基于AVRatmega交直流電壓表的設(shè)計

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

2、計目的實現(xiàn)自動切換量程的數(shù)字電壓表。二、用途及功能方法分析根據(jù)待測電壓的不同，自動切換量程并檢測電壓的大小。目前實現(xiàn)電壓數(shù)字化測量的方法仍然模-數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換的方法，而數(shù)字電壓表種類繁多，型號新異，目前國際仍未有統(tǒng)一的分類方法。而常用的分類方法有如下幾種：1.按用途來分：有直流數(shù)字電壓表，交、直流數(shù)字電壓表，交直流萬用表等。2.按顯示位數(shù)來分：有4位，5位，6位，7位，8位等。3.按測量速度來分：有低準確度，中準確度，高準確度等。4.按測量速度來分：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行分類的，目前大致分為以下幾類：比較式，電壓時間變換式，積分式等。數(shù)

3、字電壓表有多種的設(shè)計方法，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)致對模擬數(shù)據(jù)的采集部分的不一致性，進而又使對數(shù)據(jù)的處理及顯示的方式的多樣性。又由于在現(xiàn)實的工作生活中，電壓表的測量測程范圍是比較大的，所以必須要對輸入電壓作分壓處理，而各個數(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)計要求選擇由單片機系統(tǒng)及數(shù)字芯片構(gòu)建。這種方案是利用單片機系統(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。由于單片機的發(fā)展已經(jīng)成熟，利用單片機系統(tǒng)的軟硬件結(jié)合，可以組裝出許多的應(yīng)用電路來。此方案的原理選用單片機并結(jié)合外部芯片來采樣，被測量電壓輸入經(jīng)

4、模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換功能將被測量電壓輸入端所采集到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，然后通過對單片機系統(tǒng)進行軟件編程，使單片機系統(tǒng)能按規(guī)定的時序來采集這些數(shù)字信號，通過一定的算法計算出被測量電壓的值。最后單片機系統(tǒng)將計算好了的被測電壓值按一定的時序送入顯示電路模塊加以顯示。三、硬件設(shè)計思想和電路原理圖1.系統(tǒng)總體設(shè)計與框圖本系統(tǒng)采用ATMEGAL16L單片機作為控制核心，以12位的A/D轉(zhuǎn)換MAX187為數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，實現(xiàn)被測電壓的高精度數(shù)據(jù)采集與顯示。2.實際電路圖2.1單片機系統(tǒng)在這一設(shè)計中，我們涉及到了一個關(guān)鍵系統(tǒng)模塊單片機系統(tǒng)模塊，而目前單片機的種類是很繁多的，主要有主流的8位單片機和

5、高性能的32位單片機，結(jié)合本設(shè)計各方面因素，8位單片機對于本設(shè)計已經(jīng)是綽綽有余了。本設(shè)計是以ATMEGA16L單片機為控制核心,其外圍接口電路如圖所示。單片機的PA口主要用于信號檢測，PB口用于繼電器控制，PC口用于按鍵輸入、過壓報警等，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個引腳，外圍接線很少。體積小、速度快、精度高。2.3信號調(diào)理模塊該部分主要實現(xiàn)的功能是自動量程切換和電壓變換，模塊主要由電壓極性檢測電路、電壓范圍粗測電路、電壓變換電路、繼電器模塊四部分組成。2.3.1 電壓極性檢測電路電壓極性檢測電路采用

6、過零比較器檢測負電壓的方式實現(xiàn)的，運算放大器LM324的反向端接地，同向端通過100K電阻接輸入信號。2.3.2 電壓范圍粗測電路為了粗略地得到被測量的電壓范圍我們采用多組比較器的方式，通過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、切換繼電器和運算放大器組成，對應(yīng)的是衰減1/2、1/3、1/4和無零漂放大50倍，切換電路如圖所示。電壓變換到0-5V標準信號后，再由A/D轉(zhuǎn)換進行采樣，最后由單片機算法還原。2.4繼電器模塊我們采用了八個繼電器實現(xiàn)量程的自動切換，其動作由單片機PB口控制。2.5 LCD顯示電路采用字符型液晶模塊HS1602與單片機的接口和編程的方法

7、顯示測量的電壓大小、極性、峰值。3.總體設(shè)計電路圖4.硬件單元的使用將待測電壓輸入，首先進行極性判斷，輸入單片機。然后對繼電器8進行控制，正電壓不工作，負電壓接通常斷進行電壓反向。輸入電壓粗測電路判斷電壓范圍并輸入單片機。根據(jù)輸入端控制繼電器1，2，3，4，5，進行電壓增減。繼電器6根據(jù)極性接通，使正電壓輸入A/D轉(zhuǎn)換器MAX187進行測量并輸入單片機。最后輸入到LCD顯示測量結(jié)果。四、軟件設(shè)計與流程1.系統(tǒng)軟件介紹軟件部分采用模塊化程序設(shè)計的方法，由單片機控制主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、電壓檢測及繼電器控制程序、液晶顯示組成。系統(tǒng)軟件設(shè)計是在C編譯環(huán)境下進行的，由于C語言程序可移植性好，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PA1,PA2,PA3,PA4,PA5控制繼電器1，2，3，4，5實現(xiàn)電壓增減并輸入A/D轉(zhuǎn)換器MAX187進行測量。最后輸入PB4,PB6,PB7并由PD4,PD5,PD6,PD7輸入LCD顯示。五數(shù)據(jù)分析萬用表和設(shè)計電壓表測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 因為平時所需要測量的被測電壓的電壓值不是一個定值，多多少少都有一些微小的變化，所以測量值會有微小的變動；計算值和真實值之間有一定偏差。六總結(jié)由于本設(shè)計使用的是高效的AVR系列單片機作為核心的測量系統(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，性能可靠，電路簡單，成本低的特點。此設(shè)計是單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)性實驗。通過此設(shè)計可知在單片機系統(tǒng)開發(fā)過程應(yīng)注意以下事項。1）硬件的選擇。選擇適合設(shè)計目地的元器件是一個重要的方設(shè)計環(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準。往往高性能器件的價格也是較高的。應(yīng)根據(jù)項目設(shè)計的需要選擇元器件，能夠滿足設(shè)計需要作為標準選擇元器件。2）因為單片機系統(tǒng)設(shè)計是硬件和軟件相結(jié)合的設(shè)計，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