AVR單片機(jī)和Matlab串口通信的計(jì)時(shí)器系統(tǒng)

引言

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于AVR單片機(jī)和Matlab串口通信的計(jì)時(shí)器系統(tǒng)，本計(jì)時(shí)器系統(tǒng)可以滿足體育競(jìng)賽中精確計(jì)時(shí)的要求。在該設(shè)計(jì)中，主要以Atmel公司ATmega16單片機(jī)作為信號(hào)采集系統(tǒng)，通過串口和上位機(jī)的Matlab通信，自定義了一項(xiàng)通信協(xié)議，使上位機(jī)接收到不同的信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Matlab中計(jì)時(shí)器的控制。[1]利用Matlab軟件提供的GUI設(shè)計(jì)出一套友好的人機(jī)界面。[2]本系統(tǒng)中，可以有多個(gè)單片機(jī)作為下位機(jī)，通過串口連接ZigBee無線傳輸模塊，與上位機(jī)進(jìn)行通信。無線傳輸模塊的接入可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程多點(diǎn)信號(hào)采集，使系統(tǒng)更加靈活，可擴(kuò)展性大大增強(qiáng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)包括多個(gè)以ATmega16單片機(jī)為主控制器的信號(hào)采集系統(tǒng)和一個(gè)上位機(jī)Matlab軟件編寫的計(jì)時(shí)器程序。多個(gè)下位機(jī)和上位機(jī)之間通過串口接ZigBee無線通信模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。ATmega16捕捉到的對(duì)射型光電開關(guān)信號(hào)傳輸給上位機(jī)Matlab，控制計(jì)時(shí)器的開始、中斷和結(jié)束功能。系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體框圖

2 信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　信號(hào)采集系統(tǒng)主要由對(duì)射型光電開關(guān)、信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)組成。

　　對(duì)射型光電開關(guān)由發(fā)射器和接收器組成，結(jié)構(gòu)上是相互分離的，在光束被中斷的情況下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)信號(hào)變化。本文使用的對(duì)射型光電開關(guān)的特征是：能辨別不透明的反光物體；有效距離大，檢測(cè)距離可達(dá)10 m；不易受干擾，可以可靠地在野外或者有灰塵的環(huán)境中使用。

　　光電開關(guān)信號(hào)的高電平輸出+12 V數(shù)字信號(hào)，而ATmega16 I/O口電平為TTL電平，電壓范圍為0~+5 V，因此，在光電開關(guān)和單片機(jī)之間必須設(shè)計(jì)一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路。本設(shè)計(jì)考慮使用光電耦合器件TLP521-2，它提供了兩個(gè)孤立的光耦8引腳塑料封裝，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)+12～+5 V電壓的轉(zhuǎn)換，還能隔離兩端信號(hào)，提高電路的穩(wěn)定性。信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路示意圖如圖2所示。

圖2 信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路示意圖

　　ATmega16單片機(jī)的外部中斷通過引腳INT0、INT1觸發(fā)。只要使能了中斷，即使引腳INT0、INT1配置為輸出，當(dāng)電平發(fā)生了合適的變化，中斷也會(huì)觸發(fā)。通過設(shè)置ATmega16控制寄存器MCUCR和控制與狀態(tài)寄存器MCUCSR，中斷可以由下降沿、上升沿或者是低電平觸發(fā)。[3]本文使用E3FDS10C4的對(duì)射光電開關(guān)，輸出方式為NPN常開型，當(dāng)其光線被遮擋時(shí)，則信號(hào)輸出由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，即輸入ATmega16外部中斷引腳的中斷信號(hào)為下降沿。本設(shè)計(jì)中，兩路光電開關(guān)信號(hào)接ATmega16的外部中斷INT0、INT1引腳，外部中斷相關(guān)寄存器設(shè)置如下：

MCUCR=0x0A;//INT0、INT1下降沿觸發(fā)中斷

GICR=0xC0;//使能INT0、INT1

　　當(dāng)光電開關(guān)出現(xiàn)下降沿時(shí)，則程序進(jìn)入相應(yīng)的外部中斷處理程序，將外部中斷標(biāo)志位置位。單片機(jī)主程序流程圖如圖3所示。