基于Arduino的電壓有效值測(cè)量電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、北京郵電大學(xué)電子電路綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)院：信息與通信工程學(xué)院班級(jí)：姓名： 學(xué)號(hào):實(shí)驗(yàn)題目：基于Arduino的電壓有效值測(cè)量電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。摘要：為了了解Arduino最小系統(tǒng)的搭建和編程方法以及半波整流模擬電路的工作原理,通過搭建Arduino最小系統(tǒng)，測(cè)試 Blink程序，可以驅(qū)動(dòng) Arduino數(shù)字13 口 LED閃爍。采用 uA741搭建半波整流電路，加上濾波電路，通過編寫程序可以實(shí)現(xiàn)在一定誤差范圍內(nèi)用數(shù)碼管讀取正弦波電壓有效值，并測(cè)試了正弦波在不同頻率及峰峰值的情況下讀取有效值的準(zhǔn)確 性，可以看出這種情況下的測(cè)量范圍是有限的。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)Arduino最小系統(tǒng)有了深刻全面的認(rèn)識(shí)，

2、拓寬了眼界，同時(shí)通過對(duì)半波整流不同電路類型的搭建摸索，對(duì)模擬電路濾波有了更深的認(rèn)識(shí)。也發(fā)現(xiàn)Arduino最小系統(tǒng)可以有更多有價(jià)值的應(yīng)用。關(guān)鍵詞： Arduino、半波整流、濾波實(shí)驗(yàn) 目的：1、熟悉Arduino最小系統(tǒng)的構(gòu)建和使用方法;2、掌握峰值半波整流電路的工作原理；3、根據(jù)技術(shù)指標(biāo)通過分析計(jì)算確定電路形式和元器件參數(shù);4、畫出電路原理圖（元器件標(biāo)準(zhǔn)化，電路圖規(guī)范化）5、熟悉計(jì)算機(jī)仿真方法；6、熟悉Arduino系統(tǒng)編程方法。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì):實(shí)驗(yàn)的總體設(shè)計(jì)分為三部分：Arduino最小系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、半波整流及濾波電路和數(shù)碼管的顯示。三部分連接在一起完成對(duì)正弦信號(hào)電壓有效值的測(cè)定。1、系統(tǒng)組成框圖2

3、、Arduino最小系統(tǒng)的搭建IILM741完成半波整流電路。因?yàn)?LM741是1卜h II使用單片機(jī)、16M晶振與兩個(gè)22pf的電容完成最小系統(tǒng)的搭建，但Arduino不光是硬件，需要用 Arduino IDE把Bootloader下載進(jìn)入這個(gè)最小的硬件系統(tǒng)中。在單片機(jī)的13 口接LED燈，通過下載器將 blink程序燒入最小系統(tǒng)，可以控制LDE燈的閃爍頻率。同樣，根據(jù)濾波電路的調(diào)測(cè)將編寫的測(cè)量程序?qū)懭胱钚∠到y(tǒng)就可以較準(zhǔn)確地讀電壓的有 效值。3、半波整流及濾波電路根據(jù)二極管正向?qū)ǚ聪蚪刂沟奶匦裕褂秒p電源供電，但實(shí)驗(yàn)器材中只有一個(gè)可以提供+5V電壓的穩(wěn)壓集成電路 7805，為了完成實(shí)驗(yàn)，使

4、用兩個(gè)10k的電阻將5V分壓，將+2.5V接入本應(yīng)接地的3 口，從而將地線提高到+2.5V, 可以完成LM741單電源的半波整流。交流電源后加的 47uf的電容是為了濾低頻成分。實(shí)驗(yàn)過程中曾嘗試使用單電源供電的LM358P進(jìn)行半波整流，雖然示波器有半波電路，但在仿真過程中出現(xiàn)較大的誤差，所以重新使用LM741.濾波電路采用 50 Q電阻和100uf電容串接的 RC濾波電路，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電阻小一些濾波 效果比較好，波形更平。4、數(shù)碼管的顯示單片機(jī)接+5V電源，根據(jù)燒好的程序,根據(jù)數(shù)碼管的引腳圖將數(shù)碼管與單片機(jī)接在一起,數(shù)碼管自己顯示讀數(shù)。電路的安裝與調(diào)試:首先根據(jù)電路圖搭建了Arduino最小系統(tǒng)

5、，用下載器連接最小系統(tǒng)與電腦，將blink程序燒入最小系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了 13 口 LED燈閃爍。在此過程中連線非常重要，單片機(jī)很容易因?yàn)?連線的失誤燒壞。接下來連接半波整流及濾波電路。根據(jù)電路圖連線（注意接地），用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生1V左右，1KHZ的正弦波接入輸入端（用示波器觀察） ，使用7805產(chǎn)生穩(wěn)定的+5V電壓接入 運(yùn)算放大器中，接通電源，用示波器另一路在輸出端觀察半波整流情況，示波器顯示如下圖：CMI祝卮：V7 阪琴*/譽(yù)a型M夙氫y恵吟備，瞬怔 0 S 9聯(lián)魏 0 y可以看到正弦波抬高了2.5V之后實(shí)現(xiàn)半波。（測(cè)量看出實(shí)際抬高 2.56V）再接入濾波電路，用示波器觀察輸出，如下圖所示

6、：HO：在屏幕中可以看出基本與濾波前峰值相平。接下來用毫伏表測(cè)量輸入信號(hào)的有效值，同時(shí)用示波器觀察濾波后幅值的大小（先減去 抬高的2.56V）,改變輸入信號(hào)峰峰值的大小，將兩者進(jìn)行比較，列表如下：毫伏表讀數(shù)V1 （mV）示波器讀數(shù)V2 （mV）V1/V23444900.7023825400.7074005500.7274816500.7406979600.719可以看出毫伏表測(cè)出的有效值與濾波后電壓的大小基本滿足0.707的關(guān)系，在編程時(shí)取0.720.接下來將數(shù)碼管與單片機(jī)連接在一起，根據(jù)數(shù)碼管的工作原理編寫程序，用下載器將程 序燒入最小系統(tǒng)，檢測(cè)數(shù)碼管工作是否正常。安裝好數(shù)碼管后，去掉下載器

7、，用線將半波整流電路的輸出接入最小系統(tǒng)的輸入，給最小系統(tǒng)接入+5V的電壓。整個(gè)電路注意共地。觀察數(shù)碼管的示數(shù)與毫伏表示數(shù)，改變輸入信號(hào)峰峰值或頻率，觀察兩者示數(shù)的變化。 在不改變頻率的情況下，改變輸入峰峰值，列表如下：毫伏表示數(shù)（mV）數(shù)碼管示數(shù)（mV）261265303304345346367368可以看出數(shù)碼管讀出的有效值與毫伏表測(cè)出的基本一致，在誤差允許的范圍內(nèi)。但在改 變峰峰值及頻率的情況下，準(zhǔn)確度會(huì)有所下降，在IV、1KHZ左右最準(zhǔn)確。隨著峰峰值的增大，誤差也會(huì)變大。至此，實(shí)驗(yàn)基本結(jié)束。電路仿真:主要用multisim軟件對(duì)半波整流電路及加上濾波之后的電路進(jìn)行仿真。LM741半波整流

8、電路仿真結(jié)果Osc i llosco pe-X SC 1Oscilloscope -XSCln as n as T21Tune3.666 s3.666 s0.000 sChannel_A3.442 V3.442 V0.000 VChannel BTmetScale; IrnsQivX pos.lpiv); 0回叵亟亟Charrid AScale; 1 V/vY pos.QMv): !Charm Scale: 500 mVQyY pos.QMv): 0叵IL因 叵El回mTnggerEdge:國國國Level:0Vangle jmaT Auto I None加上濾波之后的電路仿真結(jié)果Oscill

9、oscope -XtC 1Crrrie) 0233.017 ms 239.017 ms O.OOOs01 .000 Vn 00 口囹SIT2-T1Chanrid AScale： 1 鄧用Y pos,jpiv): *1ChamdBStale：豹n rrWQiv posjfjpfv： 0TimebaseScale: Lms/WvXpos.tpiw): 06朗網(wǎng)丄Trigger咖；SI 00甌 Level: ftVI Single | 阿耐|AutozpreinKE 回仿真結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合。1、故障及問題分析:實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備不夠充分，導(dǎo)致一開始做實(shí)驗(yàn)有些盲目，對(duì)電路原理圖沒有搞清楚，盲目地在LM

10、741和LM358之間折騰，浪費(fèi)了很多時(shí)間；2、在使用儀器時(shí)不夠熟練，示波器線上有時(shí)*10沒有注意到。整個(gè)系統(tǒng)必須共地，剛開始時(shí)忽略了，導(dǎo)致讀數(shù)不穩(wěn)定。在使用穩(wěn)壓器時(shí)輸入電壓過低，導(dǎo)致輸出不能達(dá)到5V；對(duì)單片機(jī)的工作原理不熟悉，在一開始沒有將參考電壓口接入，開始連接下載器使用電腦給最小系統(tǒng)供電，沒有統(tǒng)一接入 +5V 電壓，導(dǎo)致半波整流波形失真，讀數(shù)不準(zhǔn)確；4、連線失誤，單片機(jī)與下載器相連由于疏忽連線錯(cuò)誤，連入電腦時(shí)會(huì)燒壞單片機(jī)。一開始 濾波時(shí)，電阻電容參數(shù)不合適，無法獲得平滑的波形，有小的突起，經(jīng)過調(diào)試，不斷減 小電阻阻值使得波形平滑；5、數(shù)碼管示數(shù)的不穩(wěn)定，除了上面提到的沒有共地、沒有接入統(tǒng)

11、一的 考電壓外，還有程序編寫上的問題。最開始，對(duì)最小系統(tǒng)及數(shù)碼管原理不清楚， 序時(shí)有些盲目，了解了之后，由于沒有考慮寫入?yún)⒖茧妷?，?shù)碼管讀數(shù)不穩(wěn)定， 復(fù)的修改與討論，才完善了程序。+5V 電壓、沒有接參 編寫程經(jīng)過反6、在實(shí)驗(yàn)中也需要考慮整體布局布線的問題，在面包板上插線，插器件時(shí)要小心， 時(shí)因?yàn)榻佑|不良也為影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。否則有實(shí)驗(yàn)總結(jié)及結(jié)論：通過這次實(shí)驗(yàn)， 我學(xué)到了很多。 這是我做的第一個(gè)需要設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的系統(tǒng)， 塊組成一個(gè)完整的系統(tǒng)有了比較深刻的認(rèn)識(shí)。 每一個(gè)分塊必須先可以正常工作， 接在一起，經(jīng)過調(diào)試實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。另外，我對(duì) Arduino 有了深刻地認(rèn)識(shí)，在做實(shí)驗(yàn)前，我 對(duì)于編程控制硬

12、件工作一無所知， 通過反復(fù)摸索編程實(shí)現(xiàn)功能， 了解。 在實(shí)現(xiàn)半波整流及濾波電路時(shí)，由于開始時(shí)對(duì)原理不太清楚， 波出不來要么失真， 由于電阻電容參數(shù)不合適，濾波不理想， 于得到了理想的結(jié)果，這也使我對(duì)模擬電路認(rèn)識(shí)更深。做這次實(shí)驗(yàn)花了很多時(shí)間， 也得到了能力的提升。 在搭建模擬電路部分時(shí)， 反復(fù)地拆又 重搭，用 LM741 和 LM358 不停地在摸索，過程也比較不順，但最終效果理想，在反復(fù)地摸 索中， 很好地鍛煉了動(dòng)手能力， 也思考的更深刻， 對(duì)電路也更理解，對(duì)儀器的使用也更加熟 練。同時(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及到編寫程序來驅(qū)動(dòng)硬件工作，對(duì)程序不斷地修改來獲得理想的效果， 是數(shù)碼管能夠得到穩(wěn)定的顯示數(shù)， 提

13、升了自己的編程邏輯能力。 通過這次實(shí)驗(yàn)， 也清楚了單 片機(jī)數(shù)碼管的使用。 同時(shí)我也認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備非常重要， 對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?原理及儀器要非 常清楚，才可以順利的完成實(shí)驗(yàn)，否則就會(huì)手忙腳亂，浪費(fèi)時(shí)間， 這就要求我們要更加扎實(shí) 的完成基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)。 在實(shí)驗(yàn)過程中與同學(xué)的討論交流也是學(xué)習(xí)提高的好方法。 做實(shí)驗(yàn)需 要有耐性有恒心和好奇心，要堅(jiān)持不懈。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們主要是用 Arduino 最小系統(tǒng)完成對(duì)電壓有效值的測(cè)量，同時(shí)也認(rèn)識(shí) 到 Arduino 可以實(shí)現(xiàn)非常強(qiáng)大的功能，這個(gè)實(shí)驗(yàn)僅僅是一個(gè)開始，在以后的學(xué)習(xí)中希望可以 對(duì) Arduino 有更深刻的認(rèn)識(shí)，用它來完成更多更有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)。對(duì)于分

14、模再將它們連我對(duì)硬件軟件有了更清楚的 走了一些彎路，有時(shí)半 經(jīng)過討論與反復(fù)調(diào)試檢測(cè)，終實(shí)驗(yàn)程序：/*BlinkTurns on an LED on for one second, then off for one second, repeatedly.This example code is in the public domain. */const int D=5;int a;int V;int Num4;void disp(int pos,int num) for(int i(0);i6;i+) digitalWrite(i,LOW);digitalWrite(6,HIGH);digita

15、lWrite(7,HIGH);digitalWrite(8,HIGH);digitalWrite(9,HIGH);digitalWrite(10,HIGH);digitalWrite(11,HIGH);digitalWrite(12,HIGH);digitalWrite(13,HIGH); if(num=0) digitalWrite(6,HIGH); digitalWrite(7,HIGH); digitalWrite(8,LOW); digitalWrite(9,LOW); digitalWrite(10,LOW); digitalWrite(11,LOW); digitalWrite(1

16、2,LOW); digitalWrite(13,LOW);else if(num=1) digitalWrite(6,HIGH); digitalWrite(7,HIGH); digitalWrite(8,HIGH); digitalWrite(9,HIGH); digitalWrite(10,HIGH); digitalWrite(11,LOW); digitalWrite(12,LOW); digitalWrite(13,HIGH);else if(num=2)digitalWrite(6,HIGH); digitalWrite(7,LOW); digitalWrite(8,HIGH);

17、digitalWrite(9,LOW); digitalWrite(10,LOW); digitalWrite(11,HIGH); digitalWrite(12,LOW); digitalWrite(13,LOW);else if(num=3) digitalWrite(6,HIGH); digitalWrite(7,LOW); digitalWrite(8,HIGH); digitalWrite(9,HIGH); digitalWrite(10,LOW); digitalWrite(11,LOW); digitalWrite(12,LOW); digitalWrite(13,LOW);el

18、se if(num=4) digitalWrite(6,HIGH); digitalWrite(7,LOW); digitalWrite(8,LOW); digitalWrite(9,HIGH); digitalWrite(10,HIGH); digitalWrite(11,LOW); digitalWrite(12,LOW); digitalWrite(13,HIGH);else if(num=5) digitalWrite(6,HIGH); digitalWrite(7,LOW); digitalWrite(8,LOW); digitalWrite(9,HIGH); digitalWrit

19、e(10,LOW); digitalWrite(11,LOW); digitalWrite(12,HIGH); digitalWrite(13,LOW);else if(num=6) digitalWrite(6,HIGH); digitalWrite(7,LOW); digitalWrite(8,LOW); digitalWrite(9,LOW); digitalWrite(10,LOW); digitalWrite(11,LOW); digitalWrite(12,HIGH); digitalWrite(13,LOW);else if(num=7) digitalWrite(6,HIGH)

20、; digitalWrite(7,HIGH); digitalWrite(8,HIGH); digitalWrite(9,HIGH); digitalWrite(10,HIGH); digitalWrite(11,LOW); digitalWrite(12,LOW); digitalWrite(13,LOW);else if(num=8) digitalWrite(6,HIGH); digitalWrite(7,LOW); digitalWrite(8,LOW); digitalWrite(9,LOW); digitalWrite(10,LOW); digitalWrite(11,LOW);

21、digitalWrite(12,LOW); digitalWrite(13,LOW);else if(num=9) digitalWrite(6,HIGH); digitalWrite(7,LOW); digitalWrite(8,LOW); digitalWrite(9,HIGH); digitalWrite(10,LOW); digitalWrite(11,LOW); digitalWrite(12,LOW); digitalWrite(13,LOW);elsedigitalWrite(11,0);digitalWrite(10,0);digitalWrite(pos,HIGH);/ th

22、e setup routine runs once when you press reset: void setup() / initialize the digital pin as an output.pinMode(0, OUTPUT);pinMode(1, OUTPUT);pinMode(2, OUTPUT);pinMode(3, OUTPUT);pinMode(4, OUTPUT);pinMode(5, OUTPUT);pinMode(6, OUTPUT);pinMode(7, OUTPUT);pinMode(8, OUTPUT);pinMode(9, OUTPUT);pinMode(10, OUTPUT);pinMode(11, OUTPUT);pinMode(12, OUTPUT);pinMode(13, OUTPUT);for(int j(0);j10;j+)for(i nt i(0);i6;i+) dis p(i,j); delay(IOO); / the loop routi ne runs over and over aga in forever: void loop() an alogRefere nce(DEFAULT);a=a nalogRead(A5);V=(a*(5000.0/1023.0) -2560)*0.720;Num0=V/1