Atmega（共8篇）
Atmega 篇1
摘要：本系统从使用简单、测试方便、功能完备、成本低廉, 用户界面友好出发, 通过多级电容滤除纹波干扰、高精度运算放大器反馈电路精确输出设定电流和电压、D/A转换器和A/D转换器调节输出电流, 从而实现低纹波、高精度的恒流源和恒压源输出。以ATmega16单片机为控制核心, 开发了全中文菜单操作环境, 具有全中文显示, 通过键盘实现输出的调整, 并且有计时、温度显示和过热 (≥60℃) 保护功能。
关键词：低纹波,恒流,恒压,单片机,过热保护
1、硬件设计
1.1 微控制器模块
采用Atmel公司的ATmaga16L单片机作为主控制器。ATmaga16L是一个低功耗, 高性能的8位单片机, 片内含16k空间的可反复擦写100, 000次的Flash存储器, 具有1Kbytes的随机存取数据存储器 (RAM) , 32个IO口, 2个8位可编程定时计数器, 1个16位可编程定时计数器, 四通道PWM, 内置8路10位ADC, 硬件SPI和TWI, 可编程看门狗电路, 抗干扰能力强, 可在电磁干扰环境下工作。
1.2 电源模块
采用三端集成稳压器78XX系列作稳压器件组成稳压电路。三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。其内部基准电压不受输入电压波动的影响, 并且内部设计了减流式保护电路和过热保护电路, 能很好得保证稳压值的稳定。
1.3 恒流源模块
微控制器控制由高精度运算放大器、精密采样电阻等组成的恒定电流源。该电流源电路结合微控制器构成数控电流源。通过键盘预置电流值, 单片机输出相应的数字信号给D/A转换器, 通过D/A转换器输出的模拟信号送到运算放大器, 控制电路电流大小。实际输出的电流再通过精密采样电阻采样变成电压信号, 通过A/D采样转换后将信号反馈到单片机中。单片机将反馈信号与预置值比较, 根据两者间的差值调整输出信号大小。这样就形成了反馈调节, 提高输出电流的精度。当负载在一定范围内变化时具有良好的稳定性, 而且纹波电流较小、精度较高。
1.4 恒压源模块
采用AMS1117高效率线性稳压器和低漂移、精密运算放大器OP0 7构成恒压源。AMS1117克服了78XX系列的缺点, 能提供很好的基准电压, 然后用OP07构成电压跟随电路, 将它与取样电阻进行隔离, 从而达到在一定范围内输出恒定电压的目的。
1.5 A/D转换模块
采用12位高速A/D转换器AD1674, 其内置采样保持电路、参考电压和时钟电路。采样频率为100 kHz, 转换时间为10s, 具有土1/2LSB的积分非线性 (INL) 以及12位无漏码的差分非线性 (DNL) , 满量程校准误差为0.125%, 数据可并行输出, 采用8/12位可选微处理器总线接口, 内带防静电保护装置 (ESD) , 其转换精度高。
1.6 D/A转换模块
采用位高精度D/A转换器AD669。片内集成了参考电压、数据缓冲锁存器、输出运算放大器、双层数据寄存器等电路, 单极性或双极性输出。横拟输出信号干扰极小, 且可避免输出产生毛刺干扰, 精度很高。使用时无需任何外围接口电路, 使用方便可靠。能满足系统所需要的低纹波、高精度稳定输出。
1.7 键盘显示模块
采用LCD液晶显示器显示和两个按键输入。采用128×64点阵LCD液晶显示, 可视面积大, 画面效果好, 抗干扰能力强, 内置中文字库, 调用方便简单, 而且可以节省软件中断资源和宝贵的I/O口资源。两个按键简单方便, 可以很好的显示出需要表达的信息, 人机界面友好, 可以得到很好的交互。此外, 本系统使用DS1302精确时钟芯片实现计时。
1.8 过热保护模块
采用可编程单总线数字式温度传感器18B20实现对负载温度信号的采集, 用作负载温度过热 (≥60℃) 保护。18B20直接输出数字信号, 省去了后继的信号放大及模数转换部分, 外围电路简单, 只有一根信号线作为单总线与CPU连接, 成本低。18B20的测温范围为-55～125℃, 且在-10～85℃之间精度为±0.5℃。
1.9 系统总体方案
系统结构框图如图1所示。
2、软件设计
本系统的信号产生和反馈等都是通过硬件电路实现的, 单片机只是负责基准信号的产生和人机交互, 因此软件流程比较简单, 系统软件流程如图2所示。
3、系统测试
3.1 系统稳定测试
把精密可调电阻串联在系统恒流输出端, 改变其阻值, 并使用台式多用表对其进行电流大小测量。从测试数据看出, 输出电流变化绝对值变化最大为2.74 mA, 纹波电流最大值为0.832mA, 输出电压变化绝对值变化最大值为0.16V, 纹波电压最大值为8.2mV, 系统恒流恒压效果很好, 可以作为理想的充电电源。
3.2 过热保护测试
实际测试时, 用一热源靠近负载, 并用温度计测量负载附近温度, 当温度到59℃时, 系统停止工作;当负载温度回落到5 0℃时, 系统恢复工作。
3.3 输入显示测试
系统上电后, 在液晶上显示欢迎界面, 显示两秒后自动进入操作界面 (该界面为人性化动画界面) , 动态显示充电电流、电压、当前室温, 以及已充电时间。按下tab键在快充状态 (200mA) 和慢充状态 (100mA) 间进行切换, 再按下确认键进行确认, 操作单片机进入相应充电状态。
4、结束语
由于我们的电路全部由手工焊接而成, 对于高频信号的屏蔽不是很理想。当系统正常工作时, 实际输出电流和电压十分接近给定值, 且纹波较小。总的看来, 该简易数控充电电源有较好的高精度、低纹波特性。如果进行PCB制版, 对于信号线采取更有效的屏蔽, 电源采取更好的滤波措施, 我们的系统将会更加理想。
参考文献
[1]康华光, 陈大钦.电子技术基础——模拟部分 (第四版) .高等教育出版社
[2]马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践.北京航空航天大学出版社
[3]谭浩强.C程序设计.清华大学出版社
[4]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程.电子工业出版社
[5]余孟尝.数字电子技术基础简明教程 (第二版) .高等教育出版社
Atmega 篇2
【关键词】直流电动机；ATmega8；双闭环控制系统
一、前言
直流电动机作为主要的机电能量转换的装置，广泛应用于各行各业。随着计算机电子技术的迅猛发展，电动机的控制方法也发生了巨大的变化，模拟控制方法已基本被数字控制方法所取代。本系统采用ATmega8单片机为核心控制器，通过PWM波来控制H桥中MOSFET器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期，将26V直流电变为交流电在在通过变压器将升压到180V在整流获得的，其中还将用PWM控制技术来控制直流电动机的转速。
二、系统硬件设计
（一）系统工作原理
系统控制器主要采用的是ATmega8单片机为控制芯片。通过霍尔传感器检测电流，光电编码器对速度进行检测。在通过单片机产生PWM波来控制H桥的MOSFET，对MOSFET的驱动我们采用互补式的隔离脉冲变压器驱动。将直流电逆变为交流电在通过变压器将26V的直流升压到180V的电压。对电机的控制我们采用的是双闭环调速系统。
（二）主要硬件设计
1、双闭环控制器电路
根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，如果被调量发生偏差，整个系统就会自动产生纠正偏差的作用。在本系统的设计中，采用比例积分调节算法，双闭环负反馈系统，分别为电流PI调节和转速PI调节算法。通过程序计算出电流环输出电压值，将电枢电压值作为PWM波形占空比的设定值，AVR单片机输出PWM波形，为了防止反馈控制的闭环调速系统在启动和堵转时电枢电流过大的问题，引入了电流截止负反馈环节。为了很好的得到输入信号，我们运用软件程序设计增加了一个卡尔曼滤波。卡尔曼滤波是以最小均方误差为估计的最佳准则，来寻求一套递推估计的算法，其基本思想是：采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻地估计值和现时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出现时刻的估计值。
2、PWM整形和MOSFET驱动电路
利用74HC74的特性可以得到U1002的SD和RD都接高电平，让PWM信号接CLICK端。当PWM处于由高电平时，由于74HC74的D端接的是Q非端，所以在PWM由低电平转换为高时Q和Q非的输出波形就交替变换，从而将一路的PWM分频为两路的PWM。这两路方波信号分别接到两个与非门的输入端，与非门的另外两个端口相联后在单片机产生的PWM信号相接，当PWM为低电平是两个与非门的输出都为高电平，从而使得最后四路PWM输出都为低电平，完成了驱动MOSFET的死区功能。当CLICK处于上升沿的时候Q和Q非端的输出端也交替的输出高低电平。从而将较低频率的PWM信号通过500KHz的载波信号通过脉冲变压器进行传输。
3、电机驱动和电流检测电路
主要是通过MOSFET的导通和关断将直流逆变为交流电，通过变压器将逆变过后的交流电整流为直流电，在变压器中我们实现了升压的过程。其中最重要的是要实现H桥中MOSFET控制时要求对管开通和关断的时间要一样。这样才能保证变压器不处于饱和状态。从而实现26V直流电升压到180V的功能。为了便于我们对电机的控制，我们在这里加上了霍尔传感器来实现对电流的检测。
4、速度检测电路
将信号盘安装在电动机的转轴上，光电转速传感器正对着信号盘。当信号盘转动时，光电元件就会输出周期性脉冲信号。信号盘旋转360度产生的脉冲数，和其上面的齿数相等。因此脉冲信号的频率大小就反映了电动机转速的大小。
三、软件设计
主程序是一个循环程序，其主要思路是，首先先设定好速度初始值和电流初始值，然后将检测的输入信号经过卡尔曼滤波器滤波后得到输入信号的值，再将着两个值分别和设定值相比较得到一个误差值，将误差送给电流转速闭环PI调节（PI调节器输出计算和PWM脉宽调节）。PI调节器输出计算在转速值和电流值更新后进行，否则输出脉冲只根据PI运算的历史值变化，PWM脉宽调节是脉宽从当前值平滑变化到PI调节器计算出的新值，实现平滑调速。
四、结论
本系统通过对直流电动机数学模型分析，建立了励磁直流电动机的电枢电压结合励磁电压的电动机控制方案，并对励磁直流电动机的控制方法进行了改进，采用了转速环－电流环双闭环反馈控制系统，通过PI算法调节电动机的转速。此设计采用的是AVR单片机为控制器，输入到AVR转速信号为数字信号，电机电流信号通过AVR内的模数转换器转换为数字信号，这样为在软件上实现闭环反馈控制算法提供了保证。系统经过软硬件设计调试证明运行可靠、稳定，达到了预期的目标。
参考文献
[1]张洪润.单片机应用设计200例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.
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[3]何立民.单片机应用技术选编[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.
[4]余家春.Protel99SE电路设计实用教程[M].北京:中国铁道出版社,2002.
作者简介：卢哲（1985—），男，四川内江人，学士，助教，现供职于内江职业技术学院，研究方向：机电。
Atmega 篇3
地球资源的日益贫乏, 基础能源的投资成本日益攀高, 太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的绿色新能源越来越受到重视。太阳能智能电动小车是一种环保型代步工具, 它利用光伏效应, 通过太阳能电池把太阳光转化为电能, 存储在高能蓄电池中, 并利用该电能驱动行驶车辆。本文基于AVR智能控制芯片对小车进行充放电的智能检测控制, 并对小车的行驶做出智能控制。
1 太阳能小车总体系统结构
太阳能智能小车系统框图如图1所示, 由太阳能电池板、蓄电池、充电电路、驱动和电机构成的动力系统组成, 而由单片机、红外传感器及遥控器构成控制系统。
当光伏电池电压值大于蓄电池电压值时, 控制器利用太阳能给蓄电池进行充电, 同时给负载供电。在充电的同时, 系统对太阳能阵列、蓄电池、负载进行监控和管理, 对蓄电池采取了防过充保护措施。当光伏电池电压值较低时, 充电电路不工作, 由蓄电池直接给负载供电。当蓄电池电压值较低时, 蓄电池本身带有防过放的功能, 能够切断负载电路, 防止蓄电池过放。红外遥控器发射遥控码, 通过红外一体管接收遥控码, 经过程序识别, 可以控制小车做前进、后退、左拐、右拐以及智能避障等动作。
2 系统硬件设计
2.1 小车底盘
小车在行驶的过程中, 需要加载太阳能电池板, 并且根据红外避障传感器避开障碍物, 所以小车要有较强的电机扭矩, 并且需要坚固的车身, 要求车身材料易于钻孔, 方便安装单片机最小系统、电动机驱动电路模块以及红外避障传感器等单元模块。根据这些要求, 决定选用有机玻璃作车身, 采用铝合金电机固定座, 后轮采用双电机驱动模式, 选择金属齿轮大扭矩减速电机作驱动电机, 前轮采用万向轮支撑, 其中金属齿轮大扭矩减速电机的扭力6kg*cm, 额定转速是150r/min, 额定电压是6V, 额定电流为500mA。这样小车的负重能力可以达到5kg, 足以载动太阳能电池板等硬件模块。
2.2 单片机最小系统
单片机最小系统采用AVR单片机中的Atmega16, 其最小系统包括复位电路、ISP接口、JTAG接口、PA~PD四个端口全部引出, 支持JTAG仿真。其中PA~PD四个端口全部引出, 便于应用或连接外围设备, 在进行实验时只需要使用排线和外围设备连接即可。预留有ISP接口, 可以使用相应的ISP下载线向Atmega16L芯片中写入程序。
2.3 电机驱动模块
电机驱动芯片采用L298N双H桥直流电机驱动芯片, 驱动电路如图2所示。L298N是SGS公司的产品, 内部包含4通道逻辑驱动电路, 是一种两相和四相电机的专用驱动器, 即内涵两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器, 接收标准TTL逻辑电平信号, 可驱动46V、2A以下的电机。
图2中, OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接两个电动机。IN1、IN2、IN3、IN4引脚从单片机接输入控制电平, 控制电机的正反转, ENA、ENB接控制使能端, 控制电机的停转。电机采用PWM调速的方法, 其原理是开关管在一个周期内的导通时间为t, 周期为T, 则电机两端的平均电压U=Vcc* (t/T) =αVcc。其中α为占空比, Vcc是电源电压。电机的转速与电机两端的电压成比例关系, 而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比, 因此电机的转速与占空比成比例, 占空比越大电机转得越快。另外采用7085稳压芯片稳定输出一个+5v的直流电压, 供单片机使用。
2.4 远距离红外避障模块
为了使小车能够实现自动避障功能, 我们在小车的车前安装了三个红外避障传感器, 该传感器的检测距离为2-80cm, 可以通过模块上的电位器调节检测距离。传感器检测到有障碍物时, 输出TTL低电平信号, 无障碍物时输出高电平信号。单片机可以根据输出信号做出相应判断。另外模块上附有使能端, 低电平有效, 可以根据需要选择要检测的传感器。
2.5 红外遥控装置
红外遥控的遥控编码是连续的32位二进制码组, 其中前16位为用户识别码, 能区别不同的电器设备, 防止不同几种遥控码互相干扰。后16位为8位操作码及其反码。这种遥控码采用脉宽调制的串行码, 以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”;以脉宽为0.565ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”。当发射器按键按下后, 即有遥控码发出, 所按的键不同遥控码也不同。遥控码由一个起始码 (9ms) , 一个结果码 (4.5ms) , 低8位地址码, 高8位地址码, 8位数据码和这8位数据码的反码组成。通过一体化红外接收器接收遥控器发射出来的红外脉冲波, 然后由程序识别是否有按键按下以及按下的是那个键, 然后根据程序对按键的定义, 对不同按键做出相应的反应。
2.6 充电电路设计
由于太阳能电池板输出电压不稳定且输出电压比蓄电池高的多。故需降压电路得到稳定且比蓄电池电压稍高的电压给蓄电池充电。充电主电路采用BUCK变换器, 由UC3845、TL431构成闭环控制, 同时使用光耦合隔离技术保证控制电路与功率电路安全隔离, 最终达到输出稳定的电压。本设计装置还具有过流、过压保护功能, 当过压或过流时通过反馈使UC3845的6脚输出波形的占空比减小, 从而达到过流过压保护作用。
(上接第7页) 随着充电的进行, 蓄电池两端电压不断升高, 为防止电池过充, 用单片机检测蓄电池两端电压。当蓄电池两端电压过高时, port1输出为高电平, 由于光耦作用, IC3的第3端为高电平, 可使D2的阴极电位大于1V, 即UC3845的3脚大于1V, 封锁UC3845的6脚输出, 此时即停止对蓄电池的充电。
3 系统软件设计
根据系统要求, 程序设计框图如图4所示。
本系统采用Atmega16做控制芯片, 其内部带有模数转换模块, 可以方便对充电电压进行检测, 从而实现过充保护。另外两个电机的转速控制是通过PWM调压实现的, 而Atmega16的定时器有相位修正的PWM功能, 可以在相应的定时中断中修改占空比, 从而控制电机转速。实验通过红外遥控, 进而对小车进行运动控制, 其中有五个可调用函数, 分别是前进函数、后退函数、左拐函数、右拐函数以及自动避障函数, 红外遥控实现对调用函数的选择。在阳光充足情况下可实现不间断行驶, 电路工作稳定可靠, 有很好的应用前景。
摘要：利用太阳能对蓄电池进行充电, 蓄电池作为小车的电源, Atmega 16单片机对充电电压进行实时监测并做出智能控制, 防止电池过充。另外基于Atmega 16单片机的基础上, 可以运用红外遥控对小车进行前后左右四个方向的运行控制, 也可以让小车运行在智能避障状态, 在无人控制的情况下自行避开障碍物。
关键词：Atmega 16,太阳能,充放电,红外遥控,智能避障
参考文献
[1]王兆安, 刘进军.电力电子技术[M].5版.机械工业出版社.
[2]路秋生.常用充电器电路与应用[M].机械工业出版社.
[3]海涛.Atmega系列单片机原理及应用[M].机械工业出版社.
Atmega 篇4
随着我国城市绿化面积的不断增加, 人们对绿篱修剪的造型、平整度及修剪速度的要求也越来越高, 园林绿化作业具有涉及面广, 作业项目多, 作业内容、作业对象及作业条件差异大, 有极强的季节性和特殊的地域性等一系列鲜明特点[1,2]。林业机器人在国内外均有研究, 鉴于林业作业受作业条件、作业环境的影响, 以及劳动强度大和世界上发达国家劳动力匮乏, 因此, 林业机器人在发达国家发展较快, 特别是日本、美国、德国、加拿大、瑞典和挪威等国家, 尤以日本水平最高。林业机器人的应用领域大致可分为:采种机器人、植栽机器人、抚育机器人、采运机器人、林产品精深加工机器人[3,4,5,6]。我国的林业机器人研究开发起步较晚, 但是国家“863”计划智能机器人主题 (现为机器人技术主题) 专家们对林业机器人的研究开发给予了高度重视, 并取得了相应的研究成果[7,8,9,10,11,12,13,14], 而对于绿篱修剪机器人, 则研究的相对较少, 为此设计出一台自动修剪机器人, 以突破传统的人工修剪模式, 提高劳动生产率和修剪作业质量, 减少劳动强度。
本研究设计的绿篱修剪机器人是一种以园林绿篱为操作对象、兼有人类部分信息感知和四肢行动功能、可重复编程的柔性自动化设备。修剪机器人平台控制系统能够无线接收来自修剪机器人上摄像机所拍摄的图像信息, 实时反馈到操作者, 根据实际要求设定行走路线、修剪高度和范围, 并进行实时监控。同时, 为了针对可能会遇到未能修剪或机器人的位置偏离了所设定的行走轨道等情况, 增加了手动无线遥控功能, 可以通过遥控手柄灵活地控制机器人, 以便调整位置状态, 适应实际工作的要求。
2 整体结构及工作方式
绿篱修剪机器人平台控制系统主要由车载控制系统模块、无线图像传输部分、遥控端控制部分、四自由度机械手臂伸缩部分、修剪执行器部分、驱动行走小车部分组成[15,16]。整体结构图如图1所示。
根据实际园林种植园的种植范围和绿篱藤枝的高度, 设计出行走部分的行走范围和机械手臂的修剪执行范围的运行程序, 将其设置成自动修剪模式, 使其进行自动的整体平面的修剪, 修剪掉多余的藤枝。在修剪的过程中可能会遇到未能修剪或机器人的位置偏离了所设定的行走轨道时, 将控制模式切换为手柄遥控修剪模式, 摄像机拍摄到当前修剪机器人所处的位置影像, 通过1.2GHz无线影音传输器和图像采集卡传输到PC机, 显示图像反馈给操作者, 利用无线遥控器驱动修剪机器人行走, 到达所需要修剪的位置, 再通过控制机械手臂定位到具体修剪的枝条, 最后控制修剪执行器进行修剪。修剪机器人平台控制系统修剪原理框图如图2所示。
3 车载控制系统模块
3.1 硬件设计
车载控制系统模块是整个控制系统的关键部分, 安装在修剪机器人行走平台上。主要由Atmega168单片机、无线收发器、电机驱动电路、电源电路及其他配件组成。Atmega168单片机[17]是ATMEL公司的一款高性能、低功耗的8位AVR微控制器, 采用先进的精简指令集架构。Atmega168有3个定时/计数器:8位的定时/计数器0、16位的定时/计数器1以及8位的定时/计数器3。16K字节的系统内可编程Flash (在编程过程中还具有可以读的能力, 即RWW) , 512字节EEPROM, 1K字节SRAM, 23个通用I/O口线, 32个通用工作寄存器, 三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器 (T/C) , 片内/外中断, 可编程串行USART, 面向字节的两线串行接口, 一个SPI串行端口, 一个6路10位ADC (TQFP与MLF封装的器件具有8路10位ADC) , 具有片内振荡器的可编程看门狗定时器, 以及五种可以通过软件选择的省电模式。每个定时器有2个PWM (脉宽调制) 通道, 因此共有6个PWM通道, 它们对应的PWM波输出引脚分别为PD6 (OC0A) 、PD5 (OC0B) 、PB1 (OC1A) 、PB2 (OC1B) 、PB3 (OC2A) 、PD3 (OC2B) 。Atmega168最小系统的电路原理图 (包括电源电路、复位电路晶振电路) 如图3所示。
根据修剪机器人的工作范围和载荷能力, 选择具有一定功率和载荷能力的带编码器的空心杯直流伺服减速电机作为机器人平台行走的驱动电机, 经驱动电路和减速齿轮后提供小车后轮驱动力;小车前轮利用伺服电机产生的扭矩, 通过齿轮带动摇杆机构, 使得前轮进行方向的转动。在电源设计上, 车载系统电池采用7.4V电源, 通过电源芯片大功率降压二极管D25XB60将7.4V的电池电压转换为稳定的6VDC, 其中7.4V电压提供给供给单片机处理电路, 6V电压提供给机械手臂舵机和小车伺服电机。在修剪执行器上, 由伺服电机所产生的扭矩力带动摇臂和连杆机构, 使其拉动修剪刀具, 进行往复修剪运动。
作为逻辑控制中心的Atmega168单片机通过连接2.4G无线接收模块, 使其具有无线接收功能, 能够接收遥控手柄上的发射器信号从而进行命令的控制;同时另一个Atmega168单片机的4路PWM输出, 经串入4个HC595芯片, 将4路扩成了32路, 通过PWM引脚来实现正反转脉冲的输入, 利用USB接口连接PC机, 实现对修剪机器人运动程序的编制, 进而完成对机器人平台行走、转向控制、机器人手臂运动以及修剪状态设置与调整, 并实现多路控制。车载控制系统模块工作原理图如图4所示。
3.2 软件设计
在软件设计上, 采用模块化子程序的思想, 详细明确地划分逻辑功能模块, 提供统一控制参数, 以Atmega168单片机为核心组成的矢量控制系统的控制电路中, Atmega168单片机对控制系统中的各个环节的工作状态时时进行判别、管理、协调和监督, 同时进行大量的数据运算处理工作, 并按照实时性的要求, 合理地安排监控软件和各执行模块间的调度关系。利用上位机软件对机械手臂和修剪执行器的动作进行编辑, 单片机本身对上位机软件源代码的可读性及软件容错性上提供了很好的支持。
控制系统软件的具体任务主要包括: (1) 系统初始化:设定堆栈指令、变量、事件管理的初始化;对存放速度反馈值、速度给定值等有关存储单元初始化;给可逆计数器送入控制字, 使之在适当的方式, 并设定其初始工作参数; (2) 检测Atmega168单片机与电源、舵机、伺服电机、无线接收器连接通信是否正常; (3) 模式切换的数据转换; (4) 读取控制信号, 并由单片机接收通道进入信号调制芯片, 获得直流偏置电压, 进行各部件的运行。软件控制模块状态流程图如图5所示。
程序初始化后, 状态管理程序主要完成根据回读数组的首字节实现各个状态的跳转;检测然后完成Atmega168与各连接部分的通信情况, 按照需求提供模式切换指令, 最后读取控制信号, 舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制 (PWM) 信号, 其中脉冲宽0.5~2.5ms, 相对应舵盘的位置为0°~180°, 呈线性变化。如图6所示, 平台转角控制计算公式如下:Ψ=±arcsin (T·V·NL) ±arcsin (T·V·NR) , 式中Ψ为转动角度, rad;T为脉冲宽度, ms;V为履带线速度, m/s;NL、NR为输入左右电机驱动芯片的脉冲数。
控制指令集#
舵机运行的追随特性: (1) 舵机稳定在A点不动; (2) CPU发出B点位置坐标的PWM信号; (3) 舵机全速由A点转向B点;△φ=φB-φA, △T=△φ÷ω; (4) CPU发出B点PWM信号后, 等待一段时间, 利用此时间舵机转动至B点。
4 修剪机器人控制系统测试
本研究设计的修剪机器人平台总体尺寸长宽高分别为300mm、180mm和600mm, 整机重量为3kg, 修剪手臂转动最大角度180°, 行走最大转弯角度45°, 最高行进速度6km/h, 机械臂a1=20mm, a2=20mm, 1号步进电机至地面的高度h=160mm, 最大无线控制及图像传输距离20m, 修剪执行器最大修剪宽度200mm, 最大修剪高度550mm。对校园园林绿篱进行机器人路径行走及自动修剪测试, 各个步进电机转动角度及转动参数如表1所示。修剪结果表明, 0号步进电机完成对修剪位置调整, 1、2号步进电机完成对修剪高度的调整, 3号步进电机通过左右摆动调整能够达到整形修剪的目的。
5 结论
Atmega 篇5
在工业自动化领域中,经常要对被控对象的角位移进行测量并加以控制。这些领域中使用的传感器件主要是旋转变压器(简称旋变)。在自动化测试中,对旋变解码器的测试往往需要用到复杂而昂贵的测试设备。这些设备往往体积大,成本高。设计了一种以AT-mega16为核心的数字旋变,既能满足旋变解码器测试的需要,又具备体积小,成本低[1]的优点。实现对旋转变压器的仿真。
1 旋转变压器工作原理
旋转变压器也是一种变压器。和普通变压器不同,旋变的原边与副边的比例不是固定的,因此输出的电压比也不是常数。旋变是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时,输出绕组的电压幅值与转子转角成正余弦函数关系,或保持某一比例关系,或在一定转角范围内与转角成线性关系[2]。旋转变压器的电气示意图如图1所示。
旋变的输入输出电压之间的有一定的函数关系。设旋变的激励频率为fsourse,激励的幅度为E。则激励信号电压随时间变化可以表示为:
设转子转动角度为θ,旋变的变压比为Q,那么:
正弦边输出电压为:
余弦边输出电压:
通过检测这两组输出信号,解码器可以计算出旋变的位置信息。
2 系统硬件设计
系统主要由电源、单片机控制电路、数字可变电阻、调理电路、通信电路和反相电路构成。数字旋变原理如图2所示。当数字可变电阻在0~20 kΩ之间变化时,经过反相电路和调理电路,数字旋变输出与激励频率相同的正弦信号和余弦信号,进而把产生的信号提供给旋变解算单元。
当通信电路收到上位机数据时,单片机通过解析上位机的数据,分别设定两组数字可变电阻。激励信号经过数字可变电阻的分压后,得到了初步的处理,幅值产生了变化[3]。单片机ATmega16通过判断要设定的角度是在哪个象限,决定是否对正弦信号或余弦信号进行反相[4]。最后经过信号调理电路输出到解算系统。调理电路用于提高数字旋变的输出阻抗[5]。
2.1 数字可变电阻的控制
AD5293是一种单通道,分辨率可达10 b的数字可变电阻[6]。也就是说其电阻精度R0可达到:
式中Rmax为AD5293的可调范围。AD5293的功能框图如图3所示。
其中VLOGIC连接控制电路的逻辑电平“1”,SCLK,SYNC,DIN,SDO和RDY为通信接口,本系统用ATmega16的SPI接口与之通信[7],对AD5293进行初始化和设置。ATmega16与AD5293的通信采用DAISY-CHAIN控制方式。采用这种方式可同时设置两个AD5293。DAISY-CHAIN连接方式如图4所示。
当采用DAISY-CHAIN控制方式时,串联起来的AD5293连到ATmega16的SPI总线。ATmega16通过SPI总线设置32位的移位寄存器,前16位用来设定U2,后16位用来设定U1,从而达到同时控制两个数字可变电阻的目的。在移位寄存器中的数据完全移出ATmega16前,必须保持信号为低电平,移出后需要把该信号再拉高,以完成一次数据的传输。
数字可变电阻AD5293的A端和B端为数字电阻的固定端,W端为滑动端。在A端和B端加激励电压后,B端和W端就能输出与激励频率相同的正余弦信号。控制W端从而调节输出信号的幅值。AD5293外围电路如图5所示。
旋变一般都有变压比。系统模拟的旋变的变压比Q=0.5。为提高数字旋变的设定精度,在数字可变电阻前端串联一个20 kΩ的高精度电阻R29,从而使数字可变电阻的设定范围为0~20 kΩ,而不是可变范围的一半。根据实际模拟的旋变的变压比不同,可以串联其他阻值的高精度电阻,从而使数字可变电阻的可调范围为0~20 kΩ,以提高输出精度。
假设数字可变电阻的可调范围为Rmax,则串联的高精度电阻Rcon与变压比Q的关系为:
2.2 反相电路的设计
反相电路的设计采用模拟开关ADG1213,通过不同的开关组合,可以输出4种不同象限的正余弦信号。从而使数字旋变的仿真范围不局限于某个象限。正弦反相电路的原理图如图6所示。
其中XB_SIN1,SGND是经过数字可变电阻分压得到的模拟信号。1_Uisin1,1_Uisin2反相电路输出到调理电路的信号。AD1213的VSS接到数字旋变的-9 V电源,VDD接+9 V电源,从而保证只要通过的信号在-9~9 V范围之间,就不会被模拟开关“截断”。
当信号1_CTRL1为逻辑高电平时,D1,S1导通,D4,S4导通;当信号1_CTRL1为逻辑低电平时,D3,S3导通,D2,S2导通[8]。
反相电路的输入输出如表1所示。
因此通过控制1_CTRL1信号的高低电平,即可达到输出信号反相的目的,余弦信号的反相与正弦类似。
3 系统软件设计
本系统所用的单片为ATmega16,该款单片机是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器,性能优越。采用C语言编写单片机的控制程序[9,10],程序流程图如图7所示。
4 结语
根据旋转变压器的原理,从硬件和软件两个方面介绍了基于ATmega16单片机和AD5293数字可变电阻的数字旋变的设计方案。为了提高输出精度,在可变电阻硬件电路中,加入了高精度电阻,解决了因变压比引起的数字可变电阻不能使用全量程的问题。通过实际试验验证,该系统适用于旋变的仿真和解码器的自动化测试。
摘要：为了对旋转变压器(简称旋变)的信号进行仿真,通过使用AVR单片机ATmega16和AD5293实现一种电阻式数字旋变的电路设计。利用SPI总线对AD5293进行通信及设置。数字旋变模拟输出旋转变压器产生的正弦信号和余弦信号,可替代真实的旋转变压器,达到测试解码解算电路的目的。经试验验证,该设计适用于旋转变压器的仿真。
关键词：数字旋转变压器,SPI总线,AD5293,ATmega16
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Atmega 篇6
关键词：软启动,单片机,晶闸管,三相异步电动机
1 引言
由于异步电动机具有结构简单、性价比高、工作性能好等诸多优点,在社会各个领域有着非常广泛的应用。但是它在全压直接启动时产生的冲击电流是额定电流的4-7倍,这会造成:电网电压下降和剧烈波动,影响共网的其他电气设备的正常运行;冲击电流会造成电动机局部温升,降低电动机的寿命;产生的机械冲力会加速机械传动部件的磨损等危害[1,2]。因此,需要对电动机的启动过程进行一定的控制。
传统的降压启动方式有定子串电阻或电抗启动、自耦补偿启动、星-形三角形启动、延边三角形启动等[3]。这些启动方式无法线性连续平滑调节启动电压,其启动特性不理想,切换时造成的二次冲击电流无法消除,不能频繁重复启动。
本文介绍的软启动器以AVR ATmega128单片机为控制核心,采用晶闸管作为电动机启动过程中的调压调速元件,具有多种启动模式和保护功能,实现了电动机的平稳启动,限制了启动电流。
2 系统的硬件电路设计
2.1 系统主回路
该软启动器的主回路主要由接触器和三组反并联的晶闸管组成。在电动机软启动过程中,通过控制晶闸管的触发角使电动机的启动电压按照预定的规律增加至其额定电压;在软启动过程完成之后,通过接触器将晶闸管旁路。软停车过程与软启动过程相反,接触器断开,通过控制晶闸管的触发角使加到电动机上的电压按照预定的规律减小到零。软启动器的主回路电路如图1所示。
2.2 系统控制电路
软启动器控制电路以高性能、低功耗的A V R ATmega128单片机[4]为控制核心,包括电压检测电路、电流检测电路、电压同步及相序判别电路、脉冲触发电路、键盘和LCD显示电路、状态输出电路、故障判别电路等。软启动控制电路结构图如图2所示。
控制系统上电后,先进行系统初始化,然后经过键盘设定好软启动的各种参数,运算后按照设定的启动模式发出触发脉冲以驱动晶闸管模块导通。在电动机启动过程中,检测电路将电动机的电压、电流等信号进行采样,经过A/D转换后由LCD进行显示,如有异常情况如过压、过流等则进行故障处理并显示故障类型。软启动完成后,旁路接触器常开触点闭合,将晶闸管三相调压模块旁路掉,电动机进入额定运行。当需要软停车时,由键盘选择软停车功能,旁路接触器断开,接入软启动器,电动机开始软停车,转速下降直至停止。
3 系统软件设计
系统软件采用模块化设计,主要包括系统主程序、同步信号中断程序、脉冲触发中断程序及各种启动模式程序等。
3.1 系统主程序设计
系统主程序主要完成上电系统初始化、故障自检测、软启动参数的设定、运行过程中的参数显示、突发故障实时处理、按预定的启动模式实现电动机的启动和软停车等功能。主程序流程图如图3所示。
3.2 同步信号中断程序
电源电压过零点的精确捕捉对于晶闸管触发脉冲的产生至关重要,只有精确的同步信号才能保证晶闸管触发角计算的准确,从而确保电压按照预定的规律变化。为了确保同步中断的实时性,同步信号的采集采用AVR ATmega128单片机的外部中断INT7,并将其设置为INT7引脚上任意的逻辑电平变换都将引发中断。同步信号中断流程图如图4所示。
在同步信号中断程序中,根据相序判定六只晶闸管的触发顺序,然后启动脉冲触发中断的标志位开始根据设定的启动模式发出触发脉冲。
3.3 脉冲触发程序
该系统采用双脉冲触发,即在触发某个晶闸管的同时,给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲,两个窄脉冲的前沿相差60°[5]。本设计中脉冲宽度为10°。
晶闸管触发脉冲的产生利用AVR ATmega128单片机的两个16位定时器/计数器T/C1和T/C3的定时功能,将T/C 1和T/C 3的工作模式设置为快速PWM模式,利用定时器的比较匹配中断和定时器的溢出中断实现触发角、脉冲间隔和脉冲宽度的定时。限于篇幅,现只给出正相序时脉冲触发子程序的流程图,如图5所示。
3.4 启动模式的软件设计
目前软启动器产品的启动模式有很多种,如限流启动、斜坡启动、斜坡加限流启动、突跳加斜坡启动、电压限制启动、突跳加电压限制等[6]。限于篇幅,现在只给出斜坡电压加限流启动模式的程序流程图,如图6所示。
这种启动模式既能使加在电动机上电压由一个设定值逐渐增加至其额定电压,又能限制启动过程中的启动电流。在软启动过程中,每半个周期都对电流进行采样和A/D转换,当实际电流大于设定电流时,就要经过增量式PID调节,使实际电流维持在设定的范围内,从而限制了启动电流。该启动模式采用双斜坡启动,首先使晶闸管的输出电压迅速升至电动机启动所需的最小转矩所对应的电压值,然后再按所设定的速率逐渐升压,直至达到电动机的额定电压,软启动过程结束后接通旁路接触器。
4 实验结果
根据上述软硬件设计方案,设计并制作了一台软启动器样机并进行实验调试。实验所带负载为4k W三相异步电动机,其额定转速为2880r/min。实验取得了良好的效果。
下面给出了实验调试过程中的波形图。图7为软启动过程中同步信号与晶闸管VT1的触发脉冲之间的关系(触发角α=30°时)。图8为晶闸管VTI与VT2触发脉冲的关系,相应脉冲前沿间隔为60°,在触发VT2时补发VTI的触发脉冲。
5 结束语
本文介绍了以AVR ATmega128单片机为控制核心的电动机软启动器的硬件组成和软件设计。它在电动机软启动过程中,限制了电动机的启动电流,减少了对电网电压的危害,完成了电动机的平稳启动,延长了电动机的使用寿命,具有一定的使用价值。
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Atmega 篇7
图像监控系统已广泛应用于银行、交通等场合[1],云台与镜头控制是整个闭路监视系统一个重要组成部分,云台接收来自系统控制台发出的控制命令,解释后控制云台进行上、下、左、右4个方向的动作并对镜头进行变焦、聚焦、光圈的控制,控制系统的要求是动作运行准确、可靠。控制系统设计好坏直接影响到整个闭路监视系统的可靠性与可操作性等关键指标,是整个闭路监视系统设计中的重中之重[2]。由于目前国内采用的云台镜头大多直接进口,有关这方面的文献报道较少,本课题以北京市现场总线重点实验室为依托,设计一种功能齐全的电动云台的控制器,着重介绍云台控制与电动镜头控制硬件电路的设计。
云台与镜头解码控制系统主要由通信电路[3]、云台控制电路和镜头控制电路组成,并采用AVR单片机实现准确控制。
云台控制系统主要实现2大功能[1,2]:一是控制摄像机上、下、左、右4个方向的运动以控制摄像方向;二是控制摄像机进行变焦、聚焦、光圈调整等动作以保证获得清晰的图像。
1 电动云台控制系统方案
电动云台控制方案的设计以自动控制原理、单片机、数字模拟电子技术、自动检测、串行通信、分布式系统[4]等理论为指导,以设计电动云台控制器的软、硬件系统为重点,以实现较好的控制效果、满足更多场合需求为目标。基于控制系统功能的设计要求,完成电动云台控制器的设计和调试工作。系统开发设计流程如图1所示。
控制系统采用ATMEGA128L作为控制器,用串行通信实现控制键盘、上位机与单片机数据交换,用双口RAM实现双控制单元的数据交换。
1.1 电动云台控制系统控制器的选择
一直以来,MCS-51系列单片机在数据采集和工业控制得到了广泛应用。随着控制要求不断提高,MCS-51单片机越来越不能满足控制要求。近年来ATMEL公司推出了AVR单片机,它与MCS-51系列单片机相比有更快的运算速度和更强大的功能,更适合于工业控制,因而AVR单片机应用得越来越普遍[5]。
AVR单片机整体性能可以满足电动云台的控制要求,考虑到系统I/O的需求量较多,所以采用ATMEGA128L(1)。
1.2 通信方案设计
通信分为3个部分:智能键盘与AVR1单片机间控制命令通信;双AVR间的数据传输通信;上位机与AVR2的串行通信实时控制命令通信。
为了满足监控设备的多点操作能力,以及中远程操作能力,实现与AVR1单片机间控制命令通信,采用RS-485通信协议。
在高速数据采集和处理系统中,随着采样数据量的增大及信息处理任务的增加,对数据传送的要求也越来越高,利用高性能双口RAM能够方便地构成各种工作方式的高速数据传送接口,不管是在并行处理网络中的数据共享,还是在流水方式中的高速数据传送中,高性能双口RAM都发挥着重要作用,实现双CPU间高速的数据交换[6]。本文中采用双口RAM实现AVR1与AVR2的数据共享,同时较好地保证各部分通信独立进行,互相不受影响。
上位机与AVR2的串行通信采用RS-232,其有效通信距离是15 m,能够满足上位机与AVR2的通信要求。
2 控制系统硬件设计
电动云台控制系统的设计如图2所示。硬件设计主要由最小系统及其外围的功能硬件电路组成,如:电源电路、CPLD译码电路、E2PROM外部存储器扩展电路、步进电机驱动电路、采样电路、双口RAM数据共享电路[7]、RS-485通信电路、RS-232通信电路以及各部分JTAG接口电路[8]等。
3 控制系统软件设计
云台通过串口接收服务器端计算机的控制码,并对控制码进行地址解析和命令解析,将解析的命令转换成相应能够驱动云台转动和摄像机镜头动作的控制电压,驱动云台控制电路和摄像机镜头控制电路以控制云台转动,摄像机镜头的调节等操作。
软件设计的主要思想是,进入主程序,首先对ATmega128及其相应的外围电路进行初始化,然后进入循环来等待中断输入。在此循环中,异常状况检测被定为具有最高优先级的任务,其次是外部设备的手动输入,最后是一般的外部输入信号,如图3所示[9,10,11]。
4 系统可靠性设计
4.1 通信工作可靠性设计
如何有效提高RS-485通信接口的可靠性是系统能否正常工作的关键。工作现场会存在很多无法预见的干扰或误操作,这些都有可能对控制器造成极大的破坏,甚至导致无法正常工作。为了实现总线侧与单片机控制系统隔离,在ATMEGA128的异步通信口处采用光电隔离。硬件方面可以采用阻抗匹配、地线与接地等[12],参考文献[12]有详细讲述,这里不再赘述。除此之外,可以采取2项措施从软件设计上提高通信可靠性。
a.在协议中增加校验:在通信协议中,要保证多机系统中同一时刻只能有一个发送,可以多个同时接收。为保证通信可靠性,还应对传送中的数据进行校验,方法有奇偶校验、累加和校验,以及CRC校验等。
b.在软件设计中适当增加延时:在主从式数据通信系统中,数据传输可分为多个阶段,无论是主机还是分机,在一次完整的数据交换过程中,总会有将RS-485差动输出状态转换成差分输入状态或由差分输入状态转换成差动输出状态的过程,而每次转换都需一定的时间。采用简单的软件延时方法和定时中断方法可以实现超时检测。如果系统功能和任务较多,适合采用定时中断方式,本设计采用软件方法延时处理。
4.2 芯片工作可靠性提高
工作平台中的各个芯片尤其是主控和电机驱动芯片以及RS-485通信芯片的抗干扰能力,是系统精确工作的前提保证,所以在这类芯片的电源和地之间都放置了电容,起到滤波和过压保护作用,提高硬件平台工作的可靠性。在电源总线处,引入了大电容防止电源误操作。
4.3 系统工作的掉电保护设计
系统的掉电保护主要体现在掉电后原始的工作状态、各部分工作参数能否得到保存。在设计系统时,采用蓄电池为掉电后的单片机供电,AVR1将上位机和智能键盘(预置位、自动扫描等)的重要信息保存到外部扩展存储器,这样在系统重新工作时,可以读取外部扩展存储器的储存信息,使系统回复到掉电前的工作状态。
5 系统功能实现
通过对系统的硬件和软件程序的检测和调试,系统可以实现以下功能:
a.水平360°连续旋转,垂直90°旋转;
b.可编程设置预置点,可设置64个预置点;
c.手控低速范围宽,捕捉目标精确;
d.自动水平扫描(调第99号预置位);
e.标准RS-485通信;
f.具备自动识别派尔高P、D协议功能设置;
g.预置位巡检功能;
h.旋转速度可在1~64级之间连续调节;
i.可设置32个地址、波特率4种可调;
j.误操作保护功能,掉电保护功能(视频设备位置不变,通信继续);
k.上位机可以对控制器进行实时控制,不受智能键盘操作的影响。
6 结论
本文介绍了一种通用的基于ATMEGA128单片机的多功能智能云台控制系统设计,能够实现自动跟踪,自动聚焦,自动光圈调整等功能。在功能实现的基础上,增加适当的保护和抗干扰措施,提高工作可靠性,最终使系统更智能化和实用化。除了应用在大多数视频监控场合外,亦可以用于保护区、矿山等特殊环境。文中对云台采用开环控制,这种方法对电机和通信的实时性和精度要求很高。在下一步的研究中,可以考虑利用其他数据处理器进行闭环控制,从而实时地检测监控设备是否到达预定的位置,也可以采用GPRS实现无线控制[13]或利用互联网实现远程控制[14]。
摘要：对电动云台控制器进行了分析,以ATMEGA128L为核心,设计了一种多功能电动云台控制器。从控制系统方案、软硬件设计、可靠性设计以及功能实现4个方面,阐述了基于ATMEGA128L单片机的电动云台控制器。控制器采用实时开环控制实现对电动云台视频监控设备的控制。提出了提高通信可靠性和芯片工作可靠性以及掉电保护等措施,从而保证系统工作可靠性。
Atmega 篇8
数字光功率计是一种由单片机控制的、可测量光信号强弱的便携式仪器,是光纤通信干线铺设、设备维护、科研和生产使用的重要仪器[1,2]。然而,传统的光功率计存在测量精度低,测量范围窄,便携性差等问题。针对这种情况,开发了一种由AVR单片机控制的通用便携光功率计,具有量程可自动转换,测量精度高,通用性强,携带方便的特点,非常适合在光信息、光通信领域使用。
1 系统原理
光功率就是光在单位时间内所做的功。该数字光功率计由微处理器、光电探测器、I/V变换器、量程自动转换、A/D转换、液晶显示等部分组成[3],其系统原理如图1所示。
微处理器采用AVR系列ATmega16单片机,它是基于增强型AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器[4]。在外设方面,它具有一个可编程的UART和独立于片内振荡器的看门狗定时器等资源,支持SPI接口,允许ATmega16与其他外设或AVR单片机进行高速的同步数据传输[5]。
系统采用硅光电池作为光电探测器,它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能,因此,可用作光电探测器和光电池[6],被广泛用于实验室和野外便携式仪器等的探测器。在该系统中,硅光电池工作于零偏状态。
自动量程转换部分通过运算放大器和多路选择开关CD4051来完成。反馈信号通过CD4051选择不同的量程,进行自动量程转换,以输出合适的电压信号。
数据采集部分通过16位精度的A/D转换器AD7705完成将模拟电压信号转换成数字信号。数据经AVR单片机ATmega16处理后转换成光功率数据,在1602液晶屏幕上显示出来。
本文设计的数字光功率计采用ATmega16来控制系统的整体工作。以硅光电池作为光电传感器,使用LM324将信号放大,通过16位精度的A/D转换器AD7705将模拟信号转换成数字信号。粗测数据的信号反馈,可使单片机控制CD4051选择不同的量程,以重新选择量程并进行A/D转换。最后用1602液晶显示光功率的大小。
2 自动量程转换
实现高精度的测量,一般通过控制输入信号的衰减/放大倍数来实现[7]。就光功率计而言,一般输入信号都比较小,所以其量程切换基本上都是放大倍数的切换。在该系统中,量程自动转换主要由多通道开关CD4051和集成运放LM324组成。两者连接图如图2所示。
CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关,有3 个二进制控制输入端A,B,C和INH输入端,3 个二进制信号选通8通道中的一通道,可连接该输入端至输出。
前端采集的数据通过16位精度的A/D转换器AD7705将模拟信号转换成数字信号。粗测数据的信号反馈,可使单片机的PB4和PB3管脚控制CD4051选择4个不同的通道,对应不同方法的倍数,以重新选择合适的量程,输出合适的电压信号进行A/D转换。
3 数据采集
数据采集采用16 b A/D转换器件AD7705完成(见图3)。AD7705是AD公司推出的低功耗16位模/数转换器,适用于测量低频模拟信号。它的特点是功耗低,精度高,动态范围广,可自校准,非常适用于工业控制、科研应用[8]。由于使用SPI接口,占用的引脚少,因此控制起来也很方便。AD7705采集到的电压信号通过SPI接口和ATmega16进行通讯以传输数据。ATmega16作为主机对AD7705进行控制,使用的I/O口资源分别为MOSI,MOSI,SCK,SS和AD7705通信[9,10]。模拟电压转换成数字信号,经ATmega16处理后换算成光功率数据,在1602液晶屏幕上显示出来。
4 软件结构
ATmega16对整个系统进行控制。通过PB4,PB3状态控制CD4051的通道选择;通过SPI口操作AD7705并获得数据;通过写命令和写数据控制1602液晶的显示。整个系统的软件流程如图4所示。
该系统的量程设置有4档,相邻的最大电压值是2倍关系。首先设置最大量程档,也就是先选择第一大档进行数据采样,如果当采样值小于128时,就选择第四档进一步进行放大、转换;当采样值大于128而小于256,就选择第三档进行放大、转换;当采样值大于256而小于512时,就选择第二档进行放大、转换;当采样值大于512而小于与1 024时,就选择第一档进行放大,转换。
5 数据分析
通过实验室标准光功率计对该光功率计进行了校准,为了减小误差,修正系统的线性度,在数据处理上采用了分段函数法。主要分为3段,在不同的阶段采用不同的修正系数。表1是系统数据对照表。表中的标指标准光功率计,测指测试光功率计,单位为mW。由数据可看出,误差较小,可满足实验室的一般实验需求。
mW
6 结语
提出了一种基于ATmega16的数字光功率计系统实现方案,采用的模/数转换元件是AD公司的AD7705模数转换器。文中详细介绍了自动量程转换和数据采集系统的功能及具体实现。该光功率计已经用于本专业的光电实验教学,作为辅助测量仪器,效果良好。
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