李 穎，梁 庭*，林斯佳，喻蘭芳，崔海波

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

基于AVR單片機(jī)的多路直流電平檢測(cè)電路設(shè)計(jì)*

李 穎1，2，梁 庭1，2*，林斯佳1，2，喻蘭芳1，2，崔海波1，2

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

在現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)中，經(jīng)常需要對(duì)智能儀器內(nèi)部的多路直流電平進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，從而得知工作是否正常。為此以AT-mega16單片機(jī)為核心器件，采用內(nèi)部ADC、加減運(yùn)算電路以及三參數(shù)軟件精度校準(zhǔn)方法來設(shè)計(jì)一種測(cè)量系統(tǒng)，可以對(duì)-10 V～+10 V量程范圍內(nèi)的多路直流電平進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并用數(shù)碼管顯示。該系統(tǒng)通過proteus仿真以及對(duì)兩路電平進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，誤差范圍≤0.02 V，且體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、響應(yīng)速度快，可作為實(shí)際應(yīng)用。

電平檢測(cè);ATmega16;軟件精度校準(zhǔn);正負(fù)量程;多路

目前，由MCS-51和A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表已被廣泛應(yīng)用于電子及電工測(cè)量、工業(yè)自動(dòng)化儀表、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等智能化測(cè)量領(lǐng)域［1］。這些基于MCS-51單片機(jī)的數(shù)字電壓表一般采用專用的A/D轉(zhuǎn)換器，并且電路需要搭配專門的譯碼和鎖存電路把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成合適的數(shù)字信號(hào)，這樣使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜［2］。同時(shí)，這些數(shù)字電壓表大都只是針對(duì)單路直流電平的測(cè)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，且測(cè)量范圍一般僅局限于正電壓，本文以ATmega16單片機(jī)為核心器件設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多路正負(fù)直流電平的精確檢測(cè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案由七部分組成:ATmega16單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘模塊、兩組四位一體LED數(shù)碼管及其驅(qū)動(dòng)模塊、加減運(yùn)算電路和待測(cè)輸入信號(hào)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。加減運(yùn)算電路用于將-10 V～+10 V直流電平轉(zhuǎn)換為0～5 V，AT-mega16作為核心控制器件，通過PA0和PA1口完成對(duì)兩路電平信號(hào)的采集，然后利用內(nèi)部自帶的ADC實(shí)現(xiàn)對(duì)電平信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后通過數(shù)據(jù)處理控制LED顯示兩路直流電平的數(shù)值。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框

2 系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成

系統(tǒng)的硬件電路原理圖如圖 2所示。AT-mega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 bitCMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 (MI/S)/MHz，從而可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾［3］。單片機(jī)的PA0～PA7八個(gè)I/O口均可作為待測(cè)直流電平的輸入口，本系統(tǒng)通過編程循環(huán)設(shè)置PA0、PA1為信號(hào)輸入口，用PB4、PB5、PB7 3個(gè)I/O口以及兩個(gè)鎖存器來動(dòng)態(tài)點(diǎn)亮兩組四位一體數(shù)碼管，顯示待測(cè)直流電平的數(shù)值。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

2.1 內(nèi)部自帶ADC

ATmega16內(nèi)部集成了一個(gè)10 bit逐次比較型的ADC電路，具有0.5LSB積分非線性誤差、± 2LSB的絕對(duì)精度、13 μs～260 μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間，以及最大精度下可達(dá)到15 ksample/s的采樣速率，因此使用AVR可以非常方便的處理輸入的模擬信號(hào)量［4］。ATmega16的ADC與一個(gè)8通道的模擬多路選擇器連接，能夠?qū)σ訮ORTA作為ADC輸入引腳的8路單端模擬輸入電壓進(jìn)行采樣［5］。ADC包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入的電壓保持恒定，使用方便。ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考電源可選用內(nèi)部的2.5 V電源或者AVCC，也可以使用外部參考源［6］。本文通過設(shè)置多路選擇復(fù)用寄存器ADMUX，用VCC作為參考電源從VREF引腳輸入，并選擇PA0口和PA1口作為兩路直流電平的數(shù)據(jù)采集口;通過設(shè)置控制和狀態(tài)寄存器ADCSRA來實(shí)現(xiàn)ADC的使能、轉(zhuǎn)換的開始與結(jié)束、以及采樣時(shí)鐘頻率的選擇。本文設(shè)置的ADC技術(shù)指標(biāo)為:采樣時(shí)鐘187.5 kHz，采樣速率7.5 ksample/s。

2.2 加法運(yùn)算電路

集成運(yùn)放加上適當(dāng)?shù)姆答伨W(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)學(xué)運(yùn)算［7］。為了將-10 V～+10 V范圍內(nèi)的待測(cè)電壓轉(zhuǎn)化為單片機(jī)模擬輸入引腳所能識(shí)別的0～5 V電壓，選用LM324及其反饋回路組成加法運(yùn)算電路。如圖3所示。這里，PA0端的輸出電壓U0=-R4(Ui/R1+Uref/R2)，由于模擬信號(hào)是反相輸入的，為了保證+10 V電壓輸入時(shí)輸出電壓不小于0，取Uref=-10 V。

圖3 加法運(yùn)算電路原理圖

2.3 顯示驅(qū)動(dòng)電路

如圖2所示，74HC595集成8 bit移位寄存器和一個(gè)存儲(chǔ)器，用單片機(jī)PB7、PB4、PB5口分別作為移位控制引腳、數(shù)據(jù)輸出控制引腳以及數(shù)據(jù)的傳送引腳來控制數(shù)碼管的顯示。每當(dāng)SH_CP引腳的上升沿到來時(shí)，DS引腳的當(dāng)前電平值在移位寄存器中左移一位，在下一個(gè)上升沿到來時(shí)移位寄存器中的所有位都會(huì)向左移一位，同時(shí)Q7'也會(huì)串行輸出移位寄存器中高位的值，連續(xù)進(jìn)行8次就可以將一組8 bit數(shù)據(jù)送到移位寄存器，當(dāng)ST_CP引腳的上升沿到來時(shí)，移位寄存器中的數(shù)據(jù)通過Q0～Q7輸出。圖2中左右兩個(gè)74HC595分別用于控制數(shù)碼管的位選和段選。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括初始化、啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的處理與顯示，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的校準(zhǔn)等。整篇代碼采用單片機(jī)C語言編寫，具有編程效率高、可讀性強(qiáng)、便于修改等優(yōu)點(diǎn)［8］。主程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)的初始化包括設(shè)置參考電源、轉(zhuǎn)換結(jié)果的存放格式、設(shè)置模擬電壓輸入口、轉(zhuǎn)換模式以及采樣時(shí)鐘頻率等，進(jìn)而循環(huán)往復(fù)對(duì)兩路電壓進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換、處理和顯示。

圖4 主程序流程圖

3.1 數(shù)據(jù)處理子程序

數(shù)據(jù)處理子程序流程圖如圖5所示。AD轉(zhuǎn)換成的10 bit數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ADCH、ADCL兩個(gè)寄存器中，將其賦予dat。ref0、ref負(fù)、ref正3個(gè)參數(shù)分別對(duì)應(yīng)0、+10 V、-10 V輸入時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，由于待測(cè)電壓是從運(yùn)放的反相端輸入的，負(fù)電壓轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)大于ref0，正電壓轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)小于ref0。根據(jù)關(guān)系式Ui/10 V=dat/(ref負(fù)-ref0)即可得到顯示結(jié)果。

圖5 數(shù)據(jù)處理子程序流程圖

3.2 實(shí)際應(yīng)用中對(duì)系統(tǒng)的校準(zhǔn)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)物的過程中由于電阻阻值誤差的不可避免性直接影響到加法運(yùn)算電路的精度，進(jìn)而影響到系統(tǒng)測(cè)量的精度，該設(shè)計(jì)采用三參數(shù)校準(zhǔn)方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)物的設(shè)計(jì)［9］。硬件實(shí)物完成之后，選用性能可靠的萬用表作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備，首先調(diào)節(jié)待測(cè)直流穩(wěn)壓電源使其萬用表的讀數(shù)為0，然后通過編程微調(diào)ref0的參考值，直到數(shù)碼管顯示為0時(shí)確定ref0的值，然后運(yùn)用相同的方法確定ref正和ref負(fù)兩參數(shù)的值即可保證系統(tǒng)實(shí)物的使用精度。

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

應(yīng)用該檢測(cè)電路實(shí)際檢測(cè)由直流穩(wěn)壓電源提供的-10 V～+10 V待測(cè)電壓，并用數(shù)字萬用表進(jìn)行監(jiān)測(cè)，輸入電壓值為萬用表對(duì)直流穩(wěn)壓源測(cè)量的電壓值，實(shí)際測(cè)量值為由電平檢測(cè)電路處理后經(jīng)4 bit數(shù)碼管顯示的電壓值，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，數(shù)據(jù)擬合曲線如圖6所示。由測(cè)試數(shù)據(jù)可以清晰地看出，本文設(shè)計(jì)的多路直流電平檢測(cè)電路可用于實(shí)際測(cè)量，且絕對(duì)誤差≤0.02 V。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)

圖6 測(cè)量數(shù)據(jù)擬合曲線

5 結(jié)語

該系統(tǒng)采用ATmega16單片機(jī)為核心器件實(shí)現(xiàn)對(duì)多路直流電平的檢測(cè)及顯示功能。設(shè)計(jì)過程中采用Proteus軟件進(jìn)行仿真調(diào)試，使用內(nèi)部自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，操作方便。用三參數(shù)軟件校準(zhǔn)的方法用于系統(tǒng)實(shí)物的調(diào)試，能夠精確測(cè)量范圍在-10 V～+10 V的兩路直流電平，且速度快、性能可靠，有較高的實(shí)用價(jià)值。

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李 穎(1987- )，女，河北保定人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣怆妭鞲衅鳎琾raiseu@126.com;

梁 庭(1979- )，男，山西長(zhǎng)治人，中北大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師、博士，主要從事光學(xué)氣體傳感器及高溫壓力傳感器等的研究，liangtingnuc@163.com。

Design of Detection Circuit for Multi-channel DC Level Based on AVR Microcontroller*

LI Ying1，2，LIANG Ting1，2*，LIN Sijia1，2，YU Lanfang1，2，CUI Haibo1，2

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement(North University of China)，Ministry of Education Taiyuan 030051，China; 2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China)

In modern detection technology，real-time detection for multi-channel DC level inside the intelligent instrument is required frequently to ensure its working properly.ATmega16 microcontroller is used as the core device，using the internal ADC，the addition and subtraction operational circuit，and the precision calibration method of three-parameter software to design a measurement system.Multiple DC level of-10 V～+10 V range can be monitored real-timely with digital display.Proteus simulation and actual measurement were both used in the system，which showed the error did not exceed the scope of 0.02 V，together with the characteristics of small size，simple structure，reliable work and fast response made it work properly in practical application.

level testing;ATmega16;software calibration precision;positive and negative range;multi-channel

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.018

TM932

A

1005－9490(2014)02－0254－04

項(xiàng)目來源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51075375)

2013-06-05修改日期:2013-06-26

book=257,ebook=91

EEACC:1130B