基于AVRatmega交直流電壓表的設(shè)計(jì)

1、基于AVR atmega_16交直流電壓表的設(shè)計(jì)          本設(shè)計(jì)是基于ATmega16單片機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)和自動(dòng)控制原理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的一種數(shù)字電壓表系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ATmega16單片機(jī)作為控制核心，以MAX187為數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)電壓的數(shù)據(jù)采樣；使用系列比較器檢測(cè)輸入電壓的范圍，并通過(guò)繼電器陣列實(shí)現(xiàn)了輸入量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換；使用HS1602A LCD液晶顯示器顯示被測(cè)電壓。 設(shè)計(jì)所需的全部資源ATmega16L,MAX187,LM324,OP07,繼電器，電阻，導(dǎo)線，電容，三極管9013一、課程設(shè)

2、計(jì)目的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換量程的數(shù)字電壓表。二、用途及功能方法分析根據(jù)待測(cè)電壓的不同，自動(dòng)切換量程并檢測(cè)電壓的大小。目前實(shí)現(xiàn)電壓數(shù)字化測(cè)量的方法仍然模-數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換的方法，而數(shù)字電壓表種類繁多，型號(hào)新異，目前國(guó)際仍未有統(tǒng)一的分類方法。而常用的分類方法有如下幾種：1.按用途來(lái)分：有直流數(shù)字電壓表，交、直流數(shù)字電壓表，交直流萬(wàn)用表等。2.按顯示位數(shù)來(lái)分：有4位，5位，6位，7位，8位等。3.按測(cè)量速度來(lái)分：有低準(zhǔn)確度，中準(zhǔn)確度，高準(zhǔn)確度等。4.按測(cè)量速度來(lái)分：有低速，中速，高速，超高速等。但在日常生活中，數(shù)字電壓表一般是按照原理不同進(jìn)行分類的，目前大致分為以下幾類：比較式，電壓時(shí)間變換式，積分式等。數(shù)

3、字電壓表有多種的設(shè)計(jì)方法，方案是多種多樣的，由于大規(guī)模集成電路數(shù)字芯片的高速發(fā)展，各種數(shù)字芯片品種多樣，導(dǎo)致對(duì)模擬數(shù)據(jù)的采集部分的不一致性，進(jìn)而又使對(duì)數(shù)據(jù)的處理及顯示的方式的多樣性。又由于在現(xiàn)實(shí)的工作生活中，電壓表的測(cè)量測(cè)程范圍是比較大的，所以必須要對(duì)輸入電壓作分壓處理，而各個(gè)數(shù)據(jù)處理芯片的處理電壓范圍不同，則各種方案的分段也不同。由此結(jié)合設(shè)計(jì)要求選擇由單片機(jī)系統(tǒng)及數(shù)字芯片構(gòu)建。這種方案是利用單片機(jī)系統(tǒng)與與其模數(shù)轉(zhuǎn)換功能、顯示模塊等的結(jié)合構(gòu)建數(shù)字電壓表。由于單片機(jī)的發(fā)展已經(jīng)成熟，利用單片機(jī)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)合，可以組裝出許多的應(yīng)用電路來(lái)。此方案的原理選用單片機(jī)并結(jié)合外部芯片來(lái)采樣，被測(cè)量電壓輸入經(jīng)

4、模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換功能將被測(cè)量電壓輸入端所采集到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程，使單片機(jī)系統(tǒng)能按規(guī)定的時(shí)序來(lái)采集這些數(shù)字信號(hào)，通過(guò)一定的算法計(jì)算出被測(cè)量電壓的值。最后單片機(jī)系統(tǒng)將計(jì)算好了的被測(cè)電壓值按一定的時(shí)序送入顯示電路模塊加以顯示。三、硬件設(shè)計(jì)思想和電路原理圖1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與框圖本系統(tǒng)采用ATMEGAL16L單片機(jī)作為控制核心，以12位的A/D轉(zhuǎn)換MAX187為數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)電壓的高精度數(shù)據(jù)采集與顯示。2.實(shí)際電路圖2.1單片機(jī)系統(tǒng)在這一設(shè)計(jì)中，我們涉及到了一個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)模塊單片機(jī)系統(tǒng)模塊，而目前單片機(jī)的種類是很繁多的，主要有主流的8位單片機(jī)和

5、高性能的32位單片機(jī)，結(jié)合本設(shè)計(jì)各方面因素，8位單片機(jī)對(duì)于本設(shè)計(jì)已經(jīng)是綽綽有余了。本設(shè)計(jì)是以ATMEGA16L單片機(jī)為控制核心,其外圍接口電路如圖所示。單片機(jī)的PA口主要用于信號(hào)檢測(cè)，PB口用于繼電器控制，PC口用于按鍵輸入、過(guò)壓報(bào)警等，PD口用于液晶顯示。2.2 AD轉(zhuǎn)換電路我們利用MAX187作為AD數(shù)據(jù)采樣器件, 它是串行接口方式的A/D轉(zhuǎn)換器，僅有8個(gè)引腳，外圍接線很少。體積小、速度快、精度高。2.3信號(hào)調(diào)理模塊該部分主要實(shí)現(xiàn)的功能是自動(dòng)量程切換和電壓變換，模塊主要由電壓極性檢測(cè)電路、電壓范圍粗測(cè)電路、電壓變換電路、繼電器模塊四部分組成。2.3.1 電壓極性檢測(cè)電路電壓極性檢測(cè)電路采用

6、過(guò)零比較器檢測(cè)負(fù)電壓的方式實(shí)現(xiàn)的，運(yùn)算放大器LM324的反向端接地，同向端通過(guò)100K電阻接輸入信號(hào)。2.3.2 電壓范圍粗測(cè)電路為了粗略地得到被測(cè)量的電壓范圍我們采用多組比較器的方式，通過(guò)階梯式比較的方法確定輸入電壓的范圍。2.3.3量程切換電路電路由衰減電阻、切換繼電器和運(yùn)算放大器組成，對(duì)應(yīng)的是衰減1/2、1/3、1/4和無(wú)零漂放大50倍，切換電路如圖所示。電壓變換到0-5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后，再由A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行采樣，最后由單片機(jī)算法還原。2.4繼電器模塊我們采用了八個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)切換，其動(dòng)作由單片機(jī)PB口控制。2.5 LCD顯示電路采用字符型液晶模塊HS1602與單片機(jī)的接口和編程的方法

7、顯示測(cè)量的電壓大小、極性、峰值。3.總體設(shè)計(jì)電路圖4.硬件單元的使用將待測(cè)電壓輸入，首先進(jìn)行極性判斷，輸入單片機(jī)。然后對(duì)繼電器8進(jìn)行控制，正電壓不工作，負(fù)電壓接通常斷進(jìn)行電壓反向。輸入電壓粗測(cè)電路判斷電壓范圍并輸入單片機(jī)。根據(jù)輸入端控制繼電器1，2，3，4，5，進(jìn)行電壓增減。繼電器6根據(jù)極性接通，使正電壓輸入A/D轉(zhuǎn)換器MAX187進(jìn)行測(cè)量并輸入單片機(jī)。最后輸入到LCD顯示測(cè)量結(jié)果。四、軟件設(shè)計(jì)與流程1.系統(tǒng)軟件介紹軟件部分采用模塊化程序設(shè)計(jì)的方法，由單片機(jī)控制主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、電壓檢測(cè)及繼電器控制程序、液晶顯示組成。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在C編譯環(huán)境下進(jìn)行的，由于C語(yǔ)言程序可移植性好，所以提

8、高了編程的效率。2.軟件程序流程圖3.軟件功能PC0首先接收數(shù)據(jù)，據(jù)此控制PC6,PC7實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，保證正電壓輸出。PB0,PB1,PB2,PB3,PA6的輸入值通過(guò)PA1,PA2,PA3,PA4,PA5控制繼電器1，2，3，4，5實(shí)現(xiàn)電壓增減并輸入A/D轉(zhuǎn)換器MAX187進(jìn)行測(cè)量。最后輸入PB4,PB6,PB7并由PD4,PD5,PD6,PD7輸入LCD顯示。五數(shù)據(jù)分析萬(wàn)用表和設(shè)計(jì)電壓表測(cè)量同一組電壓值所得結(jié)果如表一所示。電壓值（v）0.000.541.061.542.052.543.033.504.024.515.03測(cè)量值（v）0.0000.5131.0201.5082.0162.51

9、23.0103.5094.0124.5165.014誤差(v)0.0000.0270.0150.0270.0140.0280.0070.0090.0080.0060.000表 一 因?yàn)槠綍r(shí)所需要測(cè)量的被測(cè)電壓的電壓值不是一個(gè)定值，多多少少都有一些微小的變化，所以測(cè)量值會(huì)有微小的變動(dòng)；計(jì)算值和真實(shí)值之間有一定偏差。六總結(jié)由于本設(shè)計(jì)使用的是高效的AVR系列單片機(jī)作為核心的測(cè)量系統(tǒng)，以及高精度、高速度、高抗干擾的外部A/D轉(zhuǎn)換器。使得本直流電壓表具體精度高，靈敏度強(qiáng)，性能可靠，電路簡(jiǎn)單，成本低的特點(diǎn)。此設(shè)計(jì)是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)此設(shè)計(jì)可知在單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程應(yīng)注意以下事項(xiàng)。1）硬件的選擇。選擇適合設(shè)計(jì)目地的元器件是一個(gè)重要的方設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。不能以元器件是否是最高性能作為選擇元器件的標(biāo)準(zhǔn)。往往高性能器件的價(jià)格也是較高的。應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的需要選擇元器件，能夠滿足設(shè)計(jì)需要作為標(biāo)準(zhǔn)選擇元器件。2）因?yàn)閱纹瑱C(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是硬件和軟件相結(jié)合的設(shè)計(jì)，所以系統(tǒng)和硬件和軟件必須緊密配合，協(xié)調(diào)一致。應(yīng)不