一種新型光強度數(shù)顯器原理與設計

0 引言

現(xiàn)行的光控儀，如光強度測量儀等種類繁多，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)此提出一設計方案。

1.系統(tǒng)設計

1.1 設計要求

本設計采用Atmega48v單片機控制，將光強度細分成許多個等級，并用數(shù)字信號顯示出其亮度等級，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)簡化結(jié)構(gòu);

5)方便使用。

1.2 總體設計方案

本設計可用于智能機器人的光感應系統(tǒng)，即作為機器人的視覺器官。開機后，單片機即按預先寫入的程序運行，信號采集電路中光敏電阻根據(jù)接收的外部光線強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的輸入端，單片機內(nèi)部的模擬比較器及數(shù)模轉(zhuǎn)換器將此模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后從單片機的輸出端以數(shù)字量形式用數(shù)碼管顯示出來。從而達到了對光線的等級劃分及等級顯示，以此來控制機器人的尋跡動作。

如圖1所示。

2.單元電路設計

2.1 信號采集電路設計

信號采集電路由光敏電阻、滑動電阻、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)接收到的外部信號的強弱來改變其光敏電阻的阻值大小，從而改變電路中電阻R4和滑動電阻R5上獲得的電壓，并將此電壓傳入單片機，從而完成信號的采集。其接線圖如圖2中①。

2.2 復位電路

單片機在啟動時都需要復位，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)開始工作。ATMEGA48單片機的外部復位信號為低電平有效。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個低電平并維持2個機器周期(24個震蕩周期)以上，則CPU就可以響應并將系統(tǒng)復位。本復位電路采用的是手動按鈕復位，復位腳接上拉電阻，復位腳引出電容接地(電阻電容串接，節(jié)點處接reset)。在線下載采用標準接口，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

單片機應用系統(tǒng)中，數(shù)碼管作為顯示器件得到了廣泛應用，用于阿拉伯數(shù)字和部分字母的顯示。驅(qū)動多位數(shù)碼管時，有動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種連接方式。本設計采用動態(tài)顯示，利用單片機內(nèi)部晶體振蕩器，則硬件設計電路分解為ATmega48單片機和LED數(shù)碼管兩個部分，其結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟實惠。采用動態(tài)顯示時，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I/O端控制;使用PB端口作為字型碼輸出，PC2、PC3分別于兩個數(shù)碼管公共端COM引腳相連，即PC2、PC3作為位掃描控制端口。為了簡化電路，使用單片機接口線直接驅(qū)動數(shù)碼管公共端，只是通過適當調(diào)大限流電阻阻值，以減小驅(qū)動電流。

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)看門狗電路、片內(nèi)程序nash、同步串行接口SPI;多數(shù)AVR單片機還內(nèi)嵌A/D轉(zhuǎn)換器、EEPROM、模擬比較強、PWM定時計數(shù)器等多種功能。AVR單片機的I/O接口具有很強的驅(qū)動能力，電流可直接驅(qū)動繼電器、LED等元件。從而省去驅(qū)動電路，節(jié)約系統(tǒng)成本。其中ATmega48是一款采用先進RISC精簡指令，內(nèi)置A/D的高速8位AVR單片機，可支持低電壓聯(lián)機flash和EEPROM寫入功能，同時還支持Basic和C等高級語言編程，是當今AVR單片機市場上性價比很高的芯片。本設計中ATmega48是核心部件，連接信號采集電路和數(shù)碼顯示電路。采集到的信號輸入到單片機經(jīng)模擬比較、A/D轉(zhuǎn)換等處理后通過數(shù)碼管顯示出來，其連接方式如圖2中④。

2.5 軟件設計

軟件設計包括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，包括信號采集、邏輯運算、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字顯示等，其流程圖如圖3:

3.結(jié)論

單片機體積小、重量輕、抗干擾能力強、環(huán)境要求不高、價格低廉、可靠性高、靈活性好、開發(fā)較為容易。尤其是AVR單片機可以用高級語言編程方便實現(xiàn)系統(tǒng)移植，并且加快了軟件的開發(fā)過程。本文以ATMega48單片機為核心，輔以必要的電路，采用高級C語言編程設計了一個簡易的動態(tài)掃描多位數(shù)碼管顯示電路，從而通過LED數(shù)碼管能夠顯示多位數(shù)字碼。