多通道电压检测系统的硬件设计

多通道电压检测系统的硬件设计滨江学院毕业论文（设计）题目多通道电压检测系统的硬件设计院系电子工程系专业电子信息工程学生姓名学号指导教师职称副教授二Ｏ一四年五月二十日目录1绪论(2)1.1课题的提出及意义(2)1.2设计的任务及要求(2)1.3设计思路及方案(2)2系统设计(2)2.1系统框图(2)2.2系统工作原理(3)3系统硬件设计(3)3.1单片机部分(3)3.1.1ATmega16单片机(4)3.1.2ATmega16各管脚功能及片内性能(4)3.1.3PC通信(5)3.1.4单片机硬件资源分配(6)3.2电源与晶振，复位电路部分(8)3.2.1电源部分(8)3.2.2晶振电路(9)3.2.3复位电路(10)3.3PC通信电路(11)3.4数码管显示部分(11)3.5LED显示灯(12)3.6按键部分(13)3.774HC20(14)3.8DSI302时钟部分(15)4Protel99se软件使用(16)4.1Protel99se元件库制作(17)4.2Protel99se原理图制作(17)4.3Protel99se元件库封装(19)4.4Protel99sePCB版图绘制(19)5总结(21)参考文献(22)谢词(23)多通道电压检测系统的硬件设计南京信息工程大学滨江学院，江苏南京210044摘要：本设计主要采用ATmega16单片机来实现一个多通道电压检测系统的设计，主要是通过ATmega16单片机内的A/D转换模块功能来实现能够对输入多路0到5之间的模拟电压进行检测并且通过LED数码管进行显示其相应的通道数及其相应的电压值，最终通过喇叭来实现过电压的报警功能，最后通过键盘输入上下界来调节电压值以便限制报警，从而达到电压的检测效果。关键词：ATmega16单片机；多通道；电压；检测Multi-channelvoltagedetectionsystemhardwaredesignTianzuochiBinjiangCollege.NanjingUniversityofinformationScienceandTechnology,Jiangsunanjing210044,ChinaAbstract:ThisdesignmainlyATmega16singlechipmicrocomputerisusedtorealizeAmulti-channelvoltagedetectionsystemdesign,mainlythroughtheATmega16singlechipmicrocomputerintheA/Dconversionmodulefunctiontoimplementthemultiplexing0to5tobeabletoinputanalogvoltagebetweentestingandthroughtheLEDdigitaltubedisplaythecorrespondingchannelnumberandtheircorrespondingvoltagevalue,ultimatelytoachievethefunctionofover-voltagealarmovertheloudspeaker,theupperandlowerboundsfinallythroughthekeyboardinputtoregulatevoltagevalueinordertolimitalarm,soastoachievethedetectioneffectofvoltage.Keywords:ATmega16microcontroller;Multichannel;Voltage;detection1绪论1.1课题的提出及意义多通道电压检测系统的设计主要是为了能够实现了对多路电压进行检测的智能化，摆脱了传统的由人来一路一路进行检测的不便操作，因此，成为了电子行业中检测电压的得力设备，基于单片机的基础上完善的将模拟量转换为数字功能的电路设计，实现了易读，易检查的功能。1.2设计的任务及要求1.能够实现多路电压的检测2.能够将模拟量转换为数字量3.能够实时显示采样值，显示不能闪烁4.是4键控制，灵敏度高，能防抖；具备电压限制报警，能够通过键盘输入上下界；可以定时采样，也可以键控采样，循环采样5.输入电压范围0～5V最大输出信号5V6.具备掉电保护功能，保存数字节不少于1024B1.3设计思路及方案该项目提出了如何实现多通道电压检测系统的设计，而且还能够进行多个通道的电压的检测并且能够将检测出来的模拟电压转换为数字电压显示在数码管上而且还能够显示出通道号，怎样能够利用LED灯进行控制通道号，而且还可以实现自动循环功效，显示过程中还要具备电压限制报警功能。该项目的设计思路是由点向面扩散，首先将主干器件选取完毕，选取合适的芯片，然后再根据芯片内的内部结构和各管脚功能进行选择外部结构。显示部分的选取器材是数码管，数码管的极性依电路的总体部分选取。在这里也需要考虑扩展芯片的选取，以便扩展单片机的片外资源，来实现整个电路的完善性。单片机的外部电路，如：电源电路，复位电路，时钟电路，振荡电路，按键，显示部分，都要进行深入的研究，谨慎的选材，确保电路畅通。2系统设计2.1系统框图在设计多通道电压检测系统的设计时，根据所需实现的能的外部电路，大致的设计出工作框图，系统框图如图2.1所示：：：图2.1系统框图2.2系统工作原理该项目主要是通过AVR单片机来点亮数码管实现多通道电压检测的的效果，由于单片机内自带的模拟比较器，所以直接的通过单片机P7口的I/O口即可实现实现A/D转换的功能，又由于单片机的I/O口是真正的I/O口，所以能够正确的反映出I/O口输入/输出的真实情况，不需要我们加以外部电路来实现，从而实现了电路的简洁性。为了提高主芯片工作的可靠性，该芯片还可以重新的设置启动复位的功能,还具有看门狗定时器实行安全保护的功能,主要是为了防止程序走乱,而导致的不良因素。从而提高了产品的抗干扰能力，采用8位和16位的定时/计数器，来用作比较器，通过该芯片的计数器外部中断和PWM用于控制输出。由于芯片内具有大电流10～40mA,它可以直接驱动可控硅或继电器，从而节省了外围的驱动器件。选用74HC53芯片作为该电路的片外扩展芯片，主要是因为其用在并行数据扩展中，输入的数据消失的时候,在该芯片的输出端,仍然保持原有的数据，具备数据缓冲的能力和能够实现驱动缓冲功能，还可以代替三极管来实现放大电流的功能来驱动数码管的显示。从而实现了电路的完整性。3系统硬件设计3.1单片机部分Mega16PC通信蜂鸣器显示LED发光管行列键盘通道1通道1通道1驱动缓冲3.1.1ATmega16单片机通常在学习和掌握应用单片机来设计和开发嵌入式系统时，除了要对我们所使用到的单片机有着全面和深入的了解之外，当然在开发系统的时候所需要用到的仪器配置和是否是在使用一套好的开发环境以及开发系统的平台也是必不可缺的因素。在嵌入式系统的设计开发中，系统的开发工具和开发平台选用了好的话，往往是能够能加快嵌入式应用系统的研制以及开发的接着既是对我们开发出来的产品进行调试然后进行生产和维修工作，这样一来即可起到了起到事半功倍的效果了。目前国内和国外有许多公司是根据单片机的性能和特点的不同，研制出了各种类型的以便用于开发单片机嵌入式系统的开发装置和软件开发平台。当然对于不同类型的单片机我们所使用的开发系统当然也是不同的。AVR单片机在单片机的行业界中号称是“一线打天下”的名誉,主要原因是就是因为进入AVR单片机开发的通道比较方便，一般来说只要你稍微懂得一点电脑都可以学习AVR单片机的开发。对于刚刚学习单片机的人来说只需要一条ISP下载线，把编辑、调试通过的软件程序直接在线的写入AVR单片机里，这样即可以开发出AVR单片机系列中的各种封装的器件。而且AVR单片机的输入/输出线是全部具有上拉电阻的，并且是可以设置其上拉电阻的阻值的，并且还可以将其单独的设定为输入/输出、还可以将其初始化设定为高阻输入、驱动能力强等特性，这样一来即可使得AVR芯片的I/O口资源比较灵活、功能更强大、而且还可以充分的利用。芯片内有很多中独立的时钟分频器，分别为URAT、I2C、SPI所提供使用。其中差不多有10位的预分频器与8/16位定时器配合使用的，其中提供了很多种档次的定时时间，当然这些都可以通过软件来设定分频系数。ATmega16引脚图如图3.1所示。图3.1ATmega16引脚图3.1.2ATmega16各管脚功能及片内性能：各管脚功能：PA7..PA0：PA7..PA0为A/D转换器的模拟输入端PB7..PB0，PC7..PC0，PD7..PD0：为单片机的8位双向I/O口，具有可以编写程序的内部上拉电阻。RESET：复位，持续时间超过最小门限时间的低电平后将引起系统复位XTAL1：芯片内的时钟操作电路与反向振荡放大器的输入端。XTAL2：反向振荡放大器的输出端。AVCC：为端口A与A/D转换器的电源脚。当电路不使用ADC的时候，该引脚应该直接与VCC相连接的。当电路使用ADC的时候该引脚应该通过一个低通滤波器VCC连接。AREF：为A/D的模拟基准输入引脚。VCC：为数字电路的电源端口。GND：为接地端口。片内性能：ATmega16芯片是可以支持扩展的片内调试功能的并且该芯片通过JTAG接口可以实现可对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程，具有非易失性程序和数据存储器的优点,而且ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。因其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。3.1.3PC通信PC通信是atmega16单片机自带的一个全双工的通用同步/异步串行收发模块的USART，是一个高度灵活的串行通讯设备。PC通信的主要特点：1.支持全双工操作，可以在同一时间进行接收和发送的操作；2.具有三个完全独立的中断，其中TX端为发送完区，TX端为发送数据的寄存器空区，RX端则为接收完成区。PC通信的主要用途：PC通信主要是用来与单片机之间进行交换信息的。PC通信的硬件电路：由于ATmega16单片机的输入，输出端的电平是TTL电平，而PC机设置的是RS—232标准的串行接口，这样导致两者的电气规范是不一样的，因此必须对单片机输出的TTL电平进行电平转换才能够完成ATmega16单片机与PC机的数据通信。而Max232即为RS—232/TTL电平转换芯片。单片机MAX２３２PCT图3.2单片机和PC的串口通信原理框图3.1.4Max232Max232引脚图：图3.3Max232引脚图MAX232各引脚功能：6、5、4、3、2、1脚主要是和4只电容连接在一起的，这样就能够产生+12v和-12v的两个TINROUTROUTTINRXDTXDGNDTXDRXDＧＮＤ电源，以便能够供给RS-232串口电平的需要。14、13、12、11、10、9、8、7脚能够构成两个数据通道。其中，13脚、12脚、11脚、14脚为第一数据通道，8脚、9脚、10脚、7脚为第二数据通道。TTL/CMOS数据是从T1IN、T2IN输入然后转换成RS-232数据，从T1OUT、T2OUT送到电脑的DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入然后转换成TTL/CMOS数据后是从R1OUT、R2OUT输出的。15脚为接地脚GND。16脚为接+5v的电源脚VCC。3.1.5单片机硬件资源分配PBO：接数码管位码扩展芯片的使能端。PB1：接数码管段码扩展芯片的使能端。PB2:接LED灯扩展芯片的使能端。PB3：接锁存器时钟信号。PB4：接输入输出信号。PB5：接DSI302的复位端。PB7：接时钟信号。PA0—PA2：接输入通道。PA4—PA7：接开关。PC0—PC7：接扩展芯片。ATmega16单片机具体分配图如图3.4所示。图3.4ATmega16单片机具体分配图3.2电