一種新型光強(qiáng)度數(shù)顯器原理與設(shè)計(jì)

0 引言

現(xiàn)行的光控儀，如光強(qiáng)度測(cè)量儀等種類繁多，但存在性能不穩(wěn)定，靈敏度低，制作繁瑣，成本高等不少弊端，為了克服以上弊端，本文據(jù)此提出一設(shè)計(jì)方案。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

本設(shè)計(jì)采用Atmega48v單片機(jī)控制，將光強(qiáng)度細(xì)分成許多個(gè)等級(jí)，并用數(shù)字信號(hào)顯示出其亮度等級(jí)，必須滿足的要求為：

1)提高可靠性和穩(wěn)定性;

2)提高靈敏度高;

3)降低成本;

4)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu);

5)方便使用。

1.2 總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)可用于智能機(jī)器人的光感應(yīng)系統(tǒng)，即作為機(jī)器人的視覺(jué)器官。開(kāi)機(jī)后，單片機(jī)即按預(yù)先寫(xiě)入的程序運(yùn)行，信號(hào)采集電路中光敏電阻根據(jù)接收的外部光線強(qiáng)弱可以改變其阻值大小，從而改變獲得的電壓大小，并將此電壓傳入單片機(jī)的輸入端，單片機(jī)內(nèi)部的模擬比較器及數(shù)模轉(zhuǎn)換器將此模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后從單片機(jī)的輸出端以數(shù)字量形式用數(shù)碼管顯示出來(lái)。從而達(dá)到了對(duì)光線的等級(jí)劃分及等級(jí)顯示，以此來(lái)控制機(jī)器人的尋跡動(dòng)作。

如圖1所示。

2.單元電路設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

信號(hào)采集電路由光敏電阻、滑動(dòng)電阻、電阻和電容等組成。其中的光敏電阻GR接收外部光線，根據(jù)接收到的外部信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)改變其光敏電阻的阻值大小，從而改變電路中電阻R4和滑動(dòng)電阻R5上獲得的電壓，并將此電壓傳入單片機(jī)，從而完成信號(hào)的采集。其接線圖如圖2中①。

2.2 復(fù)位電路

單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，以使CPU系統(tǒng)各部分處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開(kāi)始工作。ATMEGA48單片機(jī)的外部復(fù)位信號(hào)為低電平有效。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個(gè)低電平并維持2個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)震蕩周期)以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。本復(fù)位電路采用的是手動(dòng)按鈕復(fù)位，復(fù)位腳接上拉電阻，復(fù)位腳引出電容接地(電阻電容串接，節(jié)點(diǎn)處接reset)。在線下載采用標(biāo)準(zhǔn)接口，在線可編程(ISP)，其連接方式如圖2中②。

2.3 數(shù)碼管顯示電路

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)碼管作為顯示器件得到了廣泛應(yīng)用，用于阿拉伯?dāng)?shù)字和部分字母的顯示。驅(qū)動(dòng)多位數(shù)碼管時(shí)，有動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種連接方式。本設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)顯示，利用單片機(jī)內(nèi)部晶體振蕩器，則硬件設(shè)計(jì)電路分解為ATmega48單片機(jī)和LED數(shù)碼管兩個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。采用動(dòng)態(tài)顯示時(shí)，將所有數(shù)碼管各名稱相同的段位引腳并接在一起由一個(gè)I/O端控制;使用PB端口作為字型碼輸出，PC2、PC3分別于兩個(gè)數(shù)碼管公共端COM引腳相連，即PC2、PC3作為位掃描控制端口。為了簡(jiǎn)化電路，使用單片機(jī)接口線直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管公共端，只是通過(guò)適當(dāng)調(diào)大限流電阻阻值，以減小驅(qū)動(dòng)電流。

其連接方式如圖2中③。

2.4 控制系統(tǒng)

AVR系列的單片機(jī)不僅具有良好的集成性能。而且都具備在線編程接口，其中的ATmega系列還具備JTAG仿真和下載功能，含有片內(nèi)看門(mén)狗電路、片內(nèi)程序nash、同步串行接口SPI;多數(shù)AVR單片機(jī)還內(nèi)嵌A/D轉(zhuǎn)換器、EEPROM、模擬比較強(qiáng)、PWM定時(shí)計(jì)數(shù)器等多種功能。AVR單片機(jī)的I/O接口具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，電流可直接驅(qū)動(dòng)繼電器、LED等元件。從而省去驅(qū)動(dòng)電路，節(jié)約系統(tǒng)成本。其中ATmega48是一款采用先進(jìn)RISC精簡(jiǎn)指令，內(nèi)置A/D的高速8位AVR單片機(jī)，可支持低電壓聯(lián)機(jī)flash和EEPROM寫(xiě)入功能，同時(shí)還支持Basic和C等高級(jí)語(yǔ)言編程，是當(dāng)今AVR單片機(jī)市場(chǎng)上性價(jià)比很高的芯片。本設(shè)計(jì)中ATmega48是核心部件，連接信號(hào)采集電路和數(shù)碼顯示電路。采集到的信號(hào)輸入到單片機(jī)經(jīng)模擬比較、A/D轉(zhuǎn)換等處理后通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)，其連接方式如圖2中④。

2.5 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括WINAVR+AVR Studio編輯程序及調(diào)試軟件和PROTEUS仿真軟件等部分。根據(jù)硬件電路，包括信號(hào)采集、邏輯運(yùn)算、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字顯示等，其流程圖如圖3:

3.結(jié)論

單片機(jī)體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、環(huán)境要求不高、價(jià)格低廉、可靠性高、靈活性好、開(kāi)發(fā)較為容易。尤其是AVR單片機(jī)可以用高級(jí)語(yǔ)言編程方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)移植，并且加快了軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程。本文以ATMega48單片機(jī)為核心，輔以必要的電路，采用高級(jí)C語(yǔ)言編程設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易的動(dòng)態(tài)掃描多位數(shù)碼管顯示電路，從而通過(guò)LED數(shù)碼管能夠顯示多位數(shù)字碼。