基于單片機的多路數據采集系統設計

林嘉茵，蒙 萌，丁 欣，秦 燕

（廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530000）

0 引言

隨著電子技術的飛速發展，工業生產中各種測量設備，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。根據這種實際情況，本文介紹了一種多路數據器，它可以避免多種數據測量設備的混淆，利用一個控制器實現對多路數據進行控制。

1 方案設計

該方案的系統原理框架如圖1 所示，使用現在應用廣泛的ATmega16 單片機作為CPU，該CPU 內核具有模塊化的結構，內置A/D 轉換器。

信號發生器輸出信號，經頻率電壓變換后輸出直流電壓，經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置A/D 轉換器，被廣泛應用于測控系統中。在閱讀ATmega16 數據手冊時可以了解到，ATmega16 具有特殊的處理器結構。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 系統原理及硬件制作

本系統可以由以下4 個模塊構成：信號發生器、F/V 變換、主從CPU（內置A/D）通訊與數據處理、鍵盤控制與顯示。

2.1 信號發生器

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]是一個高度穩定的控制器，具有產生精確的延時或者振動的能力，也可以精確定時，脈沖寬度調制。它的轉換時間少于2ms，工作頻率大于500kHz，定時范圍可從精確到小時，還可以運行在非穩態和單穩態模式，具有高輸出電流和可調整的占空因數，兼容的晶體管-晶體管邏輯電路，溫度穩定性可達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。一個振蕩器自由轉動的頻率和占空因數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，電路可以被觸發和復位。因此，NE555 是一個不錯的選擇。

由NE555 電路和阻容元件構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，觸發器又被置位，Vo 翻轉為高電平。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，觸發器又發生翻轉，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

本系統采用了精密且廉價的LM331 構成高精度的F/V 變換器。LM331 的動態范圍寬，可達100dB；變換精度高，數字分辨率可達12 位；LM331 不僅用法非常普遍，且滿足設計所提出的要求。由信號發生器產生的信號FIN 經R9、C2 組成的微分電路傳輸到輸入比較器的反相輸入端；輸入比較器的同相輸入端經電阻R7、R8分壓；輸出驅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；輸出端將信號經運算放大器送給從CPU 的PA0 口。

2.3 主從CPU 通訊與數據處理

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，具有可編程的內部上拉電阻。在復位過程中，即使系統時鐘還未起振，端口B 處于高阻狀態。

2.3.2 從機電路

從機部分中，利用串聯電阻分壓原理，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，從機系統還有一個RS485 接口電路。

2.3.3 數據接口電路

CPU 之間用RS-485 總線實現通信，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；傳輸介質是雙絞線；傳輸速率為19.2kbit/s；標準節點數為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 數碼顯示

第一片顯示控制芯片的輸出端分別接到兩個數碼顯示管的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部二極管產生的靜電放電所帶來的危害。它的靜態電流低，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（電力規則檢驗）檢查和生成網絡表。

2.5.1 ERC 檢查

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

通過檢查后，要生成網絡表，啟動“Design”菜單下的“Creat Netlist”命令，當屏幕出現“Netlist Creation”后，直接點擊“OK”鍵，程序生成網絡表。在網絡表中，包括元件定義及網絡定義兩部分，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]。根據系統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，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，對選中的數碼管進行顯示。

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

4 結語

通過ATmega16 實現的多路數據采集器，可以實現對溫度、濕度等多路數據的采集，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、農業等。