数字电压表

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2:量程判断可以采用硬件实现 对于交流电压信号的大小在某一个范围的 判断可以用一个窗口比较器,比较其限定的 最小值及最大值,利用硬件自动实现量程 切换.由于比赛时间相对紧张,这个留着 后面的时间来完善.
Key4
Key3
Key2
Key1
PF0
Port
1
0
K
1
0
K
1
0
K
+
1 5
0
K
LCD_DB7
(OC1A)
PG2 PB4 (OC0)
(ALE)
PB1
(SCK)
PG0 PD4 (IC1)
(WR)
PG1
(RD)
PD7
(T2)
PD6 PB0 (SS)
(T1)
XTAL1 RESET
XTAL2
PEN
2
2
1
2
4
3
3
9
8
7
6
5
4
3
2
3
3
3
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1
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1
1
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1
1
1
4
3
0
3
4
3
2
1
0
9
8
7
6
5
9
8
7
6
5

AdMidRms=AdMidRms*AdMidRms; //每个采样的后数平方 AdRms += AdMidRms; //作累加 AdRms /= 100.0 ; //100个采样点,浮点数作除法运算 AdRms = sqrt(AdRms); //开方,在<math.h>
设计结果:

有效值(root-meau-square)计算:

有效值,也称均方根值,即RMS.在时 域中, 有效值数学表达式如下:
U RMS 1 T
T
U
0
2
dt

经过ADC转换变成离散的量后,其表达 修正如下:
Vrms是被测量信号的真有效值,N是每周期采样点 数,v(i)是被测信号瞬时采样的数字量。
其C程的实现可叙述如下:

本次设计中,我们很好的完成了题目所有要求, 除了精度与量程切换方面有点欠缺外,其余部分, 包括发挥部分中的计算输入电压信号的有效值及 将电压信号的变化曲线描绘在点阵型液晶上我们 都做到了。 而且显示的效果很好。在硬件上有两 点还可以改进的地方就是: 1:采用一个高精度的ADC,使测量的精度更 高.也可以换用其它型号的MCU,例如msp430 中有自带的12精度的AD转换器,是个不错的选 择.



if(adbuffer[i-1]>Ad_adjust) {// AdMidRms是求rms时要用到的中间变量 AdMidRms = (double) (adbuffer[i-1]Ad_adjust) ;//Ad_adjust是将最最前端输入为0伏时,信号经电平 迁移电路抬升后的电压经ADC转换后的数字值。 } else { AdMidRms = (double) (Ad_adjust-adbuffer[i-1]) ; }//if …else …的作用就是让AdMidRms的值为采集到电压的绝对值
1
+
5
9
Q
0
1
1
1
2
3
4
1 1
1
+
-
5
5
U1A
1






Port

+

5
TL431
1

Kwk.baidu.com

R
4
1
0
K
1.280V
5.1K
2
2
0
u
F
5.1K
2
R
交流地迁移电路
0
5
0
u
F
C
2
1
R
0

6
K
6
8
4
1 8
+
-
5
5
OP07A
3
4K7
4K7
1
0
K
-5V
+
5
D
D
1
3
1
0
4
Port
PF0
软件
主程序简要流程图:
数字电压表

物电学院0604班 李,高熙,陈永刚

数字电压表(Digital Voltmeter):
简称DVM,它是采用数字化测量技术,把连续的 模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以显 示的仪表。传统的指针式电压表功能单一、精度 低,读数不方面.不能满足数字化时代的需求, 采用单片机的数字电压表,其精度高、抗干扰能 力强,可扩展性强、集成方便,还可与PC进行实 时通信等优点。目前,由各种单片A/D 转换器构 成的数字电压表,已被广泛用于电子及电工测量、 工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领 域,显示出强大的生命力。
LCD_Vo
LCD_E
LCD_VEE
LCD_RSET
LCD_LIGHT
128
x
64
Liquid
Crystal
Display
RELAY(PB6)
Port

感谢学校给我们提供了一个让我们能动手实 践的平台!感谢在这次电子设计中为我们提 供各种帮助的老师和同学!谢谢大家!!
基本概念简述:

电压信号的量通常用该信号中的最大值,最小 值,平均值与真有效值等来描述 .
+
,
U
-

上图一段电路所示的是一个具有代表性的正弦 电压信号数学表达式如下: U U m cos( t ) 称为正弦量的三要素。U m 称 为正弦量的振幅. 称为正弦量的角频率, 称为正弦量的初始相位。这几个量是一个信号 中比较重要的量。
LCD_DB6
LCD_DB6
LCD_DB5
+
5
6
5
2
6
6
5
2
6
6
5
5
5
5
5
5
4
4
4
3
3
3
3
3
4
4
4
4
4
4
5
5
3
3
2
2
4
2
1
1
0
9
8
7
6
5
4
2
1
0
9
8
7
6
5
4
5
6
7
8
9
0
1
ATmega128-16AC
U
G
G
G
AREF
AVCC
VCC
VCC
PF0
(ADC0)
PF1
(ADC1)
PF2
(ADC2)
PF3
(ADC3)
PF4
(ADC4/TCK)
PF5
(ADC5/TMS)
PF6
(ADC6/TDO)
PF7
(ADC7/TDI)
PC7
(A15)
PC6
(A14)
PC5
(A13)
PC4
(A12)
PC3
(A11)
PC2
(A10)
PC1
(A9)
PC0
(A8)
PA7
(AD7)
PA6
(AD6)
PA5
(AD5)
PA4
(AD4)
PA3
(AD3)
(RXD1/INT2)
PE1 PB7 (OC2/OC1C)
(TXD0/PDO)
PE0
(RXD0/PDI)
PD1
(SDA/INT1)
PD0
(SCL/INT0)
PE7
(IC3/INT7)
PE6
(T3/INT6)
TOSC1/1PG4
PD5 PB6 TOSC2/PG3 (OC1B)
(XCK1)
PB5 2 PB3 (MISO) PB2 (MOSI) x 16 Liquid Crystal Display
最小值:




采样100次后通过比较得到最小值,源码如 下: if(Ad_Min >= adbuffer[i-1]) //同上 { Ad_Min = adbuffer[i-1]; }
平均值:




平均值即是电压信号中直流分量,实现源 码如下: AdAverage += adbuffer[i-1];//作累加 采样累加完成后: AdAverage /= ADHITS;// ADHITS为 一宏定义,采样的点数
PA2
(AD2)
PA1
(AD1)
PA0
(AD0)
?
N
N
N
D
D
D
LCD_DB[7..0]
LCD_RW
LCD_RS
LCD_E
LCD_Vo
LCD_LIGHT
PE3 PE2 (XCK0/AIN0)
(OC3A/AIN1)
PE5
(OC3C/INT5)
PE4
(OC3B/INT4)
PD3
(TXD1/INT3)
PD2
Um


要测的物理量如下:
最大值:正弦信号幅度的极大值 最小值:正弦信号幅度的极小值 平均值:正弦信号中的直流分量 有效值:正弦信号电压在一个周期产生的 平均效应换算为等效的直流量有值,用来衡量和 比较周期电压的效应.


根据题目要求,系统设计需要基于自动控制原理,实现电 压量程的自动切换、数据采样、电压显示等功能。主要来 说,系统由模拟信号调理电路、A/D转换电路、按键输入 电路、单片机控制系统、LCD显示系统等几个模块组成。 对于发挥部分中的求输入电压的有效值,目前常用的方法 是采用RMSDC的方法,即用集成电路直接把交流信号变 成直流输出,然后对直流输出信号进行处理,比如采用 A/D公司的AD536A真有效值转换芯片。这种方法测量范 围窄、精度低、转换芯片价格高、功能单一。还有采用直 接对交流信号进行整流的方法来实现直流变换,价格便宜, 但是精度更低,很难满足实际应用中的要求。而且题目中 要求要将输入电压的信号变化曲线描绘在点阵型液晶中, 这很明显的告诉我们必须建立一个数据采集系统。因此, 我们决定用数据采集的思想来完成这个题目。
系统方框图:
12864点阵型液晶
电压输入 模拟信号调理电路 ATmega128单片机 1602字符型液晶
按键输入
单片机选型简介:

AVR单片机是高速单片机,硬件采用哈佛(Harward)结构, 达到一个时钟周期可以执行一条指令,绝大部分指令都为 单周期指令,而MSC-51要12个时钟周期执行一条指令, 且其硬件资源远没有AVR丰富;同时它支持程序的在系统 编程(ISP),开发门槛较低,有多个编译器可供选择。 性价比高;有丰富的外设,如 AD 转换器、PWM、 UART接口等,部分型号还可以使用片内振荡器提供系统 1~8 MHz的系统时钟,使该类单片机无外加晶振器件即可 工作;I/O口功能强、驱动能力强。工业级产品。加之 AVR单片机高速,并且片内含有硬件乘法器,这对于仪表 中的大量数值运算是非常有利的。我们选用电工中心田老 师的ATmega128开发板为硬件平台,编译器采用开源的 winavr编译器。

先对经ADC量化编码后的每一点数据平方, 平方后的数作累加,全部累加完成后,除 以采样的点数,再将这个数进行开方运算, 所得的结果就是所要求的RMS值。这个值 的求法是从基本的定义出发,因此不光是 对于正弦波信号有用,对于其它的周期性 的信号也同样适用.可以求出任意一个波 形的有效值.
源码简介:
开始 系统及各功能器件初始化
AD轮换100次?
N
Y
计算出MAX,MIN,RMS,AVD值
刷新液晶的数据
结束
几个要测量量的程序介绍:



最大值: 采样100次后通过比较得到最大值,源码如下: if(Ad_Max <= adbuffer[i-1]) // adbuffer 数组为AD采样后数值存放的数组 { Ad_Max = adbuffer[i-1]; }
Port
Port
Port
电源电路:
0.1uF
0.1uF
Vin
Vin
7
G
7
9
8
D
N
0
0
5
N
D 5
Vout
Vout
G
硬件
0.1uF
0.1uF
2
2
0
u
F
+
-
5
5
PB6(
inputwave

input

BNC
P
?



)
1
0
k
1
1
4
9
0
7
0
K
0
k
k
0.01uF
Relay-SPDT
K
衰减及量程切换电路 :

我们所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。
4
3
2
1
0
LCD_DB7
LCD_DB6
LCD_DB5
LCD_DB4
LCD_DB3
LCD_DB2
LCD_DB1
LCD_DB0
RELAY
LCD_RSET
LCD_CS2
LCD_CS1
LCD_E
LCD_RW
LCD_RS
+
5
单片机最小系统:
LCD_DB[7..0]
LCD_CS2
LCD_CS1
LCD_RW
LCD_RS
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