基于ＡＶＲ單片機的智能數據采集系統

隨著網絡技術及通信技術的飛速發展，短距離無線通信以其特有的抗干擾能力，高可靠性，安全性好，受地理條件限制少。安裝簡便靈活的優點，在許多領域都有廣闊的應用前景。甚至在一些特殊的應用領域，單片機通信不能采用有線數據傳輸方式，只能采用短距離的無線數據傳輸方式。本系統將集中地運用了計算機、現代傳感、信息融合、通訊、人工智能及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體，利用多傳感器進行數據采集，微控制器進行數據處理，綜合運用PID控制技術而實現的智能數據采集系統。

nRF2401是單片射頻收發芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM頻段，芯片內置頻率合成器，功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以5dBm的功率發射時，工作電流只有10.5mA，接收時工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節能設計更方便。其Du0CeiverTM技術使nRF2401可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數據。nRF2401適用于多種無線通信的場合，如無線數據傳輸系統、無線鼠標、遙控開鎖、遙控玩具等。

本系統采用以AVR單片機為主控芯片，PC機通過無線傳輸模塊向單片機發送指令，控制各從機與其進行數據交換。AVR單片機一方面實時進行數據采集，另一方面通過無線信道和PC機交換數據。單片機將采集的數據通過無線傳輸模塊傳送到PC機交換數據。單片機將采集的數據通過無線傳輸模塊傳送到PC機。無線數據傳輸模塊的關鍵器件是無線通信芯片。選擇無線通信芯片的首要原則是根據系統設計的需要，其次可以參考一下選擇標準，數據傳輸的編碼方式，芯片所需外圍元件的數量，功耗，發射功率，芯片的封裝等。

基于nRF401的無線數據傳輸模塊是一種超小型，低功耗，高速率的無線收發數據傳輸模塊，nRF401所用頻段為433MHZISM頻段，是真正的單片UHF無線收發一體芯片。

系統的數據采集部分即控制器的前向通道大都采用智能傳感器，溫度傳感器可采用目前比較流行的數字溫度傳感器DS18820，用以采集環境比較惡劣的現場溫度，DS18820通過單線接口發送或接收信息，因此在中央微處理器和DS18820之間僅需一條連接線，對于采集電壓信號，可采用單片機的AD轉換或者采用數字電壓表進行電壓測量并將數據傳給單片機，測量電流可采用電流互感器將交流信號采樣得到，并通過電流互感器產生一定比值的交流小信號，可以簡單的串聯一個電阻，電阻兩端得到交流電壓，通過加法器電路將電壓抬高，得到直流電壓量，并通過AD轉換輸入給單片機。

AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發出的增強型內置Flash的RIsc(Reduced Instruction Set CPU)精簡指令集高速8位單片機。AVR的單片機可以廣泛應用于計算機外部設備、工業實時控制、儀器儀表、通訊設備、家用電器等各個領域，AVR單片機技術體現了單片機集多種器件(包括FLASH程序存儲器、看門狗、EEPROM、同／異步串行口、TWI、SPI、A/D模數轉換器、定時器／計數器等)和多種功能(增強可靠性的復位系統、降低功耗抗干擾的休眠模式、品種多門類全的中斷系統、具輸入捕獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定時器／計數器、具替換功能的I／O端口……)于一身，充分體現了單片機技術的從“片自為戰”向“片上系SoC”過渡的發展方向。

在控制技術方面，本系統采用了數字PID控制技術，在控制理論和技術飛速發展的今天，PID控制作為經典控制理論，由于其具有控制方法簡單，穩定性好，可靠性高，魯棒性強和易于現場調試，尤其適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統等優點，被廣泛應用于工業過程控制。PID控制在本系統中的溫度控制方面起到了非常大的作用，對輸出的溫度和經溫度傳感器得到的溫度的差值進行P I D調節。(1)直接算法和增量算法：直接算法是運用標準的直接計算法公式算出結果，得到的是當前需要的控制量。增量算法是標準算法的相鄰兩次運算之差，得到的結果是增量，即在上一次控制量的基礎上需要增加(負值意味著減少)的控制量，對于空調溫度的控制就是需要增加(或減少)的加熱比例。兩種算法的基本控制方法、原理是完全一樣的。(2)基本偏差e(t)：表示當前測量值與設定目標之差，設定目標是被減數，結果可以是正或負，正數表示還沒有達到，負數表示已經超過了設定值。這是面對比例項P用的變動數據。(3)累計偏差∑e(t)：∑e(t)=e(t)+e(t-1)+e(t-2)+…+e(1)，為每次測量值偏差總和，這是代數和，運算時應考慮它的正負符號，這是面對積分項Ｉ用的變動數據。(4)基本偏差的相對偏差e(t)-e(t-1)：用于考察當前控制對象的變化趨勢，作為快速反應的重要依據，這是面對微分項D用的變動數據。(5)三個基本參數P、I、D：這是做好一個控制器的關鍵常數，分別稱為比例常數、積分常數和微分常數，不同的控制對象需要選擇不同的數值，還需經過現場調試才能獲得較好的效果。(6)PID算法：PID控制器調節輸出，保證偏差e為零，使系統達到穩定狀態，偏差e是給定值SP和過程變量PV的差。