数字万用表设计毕设.docx

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数字万用表设计毕设

课程论文

题目：

数字万用表

课程名称：

proteus

学生姓名：

学生学号：

1214010221

系别：

电气信息工程学院

专业：

自动化

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Atmega8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。

、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

、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0.1V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AVRRISC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。

3.1.2ATmega8的引脚图：

图3.1ATmega8引脚配置

3.1.3ATmega8引脚说明

VCC

数字电路的电源。

GND

地。

端口B（PB7..PB0）

XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2

端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。

在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。

通过时钟选择熔丝位的设置，PB6可作为反向振荡放大器或时钟操作电路的输入端。

通过时钟选择熔丝位的设置PB7可作为反向振荡放大器的输出端。

若将片内标定RC振荡器作为芯片时钟源，且ASSR寄存器的AS2位设置，PB7..6作为异步T/C2的TOSC2..1输入端。

端口B的其他功能见P55“端口B的第二功能”及P22“系统时钟及时钟选项”。

端口C（PC5..PC0）

端口C为7位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。

在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。

PC6/RESET

若RSTDISBL熔丝位编程，PC6作为I/O引脚使用。

注意PC6的电气特性与端口C的其他引脚不同。

若RSTDISBL熔丝位未编程，PC6作为复位输入引脚。

持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。

门限时间见P35Table15。

持续时间小于门限时间的脉冲不能保证可靠复位。

端口C的其他功能见后。

端口D（PD7..PD0）

端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。

在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。

端口D的其他功能见后。

RESET

复位输入引脚。

持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。

持续时间小于门限时间的脉冲不能保证可靠复位。

AVCC

AVCC是A/D转换器、端口C（3..0）及ADC（7..6）的电源。

不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。

使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。

注意，端口C（5..4）为数字电源，VCC。

AREF

A/D的模拟基准输入引脚。

ADC7..6（TQFP与MLF封装）

TQFP与MLF封装的ADC7..6作为A/D转换器的模拟输入。

为模拟电源作为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。

图3.2.1

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？

3.2.2R-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。

图3.2.2

上面给出了一个3位R-2RD/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（digitalnumber）。

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。

Atmega8的A/D转换器具有10位分辨率。

我们也需要采用这样分辨率的10位D/A转换器。

也就是说我们需要10个没被其它功能占用的输出引脚。

这是个小小的挑战，因为我们还有键盘、LCD、至PC的I2C串行接口等，但Atmega8相当棒，正好适合这些。

3.2.3更详细的稳压电路设计

这里是一个更为详尽的设计。

图3.2.3

这个电路是无法使用的。

但它对理解稍后的最终电路方案大有裨益。

那么这个电路有什么错误呢？

有两个问题：

DAC（数字/模拟转换器）无法为功率三极管提供驱动电流；微控制器工作于5V，所以DAC的最大输出为5V，这意味着功率三极管后的输出电压是5-0.7=4.3V。

为了解决上面两个问题，我们必须增加电压和电流放大器。

3.2.4最终的电压调整电路

图3.2.4电压调整电路原理图

对于30V输出我们必须将DAC的5V起码放大6倍。

我们采用如上图所示的一个PNP和一个NPN三极管组合。

这个电压放大器电路的系数为：

Vampl=（R10+R11）/R11。

系统自身供电电压Vcc=+5V，采取了“板载”7805提供的方式，以更加容易获得“稳定、干净”的“系统电源”；而在7805的前面，采用了三端稳压器7812来进行“预稳压”的供电方式......以便为更大的负载（譬如LCD的背光）提供更大的电流可能性；之所以“增加”了一个7812预稳压，是为一个相对比7805的耐压更加高一些的指标值。

3.2.5ATmega8D/A转换电路

DAC输出

图3.2.5DA转换电路

DA电路：

DA电路采用的是电阻加IO口的方式，输出的形式是电流信号，输出电流越大输出电压越高。

详细信息已在R-2R阶梯DA中介绍。

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阶梯电路此电路最大优点：

高速、低价、易于与微控制器连接。

非常适合本设计使用。

3.2.6电压采样电路

图3.2.6电压采样电路

电压采样电路，这个是对输出的电压采样.反馈到单片机内部，控制DA达到输出电压的稳定，因为负载加重或变轻会使输出电压升高或变低.有这个必要加上这个采样电路。

同样M8的PC0端口设置了电流