AVR单片机和Matlab串口通信的计时器系统

引言

　　本文设计了一种基于AVR单片机和Matlab串口通信的计时器系统，本计时器系统可以满足体育竞赛中精确计时的要求。在该设计中，主要以Atmel公司ATmega16单片机作为信号采集系统，通过串口和上位机的Matlab通信，自定义了一项通信协议，使上位机接收到不同的信号，可以实现对Matlab中计时器的控制。[1]利用Matlab软件提供的GUI设计出一套友好的人机界面。[2]本系统中，可以有多个单片机作为下位机，通过串口连接ZigBee无线传输模块，与上位机进行通信。无线传输模块的接入可以实现远程多点信号采集，使系统更加灵活，可扩展性大大增强。

1 系统总体设计

　　本系统包括多个以ATmega16单片机为主控制器的信号采集系统和一个上位机Matlab软件编写的计时器程序。多个下位机和上位机之间通过串口接ZigBee无线通信模块，实现数据传输功能。ATmega16捕捉到的对射型光电开关信号传输给上位机Matlab，控制计时器的开始、中断和结束功能。系统的整体框图如图1所示。

图1 系统的整体框图

2 信号采集系统的设计

　　信号采集系统主要由对射型光电开关、信号电平转换电路和单片机组成。

　　对射型光电开关由发射器和接收器组成，结构上是相互分离的，在光束被中断的情况下会产生一个开关信号变化。本文使用的对射型光电开关的特征是：能辨别不透明的反光物体；有效距离大，检测距离可达10 m；不易受干扰，可以可靠地在野外或者有灰尘的环境中使用。

　　光电开关信号的高电平输出+12 V数字信号，而ATmega16 I/O口电平为TTL电平，电压范围为0~+5 V，因此，在光电开关和单片机之间必须设计一个电平转换电路。本设计考虑使用光电耦合器件TLP521-2，它提供了两个孤立的光耦8引脚塑料封装，不仅能够实现+12～+5 V电压的转换，还能隔离两端信号，提高电路的稳定性。信号电平转换电路示意图如图2所示。

图2 信号电平转换电路示意图

　　ATmega16单片机的外部中断通过引脚INT0、INT1触发。只要使能了中断，即使引脚INT0、INT1配置为输出，当电平发生了合适的变化，中断也会触发。通过设置ATmega16控制寄存器MCUCR和控制与状态寄存器MCUCSR，中断可以由下降沿、上升沿或者是低电平触发。[3]本文使用E3FDS10C4的对射光电开关，输出方式为NPN常开型，当其光线被遮挡时，则信号输出由高电平跳变为低电平，即输入ATmega16外部中断引脚的中断信号为下降沿。本设计中，两路光电开关信号接ATmega16的外部中断INT0、INT1引脚，外部中断相关寄存器设置如下：

MCUCR=0x0A;//INT0、INT1下降沿触发中断

GICR=0xC0;//使能INT0、INT1

　　当光电开关出现下降沿时，则程序进入相应的外部中断处理程序，将外部中断标志位置位。单片机主程序流程图如图3所示。