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1、xx大学学士学位论文基于AVR单片机的数据采集系统设计摘要近年来，随着嵌入式微处理器的快速发展，单片机系统得到了广泛的应用。在医疗、航空、交通、军事技术、工业控制、科学研究等领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，但仅仅具备单片机方面的知识是不够的，还应结合具体的硬件结构以及应用对象的软件特点来设计系统。本论文的目的就是设计实现一个具有一定实用性的实时数据采集系统。论文主要论述对土壤内部温度、湿度、压力等数据采集系统的设计与实现。它的主要功能是完成数据采集、处理、显示、控制以及与PC机之间的通信等。基于对数据采集系统体系结构及功能要求的分析，本文设计并实现的采集系统采用Atmega64单片机
2、为核心，扩展了电源电路、复位电路、LCD接口电路以及监控电路等，并配有标准RS-232及RS-422串行通信接口。系统软件采用汇编语言编写，为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构。由于使用该仪器的野外环境多样，干扰严重，在系统的开发实现中，不仅要实现数据采集仪的一般功能，也要保证它的可靠性和安全性。本文论述了数据采集系统所采取的硬件和软件方面的抗干扰措施，并对与PC机之间的通信实现进行了相应的论述。关键词 嵌入式；数据采集；Atmega64；传感器Design of Data Acquisition System Based on AVR SCMAbstractIn recent yea
3、rs, with the rapid development in embedded microprocessor,the SCM(Single Chip Micyoco)has been widely applied in many fields such as the medical treatment,the aviation,the transportation,the military technique,the industry,the science research,andso on.In this fields,SCM is usually to be used as a c
4、ore parts,but the knowledge of SCM isntenough.We should combine with the structure of concrete hardware and characteristics ofrelevant software to design the system.The purpose of this thesis is to design a practicalreal-time data collection system.This thesis mainly discuss the design and realizati
5、on of the data collection system whichrefers to the temperature、humidity、pressure inside the soil.The system is mainly used tofinish the data collection、processing、display and the correlative control and communicationwith the PC.On the analysis of the system structure and function requirement,the sy
6、stem inthis thesis adopts the Atmega64 core,expands the power、reset、LCD interface circuit withstandard RS-232 series communicate interface.For the entironment the system in use iscomplex with serious disturb.We should ensure the reliability and security besides the basicfunction in the design of the
7、 system.In this thesis we discuss the anti-jamming measuresthrough hardware and software.We talk about the realization of communication with the PC.The software design with assemble language,and adopts modularize framework design.Keywords Embedded System; data collect system; Atmega64;sensors不要删除行尾的
8、分节符，此行不会被打印- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 数据采集系统的发展11.3 课题设计内容2第2章 系统总体设计32.1 系统总体设计框架32.2 系统主程序设计32.3 系统主要功能52.3 本章小结5第3章 硬件设计63.1 单片机最小系统设计63.1.1 ATmega64单片机概述63.1.2 ATmega64单片机引脚功能83.1.3 系统时钟电路103.1.4 系统复位电路103.1.5 系统电源电路103.2 标准RS-232接口扩展113.2.1 RS-232接口的机械指标113.2.2 RS-232接口的电气规范123.2.
9、3 RS-232接口的电气规范123.3 标准RS-422接口扩展133.3.1 MAX485芯片简介133.3.2 硬件设计143.4 外存储器扩展143.4.1 I2C总线简介143.4.2 AT24C64简介153.4.3 AT24C64与ATmega64单片机接口连接163.5 温湿度采集端设计163.5.1 SHT75的主要性能163.5.2 硬件设计173.6 压力采集端设计173.6.1 ATmega64单片机概述173.6.2 26PCB压力传感器简介183.7 键盘接口设计193.8 显示接口设计203.8.1 LCD1602简介203.8.2 硬件设计213.9 本章小结2
10、1第4章 软件设计224.1 软件总体设计框架224.2 温湿度及压力数据采集模块软件设计234.3 标准RS-232及RS-422接口扩展软件设计244.3.1 RS-232接口扩展软件设计244.3.2 RS-422接口扩展软件设计274.4 片外存储器扩展软件设计284.5 键盘及显示模块软件设计284.5.1 键盘读取程序设计284.5.2 LCD显示子程序设计293.6 本章小结30结论31致谢32参考文献33附录A34附录B37附录C40附录D41千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一
11、行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 课题背景在实际的生活与工作中，我们常常需要到工作现场和野外进行数据采集及相关的处理，计算机虽然具有强大的数据处理和分析能力，但我们不能把计算机搬到现场，这是因为计算机除了体积大、携带不方便外，更因为它的抗干扰能力差以及对工作环境质量要求高等缺点，使计算机无法在某些环境恶劣的场合下工作。而单片机以其运算速度快、体积小、成本低、集成度高、抗干扰能力和控制能力强等优点，已经广泛用于智能化仪器仪表、机电一体化产品以及数据采集和过程控制方面。近年来随着微电子技术的迅速发展和大规模集成电路的出现，特别是高性能单片机的出现，正引起数据采集系统领域内的一场新的技术革
12、命。数据采集是信号与信息采集学科的一个重要组成部分，也是诸多计算机领域中最为活跃的领域之一。随着计算机、集成电路等技术的飞速发展，数字采集系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发展。我国是农业大国，不同地区的土壤环境有着较大的差异，即使同一地区在不同季节土壤环境也不尽相同，土壤的温湿度及压力对于农作物的正常生长至关重要，准确的了解土壤的温湿度及压力参数就显得尤其重要。1.2 数据采集系统的发展数据采集系统起始于20世纪50年代1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非熟练人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数
13、据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大约在60年代后期，国外就有成套的数据采集设备产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。20世纪70年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展。从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业现场数据采集系统。就使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统多采用串行数据总
14、线。20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成。例如：国际标准ICE625（GPIB）接口总线系统就是一个典型的代表。这类系统主要用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，例如：STD总线系统是这一类的典型代表。这种接口系统采用积木式结构，把相应的接口卡装在专用的机箱内，然后由一台计算机控制。第二类系统在工业现场应用较多。这两种系统中，如果采集测试任务改变，只需将新的仪用电缆接入系统，或将新卡再添加到专用的
15、机箱即可完成硬件平台重建，显然，这种系统比专用系统灵活得多。20世纪80年代后期，数据采集系统发生了极大的变化，工业计算机#单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统（DAS）。目前有的DAS产品精度已达16位，采集速度每秒达到几十万次以上。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构，
16、根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统迅速地组成一个新的系统。该阶段并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展，典型系统有VXI总线系统，PCI、PXI总线系统等，数据位已达到32位总线宽度，采样频率可以达到100MSps。由于采用了高密度，屏蔽型，针孔式的连接器和卡式模块，可以充分保证其稳定性及可靠性，但其昂贵的价格是阻碍它在自动化领域普及的一个重要因素。但是，并行总线系统在军事等领域取得了成功的应用。串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展，可靠性不断提高。数据采集系统物理层通信，由于采用RS485双绞线、电力载波、无线和光纤
17、，所以其技术得到了不断发展和完善。其在工业现场数据采集和控制等众多领域得到了广泛的应用。由于目前局域网技术的发展，一个工厂管理层局域网，车间层的局域网和底层的设备网已经可以有效地连接在一起，可以有效地把多台数据采集设备联在一起，以实现生产环节的在线实时数据采集与监控。1.3 课题设计内容课题主要对土壤内部温度、湿度、压力数据采集系统的进行设计。它的主要功能是完成数据采集、处理、显示、控制以及与PC机之间的通信等。要求对数据采集系统体系结构及功能进行分析，设计并实现采用单片机为核心，扩展电源电路、复位电路、LCD接口电路以及监控电路等，并要求配有标准RS-232和RS-422串行通信接口。系统软
18、件采用C语言编写，软件设计采用模块化结构。数据采集系统需采取硬件和软件方面的抗干扰措施。第2章 系统总体设计2.1 系统总体设计框架Atmega64PCRS-232电源温湿度传感器压力传感器E2PROMI2C键盘LCD图2-1 系统总体框架图如图2-1，本采集系统以ATmega64为微处理器，温湿度传感器采用I2C总线接口的SHT75芯片。采用MAX232电平转换芯片扩展标准RS-232接口，采用MAX485芯片扩展标准RS-422接口，通过标准RS-232接口和RS-422接口实现单片机采集系统和PC机的数据通信。电源设计采用LM7805CK稳压芯片，显示模块使用LCD1602液晶显示器。2
19、.2 系统主程序设计采集系统软件设计采用模块化结构，用C语言编写，总体设计流程图如图2-2所示：系统上电后首先进行自检，检查各功能模块电子器件是否正常工作，检查完毕后进行各功能模块初始化，扫描键盘，当有“按键1”按下时，系统可读到PB0口为低电平，此时系统开始执行测量数据的工作，将采集到的温湿度及压力数据储存到特定寄存器，当有“按键2”按下时，系统将储存在寄存器中的温湿度及压力数据组送LCD显示，同时将该组数据通过I2C总线传送至片外E2PROM，当“按键3”按下时，系统检查是否与上位机已经建立连接，若连接成功则通过RS-232接口进行数据传送同时清空E2PROM内数据。系统主程序及头文件“#
20、includedefine.h”完整代码见附录D。上电系统初始化温湿度及压力采集送LCD显示示数据存储传送温度标志开？传送湿度标志开？传送压力标志开？传送温度到串口传送湿度到串口传送压力到串口图2-2系统主程序流程图2.3 系统主要功能本系统是以ATmega64单片机为核心的土壤参数采集系统，主要采集土壤温湿度及压力并进行相应的分析，系统设计了3个按键，当传感器探针插入土壤后，按键1（KEY1）按下，此时系统开始工作，执行测量命令，按键2（KEY2）按下，系统则将采集到的温湿度及压力数据送LCD显示同时储存当前数值到片外扩展的E2PROM，按键3（KEY3）按下时，系统检查是否通过RS-232
21、连接PC机，若连接成功，则执行传输命令同时清空E2PROM内数据组。2.3 本章小结本章分成硬件总体设计和软件总体设计两部分介绍了整个系统，在硬件总体设计方面给出了系统各模块框图，软件设计则给出主程序流程图。通过本章可对数据采集系统在硬件和软件方面有一个总体的认识。第3章 硬件设计3.1 单片机最小系统设计3.1.1 ATmega64单片机概述Atmega64单片机为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。由于其先进的指令集及单周期指令执行时间，Atmega64单片机的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，故可以减缓系统的功耗和处理速度之间的矛盾。AVR单片机内核具有丰富的指令集和3
22、2个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与逻辑单元（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，并且具有比普通的复杂指令集处理器高10倍的数据吞吐率。Atmega64单片机是AVR单片机家族中的高性能单片机，具有比其他型号更高的性能，Atmega64片内带有64KB的系统可编程Flash程序存储器，具有在写的过程中还可以读的能力，即同时读写（RWW）；2KB的E2PROM；4KB的SRAM；53个通用I/O端口线；32个通用工作寄存器；实时时钟（RTC）；4个灵活的具有比较模式和PWM的定时器/计数器（T/C）；2个USART；面向字节的
23、两线接口（TWI）；8通道10位ADC；可选的可编程增益；片内振荡器的可编程看门狗定时器；串行外围接口（SPI）；与IEEE 1149.1规范兼容的JTAG测试接口，此接口同时还可以用于片上调试；6种可以通过软件选择的省电模式。空闲模式时，CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI以及中断系统继续工作；掉电模式时，晶体振荡器停止震荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，而寄存器的内容则一直保持；省电模式时，异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分处于睡眠状态；ADC噪声抑制模式时，CPU和所有的I/O模块停止运行，而异步定时器和ADC继续工作，以减少ADC转换时的开关噪
24、声；Standby模式时，振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动的能力；扩展Standby模式时，则允许振荡器和异步定时器继续工作。Atmega64单片机元器件是以ATMEL公司的高密度非易失性内存技术生产的。片内ISP Flash存储器可以通过SPI、通用编程器或引导程序多次编程。引导程序可以使用任何接口来下载应用程序到Flash存储器。在更新应用Flash存储器时引导Flash区的程序继续运行，实现RWW操作。通过将8位RISC与系统内可编程的Flash存储器集成在一个芯片内，Atmega64单片机为许多嵌入式控制应用提供了灵活且低成本的方案。Atmega64
25、 AVR单片机有整套的开发工具，包括C语言编译器、宏汇编语言、程序调试器/仿真器和评估板。其具体产品特点如下：1.高性能、低功耗的8位微处理器。2.先进的RISC结构： 130条指令，大多数可以在一个时钟周期内完成。 32KB*8bit通用工作寄存器和外设控制寄存器。 全静态工作。 工作于16MHz时性能高达16MIPS。 只需两个时钟周期的硬件乘法器。3.非易失性的程序和数据存储器； 64KB的系统内可编程Flash存储器，寿命为10000次写/擦出周期。 具有独立锁定位、可选择的启动代码区，通过片内的启动程序实现系统内编程真正的读修改写操作。 2KB的E2PROM，寿命为10000次写/擦
26、除周期。 4KB的内部SRAM。 多达64KB的优化的外部存储器空间。 可以对锁定位进行编程，以实现软件加密。 可以通过SPI实现系统内编程。4.JTAG接口（与IEEE 1149.1标准兼容）： 遵循JTAG标准的边界扫描功能。 支持扩展的片内调试。 通过JTAG接口实现对Flash存储器，E2PROM、熔丝位和锁定位的编程。5.外设特点： 2个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器。 2个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器。 具有预分频器的实时时钟计数器。 2路8位PWM。 6路分辨率可编程（116位）的PWM。 输出比较调制器。 8路10位ADC：8个单端
27、通道；7个差分通道；2个具有可编程增益（1倍、10倍、200倍）的差分通道。 面向字节的两线接口（TWI）。 2个可编程的串行USART。 可工作于主机/从机模式的串行外围设备接口（SPI）。 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器。 片内模拟比较器。6.特殊的处理器特点： 上电复位以及可编程的掉电监测。 片内经过标准的RC振荡器。 片内/片外中断源。 6种睡眠模式：空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby（待机）模式以及扩展的Standby模式。 可以通过软件进行选择的时钟频率。 通过熔丝位可以选择Atmega103单片机兼容模式。 全局上拉禁止功能。7.I/O和封装
28、： 53个可编程I/O端口线。 64引脚TQFP与64引脚MLF封装。8.工作电压：4.55.5V。9.速度等级：016MHz。3.1.2 ATmega64单片机引脚功能1.VCC：数字电路的电源。2.GND：地。3.端口A（PA7PA0）：端口A为8位双向I/O端口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电阻拉低时将输出电流。复位发生时端口为三态。4.端口B（PB7PB0）、C（PC7PC0）、D（PD7PD0）、E（PE7PE0）：与端口A具有相同的I/O性能，但在Atmega103单片机兼容模式下
29、，端口C只能作为输出，而且在复位发生时不是三态。5.端口F（PF7PF0）：端口F为ADC的模拟输入引脚。如果不作为ADC的模拟输入，端口F可以作为8位双向I/O端口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口F为三态。如果使能了JTAG接口，则复位发生时引脚PF7（TDI）、PF5（TMS）、和PF4（TCK）的上拉电阻使能。端口F也可以作为JTAG接口。在Atmega103单片机兼容模式下端口F只能作为输入引脚。6.端口G（PG4PG0）：端口G为5位双向I/O端口，
30、并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时，端口G为三态。在Atmega103单片机兼容模式下，端口G只能作为外部存储器的所存信号以及32KHz振荡器的输入，并且在复位时，这些引脚初始化为PG0=1、PG1=1以及PG2=0。PG3和PG4是振荡器引脚。图3-1 Atmega64引脚图7.端口A、B、C、D、E、F、G：都可作为第二引脚试用 8.RESET：复位输入引脚。超过最小门限时间的低电平将引起系统复位，低于此时间的脉冲不能保证可靠复位。9.XTAL1：反向震荡放大器及
31、片内时钟操作电路的输入。10.XTAL2：反向震荡放大器的输出。11.AVCC：AVCC为端口F以及ADC的电源，须与VCC相连接，即使没有使用ADC也应该如此。使用ADC时，应该通过一个低通滤波器与VCC连接。12.AREF：AREF为ADC的模拟基准输入引脚。13.PEN：PEN为SPI串行下载的使能引脚。在上电复位时，保持PEN为高电平，将使器件进入SPI串行下载模式。在正常工作过程中，PEN引脚没有其他功能。3.1.3 系统时钟电路AVR单片机的时钟信号通常有两种产生方式：一是内部时钟方式；二是外部时钟方式，本课题采用内部时钟方式，如图3-2。图3-2 时钟电路与Atmega64连接图
32、晶振Y1的频率范围为016MHz，本系统中采用8MHz的晶振频率，电容器C1、C2均为22pF。3.1.4 系统复位电路复位操作有两种基本形式：一种是上电复位，另一种是按键复位。Atmega64单片机为低电平复位最小门限时间为两个时钟周期。S1未按下时，RESET处于高电平，当S1按键按下时，RESET接地，处于低电平，单片机进入复位状态，复位电路如图3-3所示。图3-3 系统复位电路图3.1.5 系统电源电路系统输入电压为12V，通过LM7805CK稳压芯片转换，为系统提供5V工作电压。LM7805CK是常见的三端稳压器件，如图3-4所示，它具有良好的温度系数，应用范围很广。其主要特点有：1
33、.最大1A电流的输出，输出电压为5V；2.过热和短路保护；3.宽电压输入。图3-4 LM7805引脚图常见的LM7805CK的引脚定义如表3-1表3-1 LM7805CK引脚定义引脚符号功能1Input输入电压2GND地3Output输出电压3.2 标准RS-232接口扩展大多数控制系统都是把PC机作为上位机，单片机系统作为下位机。单片机系统必须把采集的数据传输给PC机，以便进行存储和处理。PC机几乎都具有RS-232接口，因此单片机通过RS-232接口与PC机通信最方便，也是最常用的方法。但是单片机并没有RS-232电气接口，要进行通信就必须要进行接口扩展。本设计采用MAX232电平转换芯片
34、进行接口扩展。3.2.1 RS-232接口的机械指标RS-232C标准是美国EIA(电子工业联合会)与BELL等公司一起开发的,于1969年公布的通信协议，全称是EIA-RS-232C。它适于数据传输速率在020000bps的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电特性都作了明确规定。由于通信设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。RS-232C采用负逻辑，规定+3V+15V任意电压表示逻辑0（或信号有效），-3V-15V任意电压表示逻辑1（或信号无效）。一个完整的RS-232接口有22根线，采用一种标准的“D”型
35、保护壳的25针插头座通常使用的RS-232接口信号只有9针。这9根引脚可以分成两类：一类是基本的数据传送引脚，另一类是用于调制解调器（Modem）的控制和反映它的状态的引脚。基本的数据传送引脚包括RXD、TXD、SG；Modem的控制引脚状态包括DTR、RTS、DSR、CTS、DCD和RI。其中DTR和RTS是计算机通过RS-232接口送给Modem的控制引脚；DSR、CTS、DCD和RI是Modem通过RS-232送给计算机的状态信息引脚。 表3-2 RS-232信号定义名称说明FG信号地，该引脚为所有电路提供参考电位TXD数据发送引脚，数据传送时，数据由此引脚发出，在不传送数据时，异步串行
36、通信接口维持该脚为逻辑“1”RXD数据接收引脚RTS要求发送数据，用于通知Modem计算机请求发送数据CTS回应对方发送的RTS的发送许可，告诉对方可以发送DSR告知本机在待命状态，用于通知计算机，Modem准备好DTR告诉数据终端处于待命状态CD载波检出，用于确认是否收到Modem的载波RI振铃信号指示引脚，用于通知计算机有来自电话网的3.2.2 RS-232接口的电气规范表3-3给出了RS-232总线的电气规范，从表中可以看出RS-232采用负逻辑，其中逻辑“1”为-5 -15V ，逻辑“0”为+5 +15V。 表3-3 RS-232接口的电气规范项目电气规范带37K欧姆负载时驱动器输出特
37、性逻辑1表示-5-15V；逻辑0表示+5+15V不带负载时驱动器的输出特性-25V+25V驱动器通断时的输出特性大于300欧姆输出短路电流小于0.5A驱动器转换速率小于30V/us接收器输入阻抗在37K欧姆接收器输入电压的允许范围-25V+25V输入开路时接收器的输出逻辑1输入经300欧姆接地时接收器的输出逻辑1+3V输入时接收器的输出逻辑0-3V输入时接收器的输出逻辑1最大负载电容2500pF3.2.3 RS-232接口的电气规范由于AVR单片机输入输出电平位TTL电平，而PC机配置的是RS-232标准串行接口，二者的电气规范不一致，因此要进行PC机与单片机的数据通讯，必须进行电平转换。现在
38、采用MAX232芯片中两路发送接收中任选一路作为接口。MAX232的主要性能如下：1.5V单电源供电；2.CMOS制造工艺；3.两路接收器发送器；4.+30V输出电平；5.低的工作电流，典型值是8mA；6.符合TIA/EIA-232-E标准和ITUV2.8建议；7.DIP封装MAX232与单片机接口电路如图3-5所示图3-5 MAX232与单片机接口电路图3.3 标准RS-422接口扩展RS-422接口是一种基于平衡发送和差分接收的串行总线，具有抗共模干扰、传输速率高、距离远、易于网络扩展等优点，被广泛的应用在很多工业现场。本采集系统使用RS-422接口完成单片机与PC机的长距离数据传输。3.
39、3.1 MAX485芯片简介MAX485的主要性能如下：1.单5V电源；2.-7V+12V普通模式输入电压；3.低静止电流；4.过载保护功能；MAX485接口芯片采用半双工通信方式，完成将TTL电平转换为RS-422电平的功能。MAX485的管脚定义如表3-4所示：表3-4 MAX485管脚定义管脚名称功能8Vcc电源5GND电源地1RO接收器输出2RE接收器输出允许3DE驱动器输出允许4DI驱动器输入，当DI=0，则Y=0，Z=0；当DI=1，则Y=1,Z=06A接收器非反向输入和驱动器非反向输出7B接收器反向输出3.3.2 硬件设计如图3-6所示为MAX485与ATmega64单片机及PC
40、机的典型连接示意图。图中ATmega64单片机与MAX485的实际位置远离PC机。在PC机端，使用电平转换接口将RS-422电平转换为PC机能够识别的RS-232电平单片机 RXD TXD PD4 MAX485RXD ATXD B DEREA 电平转换电路BDB9图3-6 MAX485与ATmega64单片机及PC机的连接图在图3.6中，单片机的PD4口控制MAX485的DE和/RE端口，以实现接收和发送控制。当PD4为0时，MAX485的接收器使能，驱动器被禁止；当PD4为1时，MAX485的驱动器使能，接收器被禁止。RS-422与RS2-32电平转换接口使用MAX232和MAX485实现。
41、接口电路见附录C.3.4 外存储器扩展3.4.1 I2C总线简介I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是一种Philips公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线最大的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因为I2C总线占用的空间小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可达25英尺，并且能够以10Kbit/s的最大传输和时钟频率支持40个组件。I2C总线的另一个优点是支持多主控（multimastering）,其中任何能够进行发送和接受的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。I2C总线是
42、由数据线SDA和时钟SCL构成的数据串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传输，最高传输速率100Kbit/s。I2C总线在传输数据过程中共有3种类型信号，分别是：开始信号、结束信号和应答信号。1.开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传输数据。2.结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传输数据。3.应答信号：接收数据的IC在接收到8位数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况做出是否继续传递信号的
43、判断，若未收到应答信号，判断为受控单元出现故障。3.4.2 AT24C64简介AT24C64是ATMEL公司的两线制串行E2PROM芯片。共有64KB字节的存储容量。具有结构紧凑、存储容量大等优点。芯片与单片机之间使用I2C接口通信，接口电路简单、操作方便，适合存储单片机系统中一些重要的数据。AT24C64的管脚定义如表3-5：表3-5 AT24C64的管脚定义名称管脚功能A0A2地址输入；SDA串行数据输入/输出SCL串行时钟输入WP写保护VCC电源GND电源地图3-7为AT24C64的8引脚PDIP封装管脚图： 图3-7 AT24C64引脚图3.4.3 AT24C64与ATmega64单片
44、机接口连接如图3-8 所示为ATmega64与AT24C64的硬件连接图。图中AT24C64的地址A0A2都设置为0，这样AT24C64的器件写地址为0xA0，器件读地址为0xA1。AT24C64的串行时钟线SCL与PD0相连，串行数据线SDA与PD1相连。按照I2C协议的接线要求，对SDA线接上拉电阻，保证其数据传输的可靠性。图3-8 ATmega64与AT24C64硬件连接图3.5 温湿度采集端设计本采集系统采用SHT75温湿度传感器。SHT75是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens专利技术的新型温湿度传感器。该传感器将COMS芯片技术与传感器技术结合起来，发挥出强大的优势互
45、补作用。芯片通过I2C接口与Atmega64单片机相连接。3.5.1 SHT75的主要性能1.满量程校准的相对湿度及温度值输出；2.工业标准I2C总线数字输出接口；3.具有露点值计算输出功能；4.免外围元件；5.卓越的长期稳定性；6.湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，可编程降至12位和8位；7.其湿度测量精度为+1.8%RH，温度测量精度为+0.3；8.可靠的CRC数据传输校验功能；9.片内装载校准系数，保证100%的互换性；10.电源电压：2.4V5.5V；SHT75的封装形式为小体积4脚单线封装，其引脚说明如表3-6表3-6 SHT75管脚定义引脚名称功能1SCK串行时钟
46、输入2VDD电源端：2.45.5V3GND接地端4DATA双向串行数据段3.5.2 硬件设计如图3-9所示为ATmega64与SHT75的硬件连接图。图中SHT75的串行时钟输入线SCK与PC3相连，串行数据线DATA与PC4相连，使PC3PC4模拟I2C协议进行通信。按照I2C协议的接线要求，对DATA线接上拉电阻，保证其数据传输的可靠性。图3-9 ATmega64与SHT75硬件连接图3.6 压力采集端设计3.6.1 ATmega64单片机概述压智能化、数字化和控制技术的发展，特别是智能化数字压力传感器的问世，促进了数字压力计的新发展，在国内外市场上先后出现了各种高精度的手动或自动控制的数字压力计。 数字压力计是以压力传感器为感应元件。当压力传感器感受到外界被测压力时，它会把力物理量转化为模拟信号发送出去，当模拟信号传送到放大电路里会进行滤波和信号放大，然后把该模拟信号传送到A/