1、 基于单片机的电压测量人机界面设计 Design of voltage measurement man-machine interface based on MCU 摘 要 随着科技的快速发展，电子检测技术 发展很快 ,单片机 技术现在已 渗透到我们生活的 许多 领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹 ， 由此可见单片机的应用对我们的工作生活已越来越重要了，为了更好的从事以后的工作，所以我们更需要很好的运用它掌握它。 在现实 的 生活中电压测量是故障诊断中最常使用 并且也非常有效 的检测方法。因此拥有一块好 用精良 的电压表 对我们日后的工作生活都是非常有好处的。此设计制作了一种基于 At
2、mega16单片机的电压测量 表 ,它 实现数字电压表的硬件电路与软件设计 , 该系统的数字电压表电路 相对 简单 ,所用的元件 相对较少 ,成本 较 低 ,实用性比较强， 可以测量 范围 0 24V的电压值 ,并 将测量的电压值显示在液晶 显示器 12864 上， 此设计并还带 有密码登陆 、修改密码、设定电压上下限 和报警 等 功能。 此文首先介绍关于此设计的背景意义和设计实现的功能。然后介绍设计中用到的单片机的功能特性以及液晶显示器的选择功能特征。最后进行电压表的硬件设计软件编程等 。 关键词 ： Atmega16； 单片机； 电压 ； 液晶 显示器 12864 ABSTRACT Wit
3、h the rapid development of Chinas modern technology, electronic detection technology has been developed very fast, single-chip technology has penetrated many areas of our lives, almost difficult to find which areas no traces of the microcontroller, visible microcontroller applications of our work li
4、fe has become increasingly important, so in order to better engage in future work, we need more good use of it. The voltage measurement in real life is the most commonly used and very effective detection method in fault diagnosis. Have a good voltmeter to our work life are very good. Design a Atmega
5、16 microcontroller-based voltage measurement hardware circuit and software design, digital voltmeter digital voltmeter circuit is simple, with fewer components, low cost, practical, strong, 0 to 24V voltage value can be measured, and the measured voltage value is displayed in the LCD 12864, with pas
6、sword login, change your password, set upper and lower limits of the voltage and alarm functions. This article first introduces the background meaning and design and implementation of design features. And then describes the functions of the MCU used in the design and the choice of the liquid crystal
7、 display. Last voltmeter hardware design. Keywords: ATmega16; microcontroller; voltage; LCD 12864 I 目 录 1 引言 .1 1.1 设计的背景及意义 .1 1.2 发展历史及研究现状 .2 1.3 数字电压测量的原理 .3 2 设计总体方面 .4 2.1 设计要求 .4 2.2 设计实现功能 .4 2.3 单片机的选型 .5 2.4 设计方案 .6 3 数字电压表的简介 .7 3.1 数字电压表的特点 .7 3.2 用于数字电压表内的 AD转化器分类 .错误 !未定义书签。 3.3 单片机内的
8、A/D转换器结构和性能 .8 4 主要元器件简介及设计 .10 4.1 ATMEGA16单片机 . 10 4.2 ATMEGA16单片机引脚功能 . 13 4.3 液晶显示器 12864的特点及功能简介 . 16 4.4 按键电路的设计 . 19 4.5 报警单元的设计 . 20 4.6 电源电路的设计 . 21 结 论 . 22 参考文献 . 23 附录 1：程序 . 24 致 谢 . 44 天津职业技术师范大学 2013 届本科生毕业设计 1 1 引言 数字电压表简称 为 DVM，它是运用了数字化测量技术，把连续模拟的信号转换成不连续，离散的数字形式加以显示的仪表。传统的指针式 电压表功能
9、 过于 单一，精度 相对较 低，不能 完全 满足 现代数字化 的需求， 而 采用 了 单片机的数字 式电压表，拥有精度高，抗干扰能力强，可扩展性强，集成较为方便， 可 以 与 PC 进行实时通信 等优点，因此得到广泛的应用 。目前由各种单片机 A/D 转换器构成的数字式电压表，已被广泛的应用于 电子及其电工的测量，工业自动化仪表，自动测试系统等智能化测量领域， 已 显示出强大的生命力。数字 式 电压表是诸多数字化仪表的核心与基础，电压表的数字化是将连续的模拟量转换成不连续的离散的数字 量形式，并把它显示出来，这有别于传统的指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的误差和人为原因等很多情况 ，目前
10、数字电压表的核心部件是 A/D 转换器， 因此 转换器的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度。本设计主要分为两 个 部分： 电压表的 硬件电路 设计和软件设计程序。而硬件电路又可以 分为单片机小系统电路、 复位 电路、液晶显示器 电路 、系统报警 电路、电压采集电路等 ，各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计中进行详细的介绍。软件程序将在文中附录中给出以便读者日后更好的进行研究 。 1.1 设计的背景及意义 数字式电压表作为数字技术的成功应用典型，已经发展的非常好。数字电压表（ Digital Voltage Meter， DVM），因其功能齐全、精确度高、灵敏度较高、显示电压直观等突出优
11、点深受广大用户的欢迎和喜爱。其中尤其是以 A D转换器为代表的集成电路为最优，进而使 DVM 向着多功能化、小型化、智能化的方向快速发展。 DVM运用单片机控制技术，组成智能的仪表；并与计算机相连接，组成自动测试系统。在这个数字化快速发展的时代，从大到空间的雷达，地球卫星定位系统，移动通信设备，小到家 庭使 用 的 计算机，数码电器设备，数字录音笔等设备中，数字技术与数字电路组成的数字系统已经成为这些现代电子系统的重要组成部分。 数字电压表正进入一 个高速发展的黄金时期，一方面它开拓了电子测量领域的先河，另一方面它本身也在朝着准确度、智能化、低成本的方向发展。 目前，数字电压表作为数字化仪表的
12、基础与核心，已被广泛用多个领域，显示出强大的生命力。与此同时，由电压表扩展而成的各种通用及专用仪表，也将电量及非电量测量技术提高到崭新水平。 天津职业技术师范大学 2013 届本科生毕业设计 2 众所周知在日常生活生活中 电压 测量是故障诊断中最常使用的检测方法。因此拥有一块好的电压表是很 重要的，对我们的工作生活都是非常有益的。 我们对电压表的分类有很多方法，既可以 根据电压测量对象的类型不同， 可分为直流电压测量和交流电压测量两种：又 可以 因使用的工具工作原理的不同，又可分为模拟式电压表测量和数字式电压表测量两类。 模拟电压表为指针式， 一般 用磁电式电流表头作为指示器，并在电流表盘上
13、加以电压刻度。由于表头中是以电流流经磁场中的线圈所产生的电磁力，作为指针偏转的动力。因此测量时需要从被测对象中获取一定量的电流， 因此 将不可避免的对被测对象 的数值 造成一定的影响，其影响的程度 大小 与表头的灵敏度有关。 数字式电压表则 于指针式完全 不同， 因为 输入的被测量电压首先经过前端的分压器进行分压 ，从而 实现量程的选择，再将输入 的模拟量 过 A/D转换器变为数字量送入控制器 中 ，并以十进制数字 的方式 直接显示出来。 1.2 发展历史及研究现状 数字电压最早是 1952年由美国 NLS公司 研制成功的 ，它刚开始 使用 时它只有 4位， 60多年以来经过多次的改良变革技术
14、突破， 数字 式 电压表 已 有了 相对 较大的进步和提高。数字电压表是从电位差计的自动化过程中研制成功的。刚开始是 4位数码显示，进而是 5位， 6位显示，而现在发展到 7位， 8位数码显示；也从最初的只有一 两种类型发展到今天原理不同的几十种类型；从最早的采用继电器，电子管技术发展到如今全晶体管，集成电路，微处理 器化技术；传统的电压表功能单一、精度比较低，早已不能满足时代的需求，采用单片机的数字电压表精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、 集 成方便 ，还可以与 PC 进行实时通信， 目前，由各种单片 A/D 转化器构成的数字电压表，以被广泛用于生产生活的广泛领域，拥有较强的发展空间。与此同
15、时，由 DVM 扩展而成的各种通用及专用数字仪表仪器， 也把电量及非电量测量技术提高到崭新高度。 数字式电压表的设计和研究，现在已有了许多的类型和款式。传统的数字电压表也有许多特色，它们主要适用于现场手工的测量，如果想要实现远程测量并想要对测量数据做处理，它是根本就无法实现的。然而基于 PC 通信的新式数字电压表，他既能完成数据的传递，又能借助 PC 对测量的数据进行进一步的处理。因此数字式电压表不论在功能上还是在实际中，都拥有传统电压表无法相比的优点，这使得他的开发和应用拥有良好的发展前景 。 天津职业技术师范大学 2013 届本科生毕业设计 3 1.3 数字电压测量的原理 数字电压表的基本
16、工作原理是利用 A/D 转换电路将待测的模拟信号转换成数字信号，通过相应 的 换算后将测试结果以数字形式显示出来的一种电压 测量设备 。较之于一般的模拟电压表，数字电压表 拥有 精度高、测量准确、读数直观、使用方便等优点。 电压表的数字化测量，关键在于如何把随时连续变化的模拟量转化成数字量，完成这种转换的电路叫模数转换器（ A/D）。数字电压表的核心部件就是 A/D转换器，由于各种不同的 A/D 转换原理构成了各种 不同类型的 数字式电压表 。一般说 讲 ， A/D转换的方式可分为两类：积分式和逐次逼近式。 积分式 A/D转换器是先用积分器将输入的模拟电压转换成时间或频率，再将其数字化。根据转
17、化的中间量不同，它又分为 U-T（电压 -时间）式和 U-F（电压 -频率）式两种。 逐次逼近式 A/D 转换器分为比较式和斜坡电压式，根据不同的工作原理，比较式又分为逐次比较式及零平衡式等。斜坡电压式又分为线性斜坡式和阶梯斜坡式两种。在高精度数字电压表中，常采用由积分式和比较式相结合起来的复合式 A/D转换 .本设计以 ATmaga16 单片机为核心，液晶显示 器 12864为主体，构造了一款简易的数字电压表 。 天津职业技术师范大学 2013 届本科生毕业设计 4 2 设计总体方面 2.1 设计要求 主要 以 Atmega16 单片机作为核心器件，组成一个简单实用的 数字电压表。 采用 2
18、路模拟电压 输入， 目的使它 能够测量 0-24V之间的直流电压值。 电压显示用 液晶 12864 显示， 分别显示两点的电压和两点之间的电压差 。 尽可能的 使用较少的 电气 元器件 ，来实现较多的功能要求 。 2.2 设计 实现功能 1 验证登陆 功能 本实例设计 的电压测量 功能模块仅为持有密码的使用者使用。使用者在进入系统前必须通过按键输入登录密码， 在验证密码成功 之 后，系统对测量单元初始化 ，准备进行电压测量。如果密码错误，系统将显示“密码错误”并进行 语音报警 ，要求使用者重新输入密码 。 如果连续三次密码都错误，系统将暂停输入密码功能，并延时半分钟后才能再次输入开机密码，成功
19、后开始电压测量。 2.电压测量 功能 电压测量是此设计中 单片机系统完成的一项典型处理任务。单片机控制 A/D转换器对被测电压信号进行采样及处理，处理的过程及结果显示在 液晶显示器 12864上。 当 测量任务完成后，系统延时一段时间并返回登录 初始 画面。电压的测量范围设计为 A、 B 两点均是 0V-24V。本设计采用 ATmaga16 单片机内部的 A/D转换器来釆样电压。 3.按键登陆 功能 通过 面板上的 按键输入 开机 登录密码进行电压测量 ,并可以 通过按键设置电压测量上下限 的设置、修改开机密码、系统复位、关机等功能 。 4.语音报警 功能 本设计釆用一般实验用蜂鸣器 来做 简
20、易的语音报警设备，当登陆密码错误时蜂鸣器进行报警、测量电压达到电压设定的上下限时也会进行报警 。 5.液晶显示功能 开机显示 “ 请输入开机密码 ” ，若密码正确则显 示 A点电压值、 B点电压值、 AB之间电压值、和电压设置的上下限值，如密码错误会显示“密码错误”当测量的电压超出或低于设定的电压上下限时，系统会显示“超出电压设定值”或显示“低于电压设定值”。 天津职业技术师范大学 2013 届本科生毕业设计 5 2.3 单片机的选型 如果想设计一个用单片机控制的实物，一般我们需要在 选择单片机型号 时 的出发点 大体上 有以下几个方面 考虑 ： 市场 的 货源 系统设计者 一般 只能在市场上
21、能够提供的单片机中 进行 选择 自己所需要的 ， 特别是作为产品大批量 使用。 生产的应用系统，所选 择 的单片机型号必须有稳定 并且充足的货源。 单片机 的 性能 必修 根据系统的 功能要求和各种单片机的性能，选择 那些 最容易实现系统技术指标的型号， 并 且 要 能达到较高的 性能价格比 。单片机性能 一般 包括片内硬件 的 资源、运行 的 速度、可靠性 能 、指令系统功能、 体积和封装方面 等 。 而 影响性价比的因素除单片机的性能 和 价格 以 外， 又需要考虑 包括硬件和软件设计的 难易 程度、 所对 应的工作量 多少 ， 并且运用的 开发工具的性价比 大小 。 选择 AVR 单片机
22、。这个单片机特别简单，容易学习，价格便宜。 AVR 单片机也能升级，能节省很多费用。它的处理速度快，计算快。耗能低，保密性质好。它的I/O 功能强大，能反映输入 /输出的真实情况。内部自带模拟比较器，可成为 A/D转换器。他能重设启动复位，单片机非常具有可靠性。它还有功能强大的定时器 /计数器及通讯接口。 研制 的 周期 如果是在 研制 的 任务 很 重、时间 又很 紧的 状况下 ， 就必修要 考虑所选的单片机型号是否 明白了解 ，能 否 马上进行系统的设计。 并且 与研制周期有关的另一个重要因素 就 是开发工具，性能优良的开发工具能加快系统地 研制进程。 有利于我们更好的完成设计任务，早日实现我们需要的功能，对我们日后的设计工作有较大的好处。 天津职业技术师范大学 2013 届本科生毕业设计 6 2.4 设计方案 此设计的 硬件电路设计 主要 由 6 个部分组成 ;它们分别是语音报警电路、系统复位电路、 Atmega16 单片机 电路 、液晶显示器 12864电路、密码按键电路、电压量采集电路 。硬件电路设计框图如 下 图所示。 图 2-1 硬件设计 图ATmega 16语音报警系统复位显示接口按键电量采集Atmega 16语音报警系统复位电压采集显示接口按键
