AVR單片機和Matlab串口通信的計時(shí)器系統

引言

　　本文設計了一種基于AVR單片機和Matlab串口通信的計時(shí)器系統，本計時(shí)器系統可以滿(mǎn)足體育競賽中精確計時(shí)的要求。在該設計中，主要以Atmel公司ATmega16單片機作為信號采集系統，通過(guò)串口和上位機的Matlab通信，自定義了一項通信協(xié)議，使上位機接收到不同的信號，可以實(shí)現對Matlab中計時(shí)器的控制。[1]利用Matlab軟件提供的GUI設計出一套友好的人機界面。[2]本系統中，可以有多個(gè)單片機作為下位機，通過(guò)串口連接ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，與上位機進(jìn)行通信。無(wú)線(xiàn)傳輸模塊的接入可以實(shí)現遠程多點(diǎn)信號采集，使系統更加靈活，可擴展性大大增強。

1 系統總體設計

　　本系統包括多個(gè)以ATmega16單片機為主控制器的信號采集系統和一個(gè)上位機Matlab軟件編寫(xiě)的計時(shí)器程序。多個(gè)下位機和上位機之間通過(guò)串口接ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊，實(shí)現數據傳輸功能。ATmega16捕捉到的對射型光電開(kāi)關(guān)信號傳輸給上位機Matlab，控制計時(shí)器的開(kāi)始、中斷和結束功能。系統的整體框圖如圖1所示。

圖1 系統的整體框圖

2 信號采集系統的設計

　　信號采集系統主要由對射型光電開(kāi)關(guān)、信號電平轉換電路和單片機組成。

　　對射型光電開(kāi)關(guān)由發(fā)射器和接收器組成，結構上是相互分離的，在光束被中斷的情況下會(huì )產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)關(guān)信號變化。本文使用的對射型光電開(kāi)關(guān)的特征是：能辨別不透明的反光物體；有效距離大，檢測距離可達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(kāi)關(guān)信號的高電平輸出+12 V數字信號，而ATmega16 I/O口電平為T(mén)TL電平，電壓范圍為0~+5 V，因此，在光電開(kāi)關(guān)和單片機之間必須設計一個(gè)電平轉換電路。本設計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，不僅能夠實(shí)現+12～+5 V電壓的轉換，還能隔離兩端信號，提高電路的穩定性。信號電平轉換電路示意圖如圖2所示。

圖2 信號電平轉換電路示意圖

　　ATmega16單片機的外部中斷通過(guò)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，當電平發(fā)生了合適的變化，中斷也會(huì )觸發(fā)。通過(guò)設置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的對射光電開(kāi)關(guān)，輸出方式為NPN常開(kāi)型，當其光線(xiàn)被遮擋時(shí)，則信號輸出由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，即輸入ATmega16外部中斷引腳的中斷信號為下降沿。本設計中，兩路光電開(kāi)關(guān)信號接ATmega16的外部中斷INT0、INT1引腳，外部中斷相關(guān)寄存器設置如下：

MCUCR=0x0A;//INT0、INT1下降沿觸發(fā)中斷

GICR=0xC0;//使能INT0、INT1

　　當光電開(kāi)關(guān)出現下降沿時(shí)，則程序進(jìn)入相應的外部中斷處理程序，將外部中斷標志位置位。單片機主程序流程圖如圖3所示。