基于Arduino的電壓有效值測量電路設計與實現(xiàn)v1

1、綜合實驗1一、實驗題目基于Arduino的電壓有效值測量電路設計與實現(xiàn)二、項目背景Arduino是源自意大利的一個基于開放原始碼的軟硬件平臺，該平臺包括一片具備簡單I/O功效的電路板以及一套使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。Arduino可用來開發(fā)獨立運作、并具互動性的電子產(chǎn)品，也可以開發(fā)與PC相連的周邊裝置，同時能在運行時與PC上的軟件進行交互。Arduino的電路板硬件可以自行焊接組裝，也可以購買已組裝好的成品；而開發(fā)環(huán)境軟件則可通過網(wǎng)絡免費下載與使用。目前Arduino的硬件部分支持Atmel的ATmega 8、ATmega 168、ATmega 32

2、8等微處理器。此外，Arduino方案獲得2006年Prix Art Electronica電子通訊類方面的榮譽獎。Arduino的硬件電路參考設計部分是以知識共享（Creative Commons；CC）形式提供授權，相應的原理圖和電路圖都可以從Arduino網(wǎng)站上獲得。Arduino特點：l 開放原始碼的電路圖設計，程式開發(fā)界面免費下載，也可依需求自己修改；l 具有多通道的數(shù)字I/O、模擬輸入、PWM輸出；l 具有10bit的ADC；l Arduino 可使用ISCP線上燒入器，自行將新的IC芯片燒入“bootloader”；l 可依據(jù)官方電路圖，簡化Arduino模組，完成獨立運作的微處

3、理控制；l 可快速、簡單、方便地與傳感器、各式各樣的電子元件、電子電路進行連接；l 支援多樣的互動程序，如Flash、Max/Msp、VVVV、Processing等；l 使用低價格的微處理控制器；l 可通過USB接口供電。三、實驗目的1、熟悉Arduino最小系統(tǒng)的構建和使用方法；2、掌握峰值半波整流電路的工作原理；3、根據(jù)技術指標通過分析計算確定電路形式和元器件參數(shù)；4、畫出電路原理圖（元器件標準化，電路圖規(guī)范化）；5、熟悉計算機仿真方法；6、熟悉Arduino系統(tǒng)編程方法。四、實驗要求設計實現(xiàn)Arduino最小系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)實現(xiàn)對正弦波電壓有效值的測量和顯示。1、基本要求（1）實現(xiàn)A

4、rduino最小系統(tǒng)，并能下載完成Blink測試程序，驅動Arduino數(shù)字13口LED閃爍；（2）電源部分穩(wěn)定輸出5V工作電壓，用于系統(tǒng)供電；（3）設計峰值半波整流電路，技術指標要求如下：l 輸入信號電壓范圍：01V；l 頻率范圍：500Hz2KHz；l 電源電壓：5V；（4）采用Arduino最小系統(tǒng)讀取峰值半波整流電路的輸出結果，并計算正弦波電壓有效值；（5）測量出的有效值通過Arduino串口監(jiān)視器進行讀取。2、提高要求（1）用數(shù)碼管顯示正弦信號有效值的測量結果；（2）用Arduino最小系統(tǒng)直接讀取正弦信號計算有效值，比較不同測試方法的測量誤差；（3）自擬其他功能。3、提交材料（1）

5、實驗報告（含仿真結果、原理圖）（2）峰值半波整流等相關電路的仿真文件；（3）Arduino程序；（4）電路原理圖文件。五、實驗考核在題目的完成過程中，進行分階段考核：1、檢查電源電路部分，輸入710V，測量輸出結果；2、檢查Arduino最小系統(tǒng)的完成情況，可以驅動數(shù)字13口LED的Blink閃爍；3、檢查峰值半波整流電路輸出，用示波器測量是否滿足電壓和頻率范圍要求；4、檢查整流濾波電路，用示波器測量是否滿足電壓和頻率范圍要求；5、完成系統(tǒng)設計，檢查Arduino最小系統(tǒng)讀取的正弦波電壓有效值，并與示波器或者毫伏表的測量結果進行比較；6、檢查電路各個模塊搭接的電路是否合理及規(guī)范；7、檢查電路設

6、計過程中儀器及材料的使用情況。六、設計思路提示1、系統(tǒng)組成框圖Arduino電壓有效值測量電路包括峰值半波整流電路、最小系統(tǒng)、顯示、穩(wěn)壓電路四部分（圖1），其中最小系統(tǒng)包括微處理器、振蕩電路、下載電路和測試電路。圖1 Arduino應用系統(tǒng)2、Arduino最小系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)各個Arduino產(chǎn)品其實都是對Arduino最小系統(tǒng)的各種功能擴展與集成，萬變不離其宗，如果自己會做Arduino最小系統(tǒng)，就可以很方便地定制出特殊功能的專用Arduino。我們就用市面上最常見的ATMEGA8芯片來介紹怎樣自己搭建一個最小系統(tǒng)，DIP封裝的ATMEGA8芯片的引腳圖如圖2所示。圖2 ATMEGA8引腳

7、圖一個最小系統(tǒng)只需要一個16M晶振與兩個22PF電容，按照圖3連接9、10引腳即可。圖3 Arduino最小系統(tǒng)最小系統(tǒng)的硬件部分很簡單，但是Arduino并不單單是硬件，一定要有配套的軟件，需要使用Arduino IDE（集成開發(fā)環(huán)境）把Bootloader下載進入這個最小的硬件系統(tǒng)中。USBtinyISP是一款為AVR單片機設計的基于USB接口的ISP下載線，使用它可以為大部分AVR單片機下載程序。在Arduino IDE中，USBtinyISP是被Arduino支持的下載線，可以用來下載Bootloader。安裝USBtinyISP所需要的驅動程序后，在系統(tǒng)的硬件管理器中，能夠找到“US

8、BtinyISP AVR Programmer”，表明該下載線已經(jīng)可以使用，并可同時為Arduino供電。用6芯的連接線將USBtinyISP和Arduino上的ICSP按照圖4連接，實物連接圖參考圖5。圖4 ICSP連接圖5 Arduino最小系統(tǒng)實物連接圖通過Arduino IDE，點擊“燒寫B(tài)ootloader”，就可以看到下載器的BUSY燈開始亮，大約不到1分鐘，Bootloader就下載好了。然后打開Arduino IDE官方例程Blink代碼進行Arduino最小系統(tǒng)的測試，如果D13引腳接上一個LED，就會有閃爍的效果。Arduino最小系統(tǒng)，只是一個系統(tǒng)運行的最低要求，其他可以

9、根據(jù)自己的實際需要進行擴展，做出自己個性化的Arduino。3、峰值半波整流電路（1）半波整流電路圖6為精密半波整流電路，它屬于反相型運放電路。當正弦波輸入電壓Ui為正極性時，運放輸出Uo1為負極性，二極管D2導通、D1截止，輸出電壓Uo為0；當輸入電壓Ui為負極性時，運放輸出Uo1為正極性，此時D1導通、D2截止，電路處于反相比例運算狀態(tài)，輸出電壓UO = -Ui Rf/Ri。圖6 半波整流電路（2）電容濾波電路交流電經(jīng)過整流后得到的是脈動直流，采用濾波電路可以大大降低這種交流紋波成分，讓整流后的波形變得比較平滑，如圖7所示。通過整流濾波電路得到電壓的峰峰值等于倍電壓有效值。圖7 電容濾波電路4、電源電路系統(tǒng)實現(xiàn)后可以通過USB供電，也可以外接電源或者采用9V電池供電。為了保證系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定，在外接電源和電池時，需要設計電源穩(wěn)壓電路，提供5V直流電壓用于Arduino最小系統(tǒng)和顯示部分工作，單片集成穩(wěn)壓器是常用的穩(wěn)壓器件之一。七、實驗儀器及元件名稱數(shù)量名稱數(shù)量ATMEGA81運放116M晶振1二極管222PF2數(shù)碼管4位LED1其他若干78051綜合實驗過程考核統(tǒng)計表課程名稱 實驗題目 班級 姓名 學號 身份模塊檢查分項電源電路輸出Arduino最小系統(tǒng)功能測試峰值半波整流輸出整流濾波輸出Arduino模擬量的讀取學生填寫時間地點實驗要求輸入