万用表课程设计

成绩

课程论文

题目：数字万用表

课程名称： proteus 学生姓名：聂李超

学生学号： 1214010221 系别：电气信息工程学院

专业：自动化

年级： 2012级

任课教师：王丽

电气信息工程学院制

2015年1月

第一章前言

当今社会，随着科技发展的日新月异，特别是计算机技术突飞猛进的发展，计算机技术带来了科研和生产的许多重大飞跃，同时计算机也越来越广泛的被应用到人们的生活、工作领域的各个方面。单片微型计算机以其体积小、功能强、速度快、价格低等优点，在数据处理和实时控制等应用中有着无与伦比的优越性，可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通讯产品中。随着微控制技术（以软件代硬件的高性能控制技术）的日益完善和发展，单片机的应用必将导致传统控制技术发生巨大的变化。单片微型计算机的应用广度和深度，已经成为一个国家科技水平的一项重要标志。

在实际的生产过程中,往往需要精确的直流电源 ,并且易于控制电压幅度的增减 ,应用单片机设计就能够很方便地实现这个要求而且比普通的数字和模拟设计方案更为准确，更易控制。

为了进一步加深对单片机及其接口的理解，掌握一般的软硬件的设计方法，巩固大学四年之所学，也给自己一个实践锻炼的机会，几个月以来，全心投入本次毕业设计—单片机控制的稳压直流电源。本系统以Atmega 8单片机为控制核心，用1602液晶模块显示设定电压值电流值与实时输出值。

I、基本要求：

输出电压：0～25V

数显误差<=0.1

负载电流<=3A

纹波有效值<=50mv

II、扩展要求：

调节功能为自动调节有效

纹波有效值<=20mV

调节电压步进为0.1 V 电流步进0.01A

可以进行人工步进置数总体方案

可以设定存储默认输出值

第二章总体方案

2.1系统设计方案论证及工作原理

本设计题目是设计一个从0～25V变化的、步进为0.1V、0.01A的人性化、高指标、低成本的数控步进直流稳压电源。设计的思路为：在达到性能指标的前提之下，体现出人性化的思想，同时选择低价位的通用元器件来设计制作电路。在这当中，电路应该是简单、可靠、稳定，最重要的是有实用的价值，容易在工业中实现。针对以上的要求，我们最终选择用单片机（Atmega8）来作为控制部件，采用人性化的按键来实现置数，把置数的值经过单片机的处理，通过单片机的CCP1端口与具有PWM 调节功能的运算放大器的电路相连、CCP2的端口与展波器、可调稳压管和扩流器组成的电路相连来输出参考电压，再用A/D转换器来对此时输出电压值进行采样比较并进行调整，使得数显的值和所置的电压时时保持一致，这样就保证了显示的值的真实性，且具有过流保护作用。设计中应包括：数字控制模块、PWM调节控制模块、具有D/A 转换功能的PWM调节模块、数显部分和辅助电源模块。而完成这些部分的电路和芯片都很多，合理的设计及选择设计电路则是完成设计的关键所在。

2.2系统总体框图

图 2.2 系统总体框图

第三章硬件系统的设计

3.1主控芯片Atmega8介绍

3.1.1 综述

ATmega8是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， ATmega8 的数据吞吐率高达 1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

3.1.2 ATmega8的引脚图：

图3.1 A Tmega8 引脚配置

3.1.3 ATmega8 引脚说明

作为10位ADC通道。

3.2 电源电路原理

3.2.1 基本设计方案

让我们从最简单的稳压电源开始。它包括两个主要部件：一个三极管和一个产生基准电压的稳压二极管。

该电路的输出电压为 Uref-0.7V。这个 0.7V 是三极管 B、E 极之间的电压降。稳压二极管和电阻产生了一个不受输入波动与干扰影响的稳定基准电压。三极管需要控制更高的电流（比较二极管和电阻单独提供的而言）。在这个电路中三极管仅放大电流，这个电流=输出电流/三极管hfe（hfe 可以在三极管的数据表中查到）。

这一电路的问题：当输出短路时三极管会烧掉；它只能提供一个固定的输出电压。这些严重问题使得这个电路无法实际使用，但这个电路仍旧是所有电子稳压电源的基本构件。为了解决那些问题你需要一些关于调整输出端输出电流和一个可变的基准电压的“谋略”，当然这也使得电路更加复杂了。最近的十几年来人们已经使用运算放大器来实现这些“谋略”了。运算放大器可以用于模拟量的加、减、乘或进行电压和电流的逻辑或。

今天的微控制器速度已经可以通过软件轻而易举地实现这一切。而且更妙的是电压表和电流表成了免费的副产品。微控制器的控制环无论如何都必须知道电压和电流

图3.2.1

值。你刚好也要显示它。我们要从微控制器得到的是：一个在所有时间都用来测量电压和电流的 A/D转换器；一个根据命令为功率三极管提供基准电压的 D/A 转换器。问题是那个 D/A 转换器的速度要非常快。如果在输出端检测到了短路，那么我们必须立即减小三极管 B 极上的电压，否则这个三极管就会损坏。“快速”意味着要达到毫秒级，如同运算放大器一样。Atmega8 的 A/D转换器已经足够快了，但显然它没有D/A转换器。使用脉宽调制和模拟低通滤波器是可以得到一个 D/A转换器的，但是这样速度太慢了，无法通过软件立即实现短路保护。如何实现一个高速 D/A转换器呢？

3.2.2 R-2R 阶梯 D/A

有很多方法可以实现 D/A 转换器，但我们需要的是高速、低价、易于与微控制器连接的。这个 D/A就是著名的“R-2R 阶梯”。它仅由电阻（两个规格，其中一个值是另一个的两倍）和开关组成。

上面给出了一个 3 位R-2R D/A转换器。控制逻辑在 GND和 Vcc 之间转换开关。逻辑 1接开关至 Vcc，逻辑 0 至 GND。这个电路能做什么呢？它可以提供以 Vcc/8 为步进值的电压。一般来讲输出电压= Z *(Vcc/(Zmax+1)，Z 是数字编号（digital number）。当 3 位 A/D转换器时，Z 是 0-7。

为了取代额外的开关，我们将 R-2R 阶梯电路接至微控制器输出线路。Atmega8 的输出引脚可以提供10mA电流，但注意这时已经出现了电压衰减。我们将使用 0-5V 整个输出范围，所以输出端的负载要小于1mA。换而言之我们会采用 5K和 10K电阻来实现一个 R-2R阶梯电路。

图3.2.2