基于ATmega16單片機的智能型數字電壓表設計

陳萬勛，楊 頂，蔣小輝

（1.中國電建集團貴州工程有限公司，貴州 貴陽 550003；2.三峽大學 計算機與信息學院，湖北 宜昌 443002；3.三峽大學科技學院 機電系，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

基于單片機的數字電壓表從傳統的測量領域擴展到自動控制、通信及傳感領域，具有很大的應用前景。隨著單片機技術的發展和軟件方功能的完善，使得的數字電壓表具備讀數直觀準確、分辨率高、性能可靠穩定、擴展方便等優點，易實現網絡化和智能化。

1 數字電壓表的結構及特點

基于單片機的數字電壓表包括硬件系統和軟件系統。硬件系統結構主要包括單片機系統、信號采集及轉換回路、顯示回路、通信接口及功能回路，功能回路一般有過限報警、繼電器輸出等。軟件系統主要包括數據采集處理、通信及功能程序。數字電壓表按照其工作原理通常分成4種類型[1]：（1）比較式數字電壓表，工作原理是被測試的電壓和已經知道的基準電壓對比，測量速度較快；（2）電壓-時間變換式數字電壓表，工作原理是被測的電壓被轉換為脈沖信號進行對比測量；（3）電壓-頻率變換式數字電壓表，工作原理將被測電壓轉換為頻率脈沖信號而直接測量；（4）復合式數字電壓表，包含了上面3種模數轉換的工作原理。數字電壓表主要具有抗干擾能力強、可擴展性好、集成方便、能夠與PC端進行通信和測量精度高5個優點。

2 系統的硬件設計

基于ATmega16單片機的智能型數字電壓表硬件電路由單片機、模數轉換器、顯示電路、通信接口及鍵盤電路5個主體部分構成，如圖1所示[2]。單片機采用ATmega16型單片機，設計其最小工作系統電路；模數轉換器基于ADC模數轉換模塊，包括其工作電源回路；顯示電路主要包括LED顯示器及其與ATmega16型單片機P口之間的連接電路；通信接口主要采用基于RS485協議的9針RJ型接口，可與PC機之間直接通信；鍵盤電路主要由鍵盤矩陣和轉換電路構成。

圖1 基于ATmega16單片機的智能型數字電壓表

3 軟件系統

基于ATmega16單片機的智能型數字電壓表的軟件系統程序主要包括主程序、A/D轉換子程序和中斷顯示程序，如圖2所示。主程序包括初始化部分、調用A/D轉換子程序、顯示程序、通信程序和功能程序[3-4]。初始化的主要作用是上電時將系統輸出置為低位。A/D轉換子程序用于對多路輸入模擬電壓值進行模數轉換。顯示程序采用軟中斷功能，當輸出處理完成后將程序中斷，使電壓值傳輸給LED進行顯示。當輸出處理完成后，將電壓值通過基于RS485協議的9針RJ型接口傳輸至PC。功能程序由開發員根據工程需要實時開發。

圖2 基于ATmega16單片機的智能型數字電壓表工作流程

4 仿真與調試

根據圖1設計電路，并利用Proteus進行仿真。通過電位器輸入可變模擬量電壓值與數字電壓輸出值對比測試，結果如表1所示。

當通過電位器輸入2 V電壓時，Proteus仿真結果如圖3所示。

5 結 論

本文基于ATmega16單片機設計了一款智能型數字電壓表，包括信號采集及轉換回路、顯示回路、通信接口及過限報警等功能回路和相應的軟件程序，并基于Proteus設計相應的回路進行10組數據的測試及仿真。驗證發現，它的精度滿足要求，同時抗干擾能力強、可擴展性好、集成方便、易與PC機實現通信，整體應用價值較高。

表1 測試電壓數據表

圖3 2 V輸入電壓下的Proteus仿真圖