可视化数字电压表的设计毕业论文(2)

后通过其与单片之间的接口将数据传送给单片机。按题目要求的精度，至少需要12位的AD转换器件。但要测量一个小信号，除了要求AD的精度要达到外，还要模拟电路的前端处理部分要求低噪声，稳定性好。 但是在外部AD与单片机之间通信过程中会带来干拢信号。而且不利于快速开发。

方案二：直接用AVR单片机中自带的AD转换器。其主要特点如下：10位精度,我们可以降低AD转换基准的电压，以获得较高的精度。65~260us的转换时间，在最大精度下可达每秒15KSPS的采样速率。可选的2.56V的ADC参考电压源。由于是单片集成，故其控制更容易，干拢也最小。所以我们选项择方案二。

2.3.3 显示器的选择

显示接口用来显示系统的状态、命令或采集的电压数据。本系统显示部分用的是LCD1602液晶模块和12864点阵型液晶显示模块，采用一个16×2的字符型液晶显示模块LCD1602.它具有重量轻，体积小，功耗低，可显示192种字符，可自编8种字符，指令功能强，可组合成各种输入、显示、移位方式以满足不同的要求，接口简单方便，可靠性高等优点，使用1602LCD液晶模块显示各种要测的参数，可以显示一任意周期性的电压信号中的最大值,最小值,平均值及有效值，并用点阵型液晶12864显示输入的电压信号的波形变化曲线。

本设计主要应用ATMEGA128将A/D转换来的信号进行处理，根据A/D转换的数据及溢出位等信号，来控制模拟开关进行自动换挡。同时控制液晶屏显示电压值。LCD1602液晶显示屏，它内带一定字符的字库，我们只要把对应数字的ASCII值，送到它的8位数据端，即可显示对应的字符，并用点阵型液晶12864显示输入的电压信号的波形变化曲线。

2.3.4 量程转换模块的选择

在量程转换方案设计中，主要有3中方案可供选择。

方案一：利用程序设计来实现量程的转换，这样即可简化硬件电路设计，减少元器件的开销，并且操作简单。

方案二：选用模拟开关芯片4066实现量程转换。4066集成了4个模拟开关，每一路开关都有一个控制端控制对应开关的通断。用单片机对控制端进行控制，实现不同量程的转换。

方案三：利用手动开关实现量程转换。该方案可简化控制程序，缩短反应时间，不足之处在于操作麻烦。

在此次设计中，我们选用的是方案一，方案一所需元件较少，主要是通过单片机程序进行控制，操作简单。

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3 系统硬件设计

系统硬件的设计框图如图2所示。

图2系统硬件设计框图

本次设计的数字电压表是基于AVR单片机的一种电压信号采样测量系统。该设计采用AVR单片机内部自带的AD转换器对输入的低频电压信号进行采样，采样的数据存放单片机中，利用相应的算法求出输入电压信号的最大值，最小值，平均值及有效值。测量范围0 ~ ± 20V(直流,交流均可测)，使用1602LCD液晶模块显示各种要测的参数，可以显示一任意周期性的电压信号中的最大值，最小值，平均值及有效值， 并用点阵型液晶12864显示输入的电压信号的波形变化曲线。

本次设计主要分为几个模块，如单片机最小系统的设计、模拟信号调理电路、AD转换电路、按键输入电路、LCD显示系统等。下面将逐步介绍各个硬件模块的设计。

3.1 单片机最小系统的设计

单片机控制模块的作用是为控制各个单元电路的运行并完成数据的换算或处理。控制模块采用的是AVR单片机ATMEGA128，其对于多量程电路的测量有着不可比拟的性价比，而且操作简单。其最小系统主要由单片机、时钟电路、复位电路组成。如图3所示，为简单的单片机最小系统。

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图3 单片机最小系统

（1）时钟电路

单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器或者陶瓷谐振荡器，构成内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自积振荡，并产生振荡时钟脉冲。晶振通常选用6MHZ、12MHZ或24MHZ。

单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的，在单片机的XTAL1和XTAL2两个管脚接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，电路中电容器C2和C3对振荡频率有微调作用，通常取（30±10）pF，石英晶体选择6MHz或12MHz都可以。 （2）复位电路

当单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上的高电平时，根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。

上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。而上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复

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位。上电后，由于电容C1的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已经在运行当中时，按下复位键后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。

单片机的RST管脚为主机提供了一个外部复位信号输入口。复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间为2个机器周期以上，单片机复位方式可由手动复位方式完成。

3.2 模拟信号调理电路

这个模块主要分为两个部分：衰减及量程切换电路和输入的电压信号迁移电路。下面分别介绍这两个部分的作用。

3.2.1 衰减电路

电压表测量的范围是0 ~±20V，而AVR单片机ADC模拟通道输入的电压在内部基准电压为2.56V时，不能超过2.56V。故输入的电压信号必须小于2.56V。因此外部的输入电压信号在大于2.56V时须经过衰减后输送到单片机的引脚中去。图4中的190k与10k的电阻网络就是将外部输入信号电压衰减20倍的电路一种简单的实现方法。后面输入运放正相端的电压通过继电器的切换使之输入到后向通道的电压保证在ADC模拟通道允许采样的范围之内。继电器的动作由单片机控制。

图4 衰减电路

3.2.2 输入电压信号迁移电路

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上图输出的电压信号进入到此电路输入端，因为输入的电压信号中是一个交流的信号，并不能保证没有负电压。而AVR单片机内ADC无法处理负电压。对于负压的处理，我们采用了如下图所示电路。该电路的作用是将输入的交流信号升高一个固定且恒定的电压值Vref。该恒定的电压由TL431基准源如图5所示经精密电阻分压后提供。加在运放OP07A正相端的基准电压在此系统中为1.280V。例如：当输入的信号为-1V到+1V时，经过此电压的电压抬升之后，输出端电压值为就变成了0.280V到2.280V。当测量端子输入的电压为0V，经过模拟电路转换后，在理想情况下，ADC输入端口的电压为0+1.280V=1.280V,即AVR单片机自带10位精度的AD转换完后的数值为512。在数值处理时，以512为电压的零点，高于此值即是正电压；低于此值即是负电压。

图5 输入电压信号迁移电路

3.3 LCD1602显示模块设计

3.3.1 LCD1602的引脚功能

LCD显示器分为字段显示和字符显示两种。其中字段显示与LED显示相似，只要送对应的信号到相应的管脚就能显示。字符显示是根据需要显示基本字符。本设计采用的是字符型显示。

系统中采用LCD1602作为显示器件输出信息。与传统的LED数码管显示器件相比，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路，现在液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的显示器件了。LCD1602可以显示2行16个汉字。

LCD1602模块的引脚如图6所示，其引脚功能如下： RS：数据和指令选择控制端，RS=0命令状态；RS=1数据。

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