基于单片机的电压测量人机界面设计毕业设计.docx

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基于单片机的电压测量人机界面设计毕业设计

基于单片机的电压测量人机界面设计

Designofvoltagemeasurementman-machineinterfacebasedonMCU

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Atmega16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

WiththerapiddevelopmentofChina'smoderntechnology,electronicdetectiontechnologyhasbeendevelopedveryfast,single-chiptechnologyhaspenetratedmanyareasofourlives,almostdifficulttofindwhichareasnotracesofthemicrocontroller,visiblemicrocontrollerapplicationsofourworklifehasbecomeincreasinglyimportant,soinordertobetterengageinfuturework,weneedmoregooduseofit.

Thevoltagemeasurementinreallifeisthemostcommonlyusedandveryeffectivedetectionmethodinfaultdiagnosis.Haveagoodvoltmetertoourworklifeareverygood.DesignaAtmega16microcontroller-basedvoltagemeasurementhardwarecircuitandsoftwaredesign,digitalvoltmeterdigitalvoltmetercircuitissimple,withfewercomponents,lowcost,practical,strong,0to24Vvoltagevaluecanbemeasured,andthemeasuredvoltagevalueisdisplayedintheLCD12864,withpasswordlogin,changeyourpassword,setupperandlowerlimitsofthevoltageandalarmfunctions.

Thisarticlefirstintroducesthebackgroundmeaninganddesignandimplementationofdesignfeatures.AndthendescribesthefunctionsoftheMCUusedinthedesignandthechoiceoftheliquidcrystaldisplay.Lastvoltmeterhardwaredesign.

Keywords:

ATmega16;microcontroller;voltage;LCD12864

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（DigitalVoltageMeter，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。

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。

1.3数字电压测量的原理

数字电压表的基本工作原理是利用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。

2设计总体方面

2.1设计要求

⑴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。

⑵采用2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。

⑶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。

⑷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”。

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。

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。

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

3数字电压表的简介

数字电压表简称DVM，它主要是采用数字化测量的技术进行测量，就是把连续的模拟量（直流输入电压）通过转换，转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。

3.1数字电压表的特点

1．显示清晰直观，读数准确方便

传统的模拟式仪表必须要借助于指针和刻度盘进行读数，因而在读数过程中不可避免的会引入人为的测量误差。

而数字电压表则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，只要仪表不发生跳读现象，测量结果就是唯一的。

2．显示位数

显示位数通常为31/2位、32/3位、33/4/位、41/2位、43/4位、51/2位、61/2位、71/2位、81/2位共9种。

判定数字仪表的位数有两条原则：

①能显示0～9所有数字的位是整数位；②分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子，用满量程时最高数字作分母。

例如，某数字仪表的最大显示值为1999，满量程计数值为2000，这表明该仪表有3个整数位，而分数位的分子为1，分母是2，故称之为31/2位，读作三位半。

3．准确精度高

准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。

4．分辨率较高

数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值，称为仪表的分辨力，它反映仪表灵敏度的高低。

分辨力随显示位数的增加而提高。

分辨率是指所能显示的最小数字（零除外）与最大数字的百分比。

例如31/2位DVM的分辨率为1/1999≈0.05％。

需要指出，分辨力与准确度属于两个不同的观念。

从测量角度看，分辨力是"虚"指标（与测量误差无关），准确度才是"实"指标（代表测量误差的大小）。

5．测量范围宽

多量程DVM一般可测量0～1000V直流电压，配上高压探头还可测上万伏的高压。

6．扩展能力强

在数字电压表的基础上，还可扩展成各种通用及专用数字仪表、数字多用表（DMM）和智能仪表，以满足不同的需要。

7．抗干扰能力强

51/2位以下的DVM大多采用积分式A/D转换器，其串模抑制比、共模抑制比各别可达100dB、80～120dB。

高档DVM还采用数字滤波、浮地保护等先进技术，进一步提高了抗干扰能力，共模抑制比可达180dB。

3.2用于数字电压表内的AD转化器分类

A/D转换器是数字电压表、数字多用表及测量系统的"心脏"。

目前国内外生产的A/D转换器已达数百种，大致可分为五大类：

①单片A/D转换器；②单片DMM专用IC；③多重显示仪表专用IC；④专供数字仪表使用的特制IC（ASIC）；⑤其他通用型A/D转换器，这种芯片仅能完成模/数转换，不能直接配数字仪表。

1．单片A/D转换器

所谓"单片A/D转换器"，是采用CMOS工艺将DVM的基本电路（含模拟电路和数字电路）集成在同一芯片上，配以LCD或LED数显器件后能显示A/D转换结果的集成电路。

它们均属大规模集成电路，能以最简单方式构成DVM。

若对其外围电路进行扩展，增加各种功能转换器，还可构成DVM。

2．单片DMM专用IC

单片DMM专用IC是CMOS大规模集成电路和仪表技术的结晶，使用一片IC即可构成功能完善的自动量程数字多用表。

特别是专配μP的DVM集成电路的问世，为开发具有高性价比的智能仪表和测试系统创造了有利条件。

3.3单片机内的A/D转换器结构和性能

1、A/D转换器结构

ATmega16有一个10位的逐次逼近型ADC。

ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样。

单端电压输入以0V（GND）为基准。

ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。

ADC有AVCC引脚单独提供电源。

AVCC与VCC之间的偏差不能超过0.3V。

A/D转换的参考电压源可以选择2.56V的内部基准电压、AVCC或外接于AREF的电压。

2、ADC基准电压源

标称值为2.56V的基准电压以及AVCC都位于器件之内，基准电压可以通过加在AREF引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。

ADC的参考电压源（VREF）反映了ADC的转换范围。

若单端通道电平超过了VREF，则其结果将近0x3FF。

3、A/D转换器性能

ATmega16的A/D转换器性能指标为：

（1）10位精度

（2）0.5LSB的非线性度

（3）±2LSB的绝对精度

（4）65-260μs的转换时间

（5）最高分辨率时采样率高达15KSPS

（6）8路复用的单端输入通道

（7）7路差分输入通道

（8）2路可选增益为10x与200x的差分输入通道

（9）可选的左对齐ADC读数

（10）0-VCC的ADC输入电压范围

（11）可选的2.56VADC参考电压

（12）连续转换或单次转换模式

（13）通过自动触发中断源启动ADC转换

（14）ADC转换结束中断

（15）基于睡眠模式的

4主要元器件简介及设计

4.1ATmega16单片机

此设备是采用Atmel的高密度非易失性存储器技术生产制造。

片上ISPFlash允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器编程也可以通过编程AVR内核的引导程序运行。

引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash内存（ApplicationFlash存储器）。

更新应用Flash区启动引导闪存（闪存）的连续运转，使RWW操作。

闪存8位RISCCPU和系统可以被编程为被集成到一个单一芯片内，ATmega16的成为一个非常强大的单芯片解决方案，进行了大量的嵌入式控制应用提供了灵活的和便宜的成本。

对于边界扫描JTAG接口，支持片上调试和编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C），片内/外中断，可编程串行USART起始条件检测的通用串行接口，8通道10位ADC，具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装），可编程看门狗定时器，片上振荡器，一个SPI串行接口，以及六个软件可选省电模式。

在空闲模式下，CPU停止工作，USART，两线接口，A/D转换器，SRAM，T/C，SPI端口，中断系统继续工作;冻结振荡器掉电模式，所有功能除了中断停止工作和硬件复位，在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余的设备正在睡觉，ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器和ADC以外所有I/O模块，以减少ADC转换时的开关噪声，待机模式下，晶体谐振振荡器运行，其余的设备处于休眠状态，从而使设备只消耗极少的功率，而且还具有快速启动的能力;扩展待机模式时，振荡器和异步定时器继续工作。

ATmega16的有全套的程序和系统开发工具，包括：

C语言编译器，宏汇编器，调试器/模拟器，仿真器和评估板。

AVRAtmega16的系列单片机，体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，成本低，可靠性高，柔韧性好。

在ATmega16AVR内部有很多的指令集，并有32个通用工作寄存器。

且所有寄存器都直接与算术逻辑单元（ALU），这将允许在同一时间访问两个独立的寄存器的指令在一个时钟周期。

采用这种结构，大大提高了效率比平常的微控制器具有高达10倍的代码和数据通过。

ATmega16的微控制器具有以下优点：

16K字节的系统可被编程到闪存（能力强的读取和写入，即在同一时间，RWW），512字节的EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器JTAG边界扫描接口，支持片上调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C），片内/外中断，可编程串行USART可编程看门狗定时器启动条件探测器通用串行接口，8通道10位ADC可选差分输入级可编程增益（TQFP封装），片上振荡器，一个SPI串行端口，以及六个软件可选省电模式。

在空闲模式下，CPU停止工作，USART，两线接口，A/D转换器，SRAM，T/C，SPI端口，中断系统继续工作;冻结振荡器掉电模式，所有功能除了中断停止工作和硬件复位，在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余的设备正在睡觉，ADC噪声抑制模式时终止CPU和除异步定时器和ADC以外所有I/O模块，以减少ADC转换时的开关噪声;待机模式下，晶体谐振振荡器运行，其余的设备处于休眠状态，从而使设备只消耗极少的功率，也有快速启动;扩展待机模式时，振荡器和异步定时器继续工作。

高性能、低功耗的8位AVR微处理器先进的RISC结构：

（1）131条指令

（2）大多数指令执行时间为单个时钟周期

（3）32个8位通用工作寄存器

（4）全静态工作

（5）工作于16MHz时性能高达16MIPS

（6）只需两个时钟周期的硬件乘法器

（7）非易失性程序和数据存储器

（8）16K字节的系统内可编程Flash，擦写寿命:

10,000次

（9）拥有独立锁定位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统内编程，真正的同时读写操作

（10）512字节的EEPROM，擦写寿命:

100,000次

（11）1K字节的片内SRAM

（12）可以对定位进行编程以实现用户程序的加密

（13）JTAG接口（与IEEE1149.1标准兼容）

（14）符合JTAG标准的边界扫描功能

（15）支持扩展的片内调试功能

（16）通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和定位的编程

外设特点：

（1）两个拥有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器

（2）一个拥有预分频器、比较功能和捕捉功能的16