電壓超限指示和報(bào)警器(20220215223408)

1、電壓超限指示和報(bào)警器摘要：系統(tǒng)主要由飛思卡爾單片機(jī)、直流交流電壓檢測(cè)模塊、 1602 液晶顯示模塊等局部構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn) 一定范圍內(nèi)的電壓檢測(cè)、并實(shí)時(shí)顯示電壓變化值、對(duì)超限電壓進(jìn)行蜂鳴報(bào)警及指示燈提示等功能?？傮w方 案以電壓檢測(cè)和飛思卡爾單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)了超限電壓指示和報(bào)警，對(duì)檢測(cè)到的直流交流信號(hào)通過(guò)單片機(jī) 控制和分析，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電壓顯示，并對(duì)正常和不正常電壓通過(guò)指示燈指示，同時(shí)對(duì)不正常電壓發(fā)出斷續(xù)蜂 鳴報(bào)警聲。關(guān)鍵詞： 飛思卡爾單片機(jī)，直流交流電壓檢測(cè)，液晶顯示一 . 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)論證本系統(tǒng)主要由飛思卡爾單片機(jī)、直流交流電壓檢測(cè)模塊、 1602 液晶顯示模 塊等局部構(gòu)成， 核心在于對(duì)直流交流檢測(cè)

2、和實(shí)時(shí)輸出顯示。 通過(guò)單片機(jī)的分析和 控制，并對(duì)正常和不正常電壓通過(guò)指示燈指示， 同時(shí)對(duì)不正常電壓發(fā)出斷續(xù)蜂鳴 報(bào)警聲。下面分別論證各模塊方案的論證與選擇。(1) 單片機(jī)的選型方案一： 51單片機(jī)51 單片機(jī)是傳統(tǒng)的單片機(jī)，簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，兼容 Intel 8031 指令系統(tǒng)，內(nèi)部 使用復(fù)雜指令集，為 8位單片機(jī)。 51 單片機(jī)應(yīng)用時(shí)間很長(zhǎng)，各種程序資源豐富， 但是內(nèi)部沒(méi)有 A/D 轉(zhuǎn)換功能，系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)此功能使復(fù)雜度增加。方案二： AVR 單片機(jī)AVR 單片機(jī)低功耗，內(nèi)部使用 RISC 精簡(jiǎn)指令集，是 Atmel 公司的產(chǎn)品， 片內(nèi)資源豐富，與 51 相比接口更強(qiáng)大 (低端產(chǎn)品之間比擬 )，功耗也

3、比擬低，帶 A/D轉(zhuǎn)換的較多。另外AVR單片機(jī)還支持ISP下載。AVR的單片機(jī)是單機(jī)器周 期的指令集，性能高，與 8051 的 12T 相比，快了 12 倍。方案三：飛思卡爾單片機(jī)飛思卡爾單片機(jī)低功耗，高性能，抗干擾能力強(qiáng)。內(nèi)部使用 RISC 精簡(jiǎn)指令 集，為 16 位單片機(jī)，內(nèi)部存儲(chǔ)器容量大，具有 A/D 轉(zhuǎn)換功能，大大減小系統(tǒng)硬 件的復(fù)雜程度，使得本系統(tǒng)具有更強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和實(shí)用性。綜合以上三種方案，選擇方案三。(2) 檢測(cè)電路模塊1 雙橋式整流電路橋式整流器利用四個(gè)二極管， 兩兩對(duì)接。輸入正弦波的正半局部是兩只管導(dǎo) 通，得到正的輸出；輸入正弦波的負(fù)半局部時(shí)，另兩只管導(dǎo)通，由于這兩只管

4、是 反接的，所以輸出還是得到正弦波的正半局部。 橋式整流器對(duì)輸入正弦波的利 用效率比半波整流高一倍。橋式整流電路通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)整流后的電壓紋波較大， 而且具有一定的誤差。2通過(guò)電容的濾波和二極管的整流，再經(jīng)過(guò)電容的穩(wěn)壓最后整流出較穩(wěn)定 的直流電，而且經(jīng)過(guò)屢次測(cè)試，具有較好的穩(wěn)定性,并且在一定程度上減小了紋波。綜合分析和實(shí)際測(cè)試最后選擇方案二。(3) 人機(jī)接口選型1 數(shù)碼管數(shù)碼管顯示內(nèi)容單一，碼管一般情況是一個(gè) 7段的 8字，當(dāng)然有 16段的中 間米字型的。數(shù)碼管是自發(fā)光的，為 LED 發(fā)光效果 ，數(shù)碼管與液晶相比擬耗電 量大、具有一定的輝度。2液晶 1602 芯片 液晶芯片那么比擬豐富，可以顯示

5、各種最根本的內(nèi)容，如可顯示所有數(shù)字和 大、小寫字母。液晶是利用分子偏轉(zhuǎn)引起的暗影效果、是靠背光(環(huán)境 )的。液晶顯示驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗微小、可靠性高、顯示信息量大、無(wú)閃爍、對(duì)人體無(wú) 害、本錢低廉、位數(shù)多，可顯示 32 位，32個(gè)數(shù)碼管體積相當(dāng)龐大了，程序簡(jiǎn) 單，如果用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，會(huì)占用很多時(shí)間來(lái)刷新顯示，而 1602 自動(dòng)完成此 功能。綜合比擬以上兩種方案，選擇方案二。二 . 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1) 總體框架圖 根據(jù)題目要求， 本系統(tǒng)對(duì)輸入電壓進(jìn)行檢測(cè)， 分別把檢測(cè)到的直流輸入信號(hào) 和檢測(cè)到的交流輸入信號(hào)輸入單片機(jī)， 通過(guò)單片機(jī)的控制和軟件分析， 將輸出數(shù) 據(jù)送到液晶顯示模塊顯示， 為很好的人機(jī)

6、接口。 同時(shí)對(duì)不同范圍內(nèi)的電壓用指示 燈指示，假設(shè)電壓超限，蜂鳴報(bào)警器發(fā)出斷續(xù)報(bào)警聲。總體框架圖如圖1。(2) 單片機(jī)分析及引腳功能飛思卡爾單片機(jī)的最高總線速度可達(dá)40MHz,其閃存分別有 64KB、128KB和256KB的選項(xiàng)，均帶有錯(cuò)誤校正功能ECC，并且?guī)в蠩CC的、4KB至8KB DataFlash,用于實(shí)現(xiàn)直流檢測(cè) 輸入信號(hào)飛思 卡爾 單片機(jī)1602 液晶顯示.二=>指示燈交流檢測(cè) 輸入信號(hào)=>超壓蜂鳴土巨映 報(bào)警器圖1系統(tǒng)總體框架圖數(shù)據(jù)或程序存儲(chǔ)。它可配置8、10或 12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，轉(zhuǎn)換時(shí)間3卩s，同 時(shí)帶有16位的計(jì)數(shù)器、8-通道定時(shí)器和出色的EMC及運(yùn)行和停

7、止省電模式。單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖如附錄圖1所示。(3) 1602液晶顯示模塊特點(diǎn)及引腳圖1液晶特點(diǎn)液晶顯示器具有其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù) 顯示內(nèi)容可以分為字符型液晶，圖形液晶。根據(jù)顯示容量又可以分為單行16字, 2行16字，兩行20字等等。本系統(tǒng)采用常用的字16字X2行的字符型液晶模塊法。2)液晶引腳功能1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：V0為液晶顯示器比照度調(diào)整端，接正電源時(shí)比照度最弱，接地電 源時(shí)比照度最高，比照度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整比照度建議接地，弄不好有的模塊會(huì)不顯示。

8、第4腳：RS為存放器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)存放器、低電平時(shí)選擇指令 存放器。第5腳：RW為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命 令。第714腳：D0- D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負(fù)極。1602液晶顯示芯片結(jié)構(gòu)圖如附錄圖 2 所示。三.理論分析與算法研究(1) 理論分析交流源 220V 經(jīng)過(guò)降壓變壓器變壓輸出低于 10V 交流電，直接送給交流檢測(cè) 電路，經(jīng)過(guò)整流電路，輸出相應(yīng)的直流電壓。但是單片機(jī)供電要求為低于5V，于是采用分壓原理給單片機(jī)供電， 直流局部通過(guò)檢測(cè)電路將檢測(cè)信號(hào)直接

9、送給單 片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)的控制和軟件運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)直流交流電壓實(shí)時(shí)顯示。5.5V，低于或高于為超限電壓，根據(jù)要求，當(dāng)單片機(jī)分析到檢測(cè)輸入的電 壓為正常范圍時(shí)，綠色指示燈亮，其余兩個(gè)指示燈不亮，并且蜂鳴器不發(fā)音。當(dāng) 單片機(jī)分析到檢測(cè)電壓高于 5.5V 時(shí)，紅色指示燈亮，其余的兩個(gè)指示燈不亮、 蜂鳴器發(fā)出斷續(xù)鳴叫。當(dāng)單片機(jī)分析到檢測(cè)電壓低于3.5V時(shí)，黃色指示燈亮，其余的兩個(gè)指示燈不亮，且蜂鳴器發(fā)出斷續(xù)鳴叫。(2) 算法系統(tǒng)通過(guò)利用二分查找， 一維搜索等算法的嘗試改進(jìn)， 使對(duì)電壓值表的查找 到達(dá)最優(yōu)化， 提高了算法的效率， 到達(dá)了整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化， 符合單片機(jī)嵌入式對(duì) 編程算法的要求。二分法理論：

10、通過(guò)每次把函數(shù)的零點(diǎn)所在小區(qū)間收縮一半的方法， 使區(qū)間的 兩個(gè)端點(diǎn)逐步迫近函數(shù)的零點(diǎn)，以求得零點(diǎn)的近似值，這種方法叫做二分法。通過(guò)單片機(jī)在線調(diào)試，觀察到輸入與輸出根本成線性關(guān)系，假設(shè)輸入與輸 出電壓關(guān)系為函數(shù)f(x),且當(dāng)某時(shí)刻輸入到單片機(jī)的檢測(cè)值為c值，使得x=c時(shí)f(c)=O,即c點(diǎn)為函數(shù)f(x)的零點(diǎn)。解方程即要求f(x)的所有零點(diǎn)。先找到a、b,使f(a)，f(b)異號(hào)，說(shuō)明 在 區(qū) 間 (a,b) 內(nèi) 一 定 有 零 點(diǎn) ， 然 后 求 f(a+b)/2, 現(xiàn) 在 假 設(shè) f(a)<O,f(b)>O,a<b， 如果 f(a+b)/2=O， 該點(diǎn)就是零點(diǎn)， 如果f(a

11、+b)/2<0, 那么在區(qū)間(a+b)/2，b)內(nèi)有零點(diǎn)，(a+b)/2=>a，從開(kāi)始繼續(xù) 使用中點(diǎn)函數(shù)值判斷。 如果 f(a+b)/2>O ，那么在區(qū)間 (a,(a+b)/2) 內(nèi)有零點(diǎn)， (a+b)/2=>b ，從開(kāi)始繼續(xù)使用中點(diǎn)函數(shù)值判斷。這樣就可以不斷接近零點(diǎn)，由于計(jì)算過(guò)程的具體運(yùn)算復(fù)雜，但每一步的方 式相同，所以可通過(guò)編寫程序來(lái)運(yùn)算。四 . 電路與程序設(shè)計(jì)(1) 電路圖液晶顯示電路圖檢測(cè)信號(hào)電路圖單片機(jī)接口電路圖指示報(bào)警系統(tǒng)電路圖單片機(jī)供電電路圖(2)軟件流程圖系統(tǒng)主流程圖如圖2所示圖2 系統(tǒng)主流程圖1) 直流局部流程圖如附錄圖3所示。2) 交流局部流程圖如附

12、錄圖4所示。五. 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析(1) 系統(tǒng)測(cè)試?yán)弥绷鞣€(wěn)壓源和交流信號(hào)源對(duì)系統(tǒng)輸入，通過(guò)在線仿真實(shí)時(shí)調(diào)試，觀察到直流電壓的離散現(xiàn)象個(gè)別點(diǎn)，既確定了輸入電壓和系統(tǒng)顯示電壓的非線性關(guān) 系，所以放棄建立線性方程關(guān)系，而通過(guò)建立A/D轉(zhuǎn)換值與檢測(cè)電壓的對(duì)照表， 進(jìn)行準(zhǔn)確無(wú)誤檢測(cè)并輸出。(2) 結(jié)果分析系統(tǒng)經(jīng)過(guò)屢次測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)題目要求的根本功能和局部發(fā)揮局部的功能， 能夠準(zhǔn)確無(wú)誤的顯示輸入電壓。六. 系統(tǒng)特色本系統(tǒng)全面實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的根本要求和局部發(fā)揮局部的功能。 主要的創(chuàng)新點(diǎn)如 下：(1) 采用液晶顯示輸出電壓，具有良好的人機(jī)接口，使顯示內(nèi)容豐富， 可以 顯示各種最根本的內(nèi)容。(2) 通過(guò)軟件設(shè)定

13、選擇可以觀測(cè)實(shí)時(shí)電壓值 。(3) 利用飛思卡爾單片機(jī)大大減少了外圍電路的復(fù)雜性，使系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)、實(shí) 惠。(4) 系統(tǒng)整體構(gòu)造簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)合理，功能電路良好，而且本錢低，功耗小， 表達(dá)了大賽節(jié)能、環(huán)保的精神！七. 總結(jié) 通過(guò)整體調(diào)試，能到達(dá)題目根本要求，實(shí)現(xiàn)局部發(fā)揮功能。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)合理，功能電路實(shí)現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定。通過(guò)本次比賽的學(xué)習(xí)，我 們初步掌握了基于單片機(jī)的開(kāi)發(fā)流程及相關(guān)技能， 硬件的搭建及調(diào)試等能力， 理 論與實(shí)際的緊密結(jié)合， 讓我們更加深入的理解了理論知識(shí)， 同時(shí)， 認(rèn)識(shí)理論與實(shí) 踐相結(jié)合的重要性。附錄547*S? ?101L1：43141617nni-吟20CPW/KWT

14、SPPJIXD1 I« :珂祀 KUT： PP：IOCL PTVM1 KWH1 PPIRCT1 KXG PWM3 朮WM PMKKflPTOIOCL TT1IOC? PT2 lOCiPTSYDDF VW PW7J4TOC4TT* TZ _ H ?nA?.U IOC J PT：FW1 晟X"T16PWGTObTT? iiODC 2JLGDMODfi¥»2P®1PB4wa sc r匸壬二二二二s T7MTT-労耳3>_XJXV- £-<K烷Sd 一饋官 -C1XLF s LSEIL 2 【壬釜'£d&Q