电压超限指示和报警器

电压超限指示和报警器摘要：系统主要由飞思卡尔单片机、直流交流电压检测模块、 1602 液晶显示模块等部分构成，能够实现一定范围内的电压检测、并实时显示电压变化值、对超限电压进行蜂鸣报警及指示灯提示等功能。总体方案以电压检测和飞思卡尔单片机为核心实现了超限电压指示和报警，对检测到的直流交流信号通过单片机控制和分析，实现实时电压显示，并对正常和不正常电压通过指示灯指示，同时对不正常电压发出断续蜂鸣报警声。关键词： 飞思卡尔单片机，直流交流电压检测，液晶显示一 . 系统方案设计论证本系统主要由飞思卡尔单片机、直流交流电压检测模块、 1602 液晶显示模块等部分构成， 核心在于对直流交流检测和实时输出显示。 通过单片机的分析和控制， 并对正常和不正常电压通过指示灯指示， 同时对不正常电压发出断续蜂鸣报警声。下面分别论证各模块方案的论证与选择。(1) 单片机的选型方案一： 51 单片机51 单片机是传统的单片机，简单、经济，兼容 Intel 8031 指令系统，内部使用复杂指令集，为 8 位单片机。 51 单片机应用时间很长，各种程序资源丰富，但是内部没有 A/D 转换功能，系统为实现此功能使复杂度增加。方案二： AVR 单片机AVR 单片机低功耗，内部使用 RISC 精简指令集，是 Atmel 公司的产品，片内资源丰富，与 51 相比接口更强大 (低端产品之间比较 )，功耗也比较低，带A/D 转换的较多。 另外 AVR 单片机还支持 ISP 下载。 AVR 的单片机是单机器周期的指令集，性能高，与 8051 的 12T 相比，快了 12 倍。方案三：飞思卡尔单片机飞思卡尔单片机低功耗，高性能，抗干扰能力强。内部使用 RISC 精简指令集，为 16 位单片机，内部存储器容量大，具有 A/D 转换功能，大大减小系统硬件的复杂程度，使得本系统具有更强的经济性、稳定性和实用性。综合以上三种方案，选择方案三。(2) 检测电路模块1 ）双桥式整流电路桥式整流器利用四个二极管， 两两对接。 输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。 桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。桥式整流电路通过仿真发现整流后的电压纹波较大，而且具有一定的误差。2）通过电容的滤波和二极管的整流，再经过电容的稳压最后整流出较稳定的直流电，而且经过多次测试，具有较好的稳定性 ,并且在一定程度上减小了纹波。综合分析和实际测试最后选择方案二。(3) 人机接口选型1 ）数码管数码管显示内容单一，码管一般情况是一个 7 段的 8 字，当然有 16 段的中间米字型的。数码管是自发光的，为 LED 发光效果 ， 数码管与液晶相比较耗电量大、具有一定的辉度。2）液晶 1602 芯片液晶芯片则比较丰富，可以显示各种最基本的内容，如可显示所有数字和大、小写字母。液晶是利用分子偏转引起的暗影效果、是靠背光 (环境 )的。液晶显示驱动电压低、功耗微小、可靠性高、显示信息量大、无闪烁、对人体无害、成本低廉、位数多，可显示 32 位， 32 个数码管体积相当庞大了，程序简单，如果用数码管动态显示，会占用很多时间来刷新显示，而 1602 自动完成此功能。综合比较以上两种方案，选择方案二。二 . 系统结构设计(1)总体框架图根据题目要求， 本系统对输入电压进行检测， 分别把检测到的直流输入信号和检测到的交流输入信号输入单片机， 通过单片机的控制和软件分析， 将输出数据送到液晶显示模块显示， 为很好的人机接口。 同时对不同范围内的电压用指示灯指示，若电压超限，蜂鸣报警器发出断续报警声。总体框架图如图 1。(2) 单片机分析及引脚功能飞思卡尔单片机的最高总线速度可达 40MHz， 其闪存分别有 64KB、 128KB 和 256KB 的选项，均带有错误校正功能（ ECC） ，并且带有 ECC的、 4KB 至 8KB DataFlash，用于实现图 1 系统总体框架图数据或程序存储。它可配置 8、 10或 12位模数转换器（ ADC），转换时间 3μ s，同时带有 16位的计数器、 8- 通道定时器和出色的 EMC，及运行和停止省电模式。单片机结构图如附录图 1所示。(3)1602 液晶显示模块特点及引脚图1）液晶特点液晶显示器具有其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等优点。根据显示内容可以分为字符型液晶， 图形液晶。 根据显示容量又可以分为单行 16 字，2 行 16 字，两行 20 字等等。本系统采用常用的字 16 字 X2 行的字符型液晶模块法。2) 液晶引脚功能1602 采用标准的 16 脚接口，其中：第 1 脚： VSS为地电源。第 2 脚： VDD接 5V正电源。第 3 脚： V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K的电位器调整对比度（建议接地，弄不好有的模块会不显示）。第 4 脚： RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第 5 脚： RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。第 6 脚： E端为使能端，当 E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第 7～ 14 脚： D0～ D7为 8 位双向数据线。第 15 脚：背光源正极。第 16 脚：背光源负极。直流检测输入信号交流检测输入信号飞思卡尔单片机1602 液晶显示指示灯超压蜂鸣报警器1602 液晶显示芯片结构图如附录图 2 所示。三 .理论分析与算法研究(1) 理论分析交流源 220V经过降压变压器变压输出低于 10V交流电，直接送给交流检测电路，经过整流电路，输出相应的直流电压。但是单片机供电要求为低于 5V，于是采用分压原理给单片机供电， 直流部分通过检测电路将检测信号直接送给单片机，通过单片机的控制和软件运行，可以实现直流交流电压实时显示。题目要求正常电压范围 3.5V— 5.5V，低于或高于为超限电压，根据要求，当单片机分析到检测输入的电压为正常范围时， 绿色指示灯亮， 其余两个指示灯不亮，并且蜂鸣器不发音。当单片机分析到检测电压高于 5.5V 时，红色指示灯亮， 其余的两个指示灯不亮、 蜂鸣器发出断续鸣叫。 当单片机分析到检测电压低于 3.5V 时，黄色指示灯亮，其余的两个指示灯不亮，且蜂鸣器发出断续鸣叫。(2) 算法系统通过利用二分查找， 一维搜索等算法的尝试改进， 使对电压值表的查找达到最优化， 提高了算法的效率， 达到了整个系统的优化， 符合单片机嵌入式对编程算法的要求。二分法理论： 通过每次把函数的零点所在小区间收缩一半的方法， 使区间的两个端点逐步迫近函数的零点，以求得零点的近似值，这种方法叫做二分法。通过单片机在线调试，观察到输入与输出基本成线性关系，假设输入与输出电压关系为函数 f(x), 且当某时刻输入到单片机的检测值为ｃ值，使得 x=c时 f(c)=0, 即ｃ点为函数 f(x) 的零点。解方程即要求 f(x) 的所有零点。 先找到 a、 b，使 f(a) ， f(b) 异号，说明 在 区 间 (a,b) 内 一 定 有 零 点 ， 然 后 求 f[(a+b)/2], 现 在 假 设f(a)0,aa ，从①开始继续使用中点函数值判断。 如果 f[(a+b)/2]>0 ，则在区间 (a,(a+b)/2) 内有零点，(a+b)/2=>b ，从①开始继续使用中点函数值判断。这样就可以不断接近零点，由于计算过程的具体运算复杂，但每一步的方式相同，所以可通过编写程序来运算。四 . 电路与程序设计(1) 电路图液晶显示电路图检测信号电路图单片机接口电路图指示报警系统电路图单片机供电电路图(2) 软件流程图系统主流程图如图 2 所示。图 2 系统主流程图1) 直流部分流程图如附录图 3 所示。2) 交流部分流程图如附录图 4 所示。五 . 系统测试与结果分析(1) 系统测试利用直流稳压源和交流信号源对系统输入， 通过在线仿真实时调试， 观察到直流电压的离散现象（个别点） ，既确定了输入电压和系统显示电压的非线性关系， 所以放弃建立线性方程关系， 而通过建立 A/D 转换值与检测电压的对照表，进行准确无误检测并输出 。(2) 结果分析系统经过多次测试，可以实现题目要求的基本功能和部分发挥部分的功能，能够准确无误的显示输入电压。六 . 系统特色开始初始化判断 AD0>0 或AD1>0 若 AD0>0 若 AD1>0 直流交流本系统全面实现了设计的基本要求和部分发挥部分的功能。 主要的创新点如下：(1) 采用液晶显示输出电压，具有良好的人机接口，使显示内容丰富， 可以显示各种最基本的内容。(2) 通过软件设定选择可以观测实时电压值 。(3) 利用飞思卡尔单片机大大减少了外围电路的复杂性，使系统更经济、实惠。(4) 系统整体构造简单，结构合理，功能电路良好，而且成本低，功耗小，体现了大赛节能、环保的精神！七 . 总结通过整体调试，能达到题目基本要求，实现部分发挥功能。由于系统结构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定。通过本次比赛的学习，我们初步掌握了基于单片机的开发流程及相关技能， 硬件的搭建及调试等能力， 理论与实际的紧密结合， 让我们更加深入的理解了理论知识， 同时， 认识理论与实践相结合的重要性。附录图 1 飞思卡尔单片机结构引脚图图 2 液晶显示芯片结构图图 3 直流电压流程图N Y Y N直流查表判断输入电压若电压大于5.5 若电压小于3.5 红灯亮并报警 黄灯亮并报警 绿灯亮液晶显示 DC： XXX 返回图 4 交流电压流程图N Y Y N交流查表判断输入电压若电压大于5.5 若电压小于3.5 红灯亮并报警 黄灯亮并报警 绿灯亮液晶显示 AC： XXX 返回