基于atmega16单片机的数字电压表设计

基于atmega16单片机的数字电压表设计内容摘要：

为了粗略地得到被测量的电压范围我们采用多组比较器的方式，通过阶梯式比较的方法确定输入电压的范围。 其具体电路如下图（ ）所示。 图 电压范围粗测电路 继电器 8开关状态常态时为正，当输入电压 Ui为负时继电器 8在单片机的控制下工作，进行反向放大成正电压后通过比较器检测，输出数据送给单片机 P1口。 则根据其设计原理：输入电压的范围与 P1口对应的数据如下表所示。 电压范围 P10—P14口对应的数据（ B） 0100mV 00000 100mV5V 00001 5V10V 00011 10V15V 00111 15V20V 01111 20V以上 11111 表 范围检测数据表 量程切换电路包括电压衰减变换电路和无零漂小信号放大电路。 电压变换电路 电压变换电路由衰减电阻、切换继电器和运算放大器组成，对应的是衰减 1/ 1/ 1/4和无零漂放大 50倍，切换电路如图（ ）所示。 电压变换到 05V标准信 号后，再由 A/D 转换进行采样，最后由单片机算法还原。 图 电压范围粗测电路 无零漂小信号放大电路 无零漂小信号放大电路由两级放大器组成，前级放大器为跟随器形式，主要实现阻抗变 换，由于小信号幅度很弱，所以要很高的输入阻抗。 第二级为零点补偿放大器，实现对小信号幅度的无零漂放大，电路如图（ ）所示，零点补偿是通过电阻分压后由滑变电阻实现 20mV到 20mV的微调节。 调试时将输入端接地，观察输出端信号，调节滑动变阻器，使其输出为零。 另外，由于实现的是小信号放大，所以采用精密的运算放大器。 图 路 我们采用了八个继电器实现量程的自动切换，其动作由单片机 PB口控制，其驱动电路如图（ ）所示。 图 驱动电路 LCD 显示电路设计 按键模块简单有效 ,我们设计了一个按键实现峰值与平均值的显示切换。 我们采用字符型液晶模块 HS1602与单片机的接口和编程的方法显示测量的电压大小、极性、峰值。 其原理电路图如图（ ）所示。 RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器、 RW 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。 当 RS 和 RW 共同为低电平时可以写入指 令或者显示地址，当 RS 为低电平 RW 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数据、 D0～ D7为 8位双向数据线。 主单片机通过控制 RS 和 RW，数据由 D0～ D7送入液晶显示。 报警由单片机控制并作出响应。 图 LCD 显示电路 信号调理总体设计电路图如图（ ）所示。 图 电路 三、软件设计与流程 软件部分采用模块化程序设计的方法，由单片机控制主程序、 A/D 转换子程序、电压检测及继电器控制程序、液晶显示组成。 系统选用的是 ATMEL 公司生产的单片微控制器ATMEGAL16L， ATMEGAL16L采用低功耗 CMOS 工艺生产的高性能 8位 AVR 微控制器，16K字节的系统内可编程 Flash(具有同时读写的能力，即 RWW)， 512 字节 EEPROM， 1K字节 SRAM， 32 个通用 I/O 口线， 32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的 JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器 /计数 (T/C),片内 /外中断，可编程 USART，有起始条件检测器的通用串行接口， 8路 10位具有可选差分输入级可编程增益 的 ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。 ATMEGAL8L也是低功耗、高性能 8位 AVR 微控制器， 8K 字节的系统内可编程 Flash， 512 字节 EEPROM， 1K 字节 SRAM， 32 个通用 I/O 口线， 32 个通用工作寄存器，三个具有比较模式的灵活的定时器 /计数 (T/C), 片内 /外中断，可编程 USART，面向字节的两线串行接口， 10 位 6 路 ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及五种 可以通过软件进行选择的省电模式。 系统软件设计是在 C编译环境下进行的，由于 C 语言程序可移植性好，所以提高了编程的效率。 单片机控制系统软件流程如图所示。 图 主单片机控制系统流程图 四、实验测试与结果分析 本作品可以实现对 17V到 +17V之间任意值的测量，测量精度达到 ，误差为10mV左右。 全过程实现了输入量程的自动化切换、电压测量、液晶显示等目的。 本作品制作完成了题目要求的基本部分的全部要求和发挥部分的大部分要求，达到了设计要求。 个别指标由于时间及条件的限制无法达到精确的测量要求。 可实现 以下功能： 允许叠加输入频率为 0100HZ的交流信号。 可实现测量输出电压的峰峰值与平均值的显示。 量程全自动转换。 分辨率可达到三位半。 可显示测量的信号种类，电压极性、和数值大小等。 经分析，测量精度之所以达不到 1mV 的要求，是由于实验室条件的限制，我们采用了 12位的 A/D 转换芯片 MAX187，若要实现 1mV的测量精度，最少需要采用 16位的 A/D 转换芯片才能满足采样分辨率的需要，而且要采用精密运算放大器才能满足高精度的实际需要，同时电路布线布局也很重要，输入线需要屏蔽，这样减少内外噪声的影响。 五、参 考文献 [1] 李建忠 , 单片机原理及应用 . 西安：西安电子科技大学出版社 , 2020. [2]克劳斯 贝伊特 , 电子丛书 —基本电路 . 北京科学出版社 , 1999. [3]康华光 .电子技术基础 模拟部分（第四版） .北京：高等教育出版社， 1999. [4]谢自美 .电子线路设计 实验 测试（第二版） .武汉：华中理工出版社， 2020. [5]樊昌信等 .通信原理 .(第五版 ).北京 .国防工业出版社， 2020. [6]金春林等 . AVR 系列单片机 C语言编程与应用实例 .北京：清华大学出版社， 2020 [7]黄智伟 .全国大 学生电子竞赛训练教程 .北京：电子工业出版社， [8]李建忠 .单片机原理及应用 .西安 :西安电子科技大学出版社 , [9]全国大学生电子设计竞赛训练教程 江西：江西省电子电脑科技活动中心 . [10]ATMEGA16L单片机芯片使用手册， [11] 童诗白，华成英 模拟电子技术基础，高等教育出版社， [12] 陈明荧， 8051单片机设计实训教材，。