一種以AVR單片機為的工頻電壓/頻率儀設計

出處：電子技術網發(fā)布于：2014-02-27 10:19:47

　　摘要：本文介紹一種以AVR單片機ATmega8為，設計工頻電壓/頻率儀。利用單片機ATmega8內部A/D轉換功能測量電壓，以內部定時計數器功能測量頻率。用四位LED數碼管作為電壓/頻率顯示輸出。本文對硬件電路和軟件設計作比較詳細的介紹。本設計硬件電路簡單、性能穩(wěn)定可靠、經濟適用。

　　1.引言

　　在電力生產和電氣測試工作中，經常需要測量工頻電壓和頻率。目前市面上工頻電壓表和頻率表種類繁多，本設計與其相比具有電路簡單、體積小、功耗低、性價比高等特點。利用低價位具備AVR單片機性能的ATmega8單片機，設計工頻電壓和頻率兩用測量儀。ATmega8單片機除了有A/D轉換和定時計數器功能外，其內部的模擬比較器在測量頻率電路中省了測量過零電路；I/O端口20mA驅動能力直接驅動LED數碼管，省了驅動電路。使整個硬件電路非常簡單。

　　2.硬件設計

　　基于ATmega8單片機工頻電壓/頻率儀設計硬件電路如圖1所示。以單片機為，加上少量的外部元件構成。

　　圖1中：T1是電源變壓器和電壓互感器兩用器件（電壓互感器有變比要求），提供測量儀運行電源，并兼做為被測輸入源使用；AD1、C1是電源整流濾波電路元件；U1是三端穩(wěn)壓器件；C2、C6是+5V電源濾波電容；L1、C4、C5是測量電壓用基準電壓和模擬端電源解耦電路元件；DS是大尺寸低功耗LED數碼管，與Rd1-Rd8構成測量結果顯示電路；D1、D2、R1是測量頻率輸入波形整形電路元件；R2、R3、R4、C3是測量電壓取樣輸入電路元件；R6、R7、LED2、LED3是測量頻率或電壓狀態(tài)指示電路元件；R8、LED1是電源指示電路元件；E1（8MHz）晶體和兩個20p的電容組成單片機運行所必須的時鐘（保證測量頻率的）。S1是測量電壓/頻率選擇開關。

　　ATmega8單片機：

　　ATmega8是ATMEL公司AVR系列單片機。

　　采用低功耗CMOS工藝生產的基于AVR RISC結構的8位單片機，大多數指令執(zhí)行時間為單個周期。

　　1）內有10位的逐次逼近型ADC

　　ADC與一個8通道的模擬多路復用器連接，能對來自端口C的8路單端輸入電壓進行采樣。單端電壓輸入以0V（GND）為基準。ADC包括一個采樣保持電路，以確保在轉換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。ADC由AVCC引腳單獨提供電源。AVCC與VCC之間的偏差不能超過±0.3V.器件之內有標稱值為2.56V和AVCC基準電壓。基準電壓可以通過在AREF引腳上加一個電容進行解耦，以更好地抑制噪聲。

　　2）16位定時器/計數器

　　16位的T/C可以實現的程序定時（事件管理）、波形產生和信號測量。其主要特點如下：真正的16位設計；2個獨立的輸出比較單元；雙緩沖的輸出比較寄存器；一個輸入捕捉單元；輸入捕捉噪聲抑制器；比較匹配發(fā)生時清除寄存器（自動重載）；無干擾脈沖，相位正確的PWM;可變的PWM周期；頻率發(fā)生器；外部事件計數器。

　　3）片內模擬比較器

　　模擬比較器對正極AIN0的值與負極AIN1的值進行比較。當AIN0上的電壓比負極AIN1上的電壓要高時，模擬比較器的輸出ACO即置位。比較器的輸出可用來觸發(fā)定時器/計數器1的輸入捕捉功能。此外，比較器還可觸發(fā)自己專有的、獨立的中斷。

　　AVR單片機的系統(tǒng)內可編程特性，無需購買昂貴的仿真器和編程器也可進行單片機嵌入式系統(tǒng)的設計和開發(fā)；同時也為單片機的初學者提供了非常方便和簡捷的學習開發(fā)環(huán)境。而且在省電性能、穩(wěn)定性、抗干擾性以及靈活性方面考慮得更加周全和完善。

　　ATmega8單片機與其它單片機比較而言，簡便易用、費用低，相對進入AVR系列單片機開發(fā)的門檻也低，軟件資源豐富，程序容易開發(fā)。由于Atmega8單片機是常用芯片，本文對其特性、內部結構、引腳說明等不做介紹。

　　3.ATmega8程序的設計

　　ATmega8芯片是ATMEL（愛特梅爾）公司的AVR系列單片機。ATMEL公司網站提供AVRStudio集成環(huán)境（IDE）開發(fā)軟件。

　　本固件程序采用開發(fā)軟件匯編編譯并燒寫。

　　3.1 主程序

　　程序主要由初始化程序、數據處理程序（包括各種計算子程序）、LED位顯示程序（包括LED顯示刷新和字形碼查表）、中斷處理程序等模塊組成。

　　主程序流程如圖2所示。程序首先對系統(tǒng)初始化。初始化程序流程為：設置堆棧地址--初始化定時器（含顯示和測頻率計數器）--A/D轉換初始化--存儲器及寄存器初始化。接下來進入主程序閉合循環(huán)體，在循環(huán)體中不斷檢查電壓/頻率選擇開關狀態(tài)。如開關為合的狀態(tài)，程序檢查A/D轉換是否完成。并對A/D轉換做相應操作。如開關為斷的狀態(tài)，程序啟動測量頻率計數器工作，并允許計數器中斷產生。然后無論電壓/頻率選擇開關狀態(tài)，都進入顯示數據更新檢查，并對LED顯示做相應操作。程序對LED顯示（4位輪流）進行刷新。完成后循環(huán)重新開始。

　　3.2 中斷程序

　　本主程設置2個中斷源。分別是LED顯示掃描定時中斷和頻率測量計數器中斷。為了保證頻率測量，設置計數器中斷優(yōu)先級為。LED顯示掃描由定時器0產生中斷后做顯示掃描標志。頻率測量計數器由模擬比較器產生中斷后，讀取16位定時器計數值并保存（數據由主程序處理），并設置數據更新標志。程序處理流程如圖3所示。