基于Arduino的电压有效值测量电路设计与实现v1

综合实验1一、实验题目基于Arduino的电压有效值测量电路设计与实现二、项目背景Arduino是源自意大利的一个基于开放原始码的软硬件平台，该平台包括一片具备简单I/O功效的电路板以及一套使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。Arduino可用来开发独立运作、并具互动性的电子产品，也可以开发与PC相连的周边装置，同时能在运行时与PC上的软件进行交互。Arduino的电路板硬件可以自行焊接组装，也可以购买已组装好的成品；而开发环境软件则可通过网络免费下载与使用。目前Arduino的硬件部分支持Atmel的ATmega8、ATmega168、ATmega328等微处理器。此外，Arduino方案获得2006年PrixArtElectronica电子通讯类方面的荣誉奖。Arduino的硬件电路参考设计部分是以知识共享（CreativeCommons；CC）形式提供授权，相应的原理图和电路图都可以从Arduino网站上获得。Arduino特点：开放原始码的电路图设计，程式开发界面免费下载，也可依需求自己修改；具有多通道的数字I/O、模拟输入、PWM输出；具有10bit的ADC；Arduino可使用ISCP线上烧入器，自行将新的IC芯片烧入“bootloader”；可依据官方电路图，简化Arduino模组，完成独立运作的微处理控制；可快速、简单、方便地与传感器、各式各样的电子元件、电子电路进行连接；支援多样的互动程序，如Flash、Max/Msp、VVVV、Processing等；使用低价格的微处理控制器；可通过USB接口供电。三、实验目的1、熟悉Arduino最小系统的构建和使用方法；2、掌握峰值半波整流电路的工作原理；3、根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数；4、画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）；5、熟悉计算机仿真方法；6、熟悉Arduino系统编程方法。四、实验要求设计实现Arduino最小系统，并基于该系统实现对正弦波电压有效值的测量和显示。1、基本要求（1）实现Arduino最小系统，并能下载完成Blink测试程序，驱动Arduino数字13口LED闪烁；（2）电源部分稳定输出5V工作电压，用于系统供电；（3）设计峰值半波整流电路，技术指标要求如下：输入信号电压范围：0～1V；频率范围：500Hz～2KHz；电源电压：5V；（4）采用Arduino最小系统读取峰值半波整流电路的输出结果，并计算正弦波电压有效值；（5）测量出的有效值通过Arduino串口监视器进行读取。2、提高要求（1）用数码管显示正弦信号有效值的测量结果；（2）用Arduino最小系统直接读取正弦信号计算有效值，比较不同测试方法的测量误差；（3）自拟其他功能。3、提交材料（1）实验报告（含仿真结果、原理图）（2）峰值半波整流等相关电路的仿真文件；（3）Arduino程序；（4）电路原理图文件。五、实验考核在题目的完成过程中，进行分阶段考核：1、检查电源电路部分，输入7~10V，测量输出结果；2、检查Arduino最小系统的完成情况，可以驱动数字13口LED的Blink闪烁；3、检查峰值半波整流电路输出，用示波器测量是否满足电压和频率范围要求；4、检查整流滤波电路，用示波器测量是否满足电压和频率范围要求；5、完成系统设计，检查Arduino最小系统读取的正弦波电压有效值，并与示波器或者毫伏表的测量结果进行比较；6、检查电路各个模块搭接的电路是否合理及规范；7、检查电路设计过程中仪器及材料的使用情况。六、设计思路提示1、系统组成框图Arduino电压有效值测量电路包括峰值半波整流电路、最小系统、显示、稳压电路四部分（图1），其中最小系统包括微处理器、振荡电路、下载电路和测试电路。峰值半波整流电路Arduino最小系统显示部分电源图1Arduino应用系统2、Arduino最小系统的设计与实现各个Arduino产品其实都是对Arduino最小系统的各种功能扩展与集成，万变不离其宗，如果自己会做Arduino最小系统，就可以很方便地定制出特殊功能的专用Arduino。我们就用市面上最常见的ATMEGA8芯片来介绍怎样自己搭建一个最小系统，DIP封装的ATMEGA8芯片的引脚图如图2所示。图2ATMEGA8引脚图一个最小系统只需要一个16M晶振与两个22PF电容，按照图3连接9、10引脚即可。图3Arduino最小系统最小系统的硬件部分很简单，但是Arduino并不单单是硬件，一定要有配套的软件，需要使用ArduinoIDE（集成开发环境）把Bootloader下载进入这个最小的硬件系统中。USBtinyISP是一款为AVR单片机设计的基于USB接口的ISP下载线，使用它可以为大部分AVR单片机下载程序。在ArduinoIDE中，USBtinyISP是被Arduino支持的下载线，可以用来下载Bootloader。安装USBtinyISP所需要的驱动程序后，在系统的硬件管理器中，能够找到“USBtinyISPAVRProgrammer”，表明该下载线已经可以使用，并可同时为Arduino供电。用6芯的连接线将USBtinyISP和Arduino上的ICSP按照图4连接，实物连接图参考图5。图4ICSP连接图5Arduino最小系统实物连接图通过ArduinoIDE，点击“烧写Bootloader”，就可以看到下载器的BUSY灯开始亮，大约不到1分钟，Bootloader就下载好了。然后打开ArduinoIDE官方例程Blink代码进行Arduino最小系统的测试，如果D13引脚接上一个LED，就会有闪烁的效果。Arduino最小系统，只是一个系统运行的最低要求，其他可以根据自己的实际需要进行扩展，做出自己个性化的Arduino。3、峰值半波整流电路（1）半波整流电路图6为精密半波整流电路，它属于反相型运放电路。当正弦波输入电压Ui为正极性时，运放输出Uo1为负极性，二极管D2导通、D1截止，输出电压Uo为0；当输入电压Ui为负极性时，运放输出Uo1为正极性，此时D1导通、D2截止，电路处于反相比例运算状态，输出电压UO=-UiRf/Ri。图6半波整流电路（2）电容滤波电路交流电经过整流后得到的是脉动直流，采用滤波电路可以大大降低这种交流纹波成分，让整流后的波形变得比较平滑，如图7所示。通过整流滤波电路得到电压的峰峰值等于2倍电压有效值。图7电容滤波电路4、电源电路系统实现后可以通过USB供电，也可以外接电源或者采用9V电池供电。为了保证系统的可靠和稳定，在外接电源和电池时，需要设计电源稳压电路，提供5V直流电压用于Arduino最小系统和显示部分工作，单片集成稳压器是常用的稳压器件之一。七、实验仪器及元件名称数量名称数量ATMEGA81运放116M晶振1二极管222PF2数码管4位LED1其他若干78051综合实验过程考核统计表课程名称实验题目班级姓名学号身份模块检查分项电源电路输出Arduino最小系统功能测试峰值半波整流输出整流滤波输出Arduino模拟量的读取学生填写时间地点实验要求输入7~10V，输出为5V驱动数字13口LED的Blink闪烁输入信号0～1V；频率500Hz～2KHz；电源电压5V；记录半波整流波形输入信号0～1V；频率500Hz～2KHz；与峰值半波整流电路连接；记录整流滤波后的波形输入0～1V直流电压，采用Arduino串口监视器进行电压值的读取教师填写实测数据搭接电路情况备注验收人