍵盤輸入電路

2.4.2 數(shù)碼顯示

第一片顯示控制芯片的輸出端分別接到兩個數(shù)碼顯示管的a~h 端；第二片芯片的輸出端接到兩個顯示管的D1~D4 端。

在這部分的設計中，需要特別注意的是，顯示管的所有輸入都必須防止來自于緊接著電壓和地的內(nèi)部二極管產(chǎn)生的靜電放電所帶來的危害。它的靜態(tài)電流低，最大為80MA。工作電壓范圍寬，為2V±6V。

2.5 繪制電路板

由于從電路圖到電路板，所以在進入PCB99 的編輯環(huán)境之前，要做一些準備工作，這也是電路圖和電路板的接口問題，主要是ERC（電力規(guī)則檢驗）檢查和生成網(wǎng)絡表。

2.5.1 ERC 檢查

前面的電路圖在生成網(wǎng)絡表之前，要先對電路圖做ERC 檢查，確認準確無誤之后，才能生成網(wǎng)絡表。啟動“Tools”菜單下的“ERC”命令，屏幕出現(xiàn)對話框，如圖3 所示。

圖3 ERC 檢查對話框

直接單擊“OK”按鈕即進行檢查，檢查結(jié)果顯示沒有錯誤。這說明，前面設計的電路圖合格了，通過了檢查，電路中沒有基本的邏輯錯誤[3]。

2.5.2 生成網(wǎng)絡表

通過檢查后，要生成網(wǎng)絡表，啟動“Design”菜單下的“Creat Netlist”命令，當屏幕出現(xiàn)“Netlist Creation”后，直接點擊“OK”鍵，程序生成網(wǎng)絡表。在網(wǎng)絡表中，包括元件定義及網(wǎng)絡定義兩部分，而元件定義部分則包括元件序號、元件封裝、元件名稱及3 個空列。接下來的PCB 程序就是靠這部分載入元件的。

2.5.3 繪制步驟

（1）完成板框。

（2）載入網(wǎng)絡表。

（3）元件布局。啟動“Tool”→“Sort and Arrange Comˉ ponents”→“Selected”命令，然后鼠標指針指向其中一個元件，按一下左鍵，把元件展開。然后就以拖動的方式一一移動元件[4]。根據(jù)系統(tǒng)原理部分中設計的原理圖的連線關系，把關系密切的元件放得比較靠近，并注意元件在電路板上的位置是否符合習慣。

（4）布線。首先設定自動布線，自動布線并不能完全滿足設計的需要。所以在自動布線之后再進行手工布線。完成布線之后，再整體調(diào)整，這樣就基本上完成了PCB 板的設計。設計效果如圖4 所示。

圖4 設計效果

2.6 電路板的制作

第一步，打印電路板。將電路板PCB 圖采用A4 硫酸紙打印出來。

第二步，印制電路板。按照PCB 中設計好的尺寸選擇銅板，板長13.7cm，寬10cm，多余的部分割去。將打印好的硫酸紙中電路圖部分與銅板對齊，用一個大鐵塊將硫酸紙和銅板緊緊地壓在制板機上，在制板機的高溫下，硫酸紙上的打印痕跡壓到銅板上，電路板的印制就這樣完成了[5]。

第三步，腐蝕多余的銅。經(jīng)過第二步，接下來就是要將多余的銅腐蝕去。腐蝕用三氯化鐵溶液。將三氯化鐵放入一個容器中，沖入滾燙的開水，然后小心地將銅板放入容器中，慢慢地晃動容器。大概半個小時以后，除了銅板上印有電路線以外的銅都被三氯化鐵腐蝕掉了。在這個過程中，因為水溫較高，因此，特別注意不要被燙傷。這道工序中，板上的電路線有一小地方因為壓制時候的失誤，銅線并不連續(xù)，斷掉了。手工將其用銅焊接起來，便解決了這個問題。

第四步，鉆孔。這道工序使用打孔機完成。將腐蝕后的板擦干，放置的位置與打孔機的針垂直，所有的孔都使用直徑0.5mm 的針鉆打。由于是單面板，因此不是很麻煩。

第五步，元件的焊接。按照電路圖上的元件布局，在焊制的時候，要快速的放錫。否則很容易會將元件損壞。元件焊接好后，檢查一遍，確定無誤后，硬件電路板的制作就完成了。

3 軟件設計

3.1 從機程序

從機程序電路如圖5 所示。

圖5 從機程序電路

3.2 主機程序

主機系統(tǒng)主要負責按鍵處理，同時進行采樣顯示。

定義下列幾個子程序。

voidled_list（void）顯示程序，對選中的數(shù)碼管進行顯示。

charget_k（void）鍵盤掃描程序，B 口全部置0，從CPU 發(fā)出掃描信號，掃描a 點，若a=1，說明按下按鍵1；若a=0，繼續(xù)掃描按鍵2。直到掃描到a=1 的按鍵。

4 結(jié)語

通過ATmega16 實現(xiàn)的多路數(shù)據(jù)采集器，可以實現(xiàn)對溫度、濕度等多路數(shù)據(jù)的采集，該采集器使用方便，成本低廉，工作可靠，可以廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等。