照度計(jì)設(shè)計(jì)報(bào)告

1、惠州學(xué)院HUIZHOU UNIVERSITY 電子測量課程設(shè)計(jì)中文題目：_ 英文題目： 姓 名_學(xué) 號_專業(yè)班級_指導(dǎo)教師_提交日期_教務(wù)處制簡易便攜照度計(jì)的設(shè)計(jì)摘要在現(xiàn)實(shí)運(yùn)用中，照度的測量是很常見的。本文設(shè)計(jì)了一種成本低、易攜的數(shù)顯照度計(jì)。本系統(tǒng)是以單片機(jī)ATMEGA16為核心部件的測量系統(tǒng)，它包括信號采集、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換、LED顯示、鍵盤等部分。首先，本文選用了光譜響應(yīng)范圍寬，響應(yīng)時(shí)間短，光電轉(zhuǎn)換效率高、PN結(jié)面積大的的硅光電池作為照度計(jì)的光電轉(zhuǎn)換的探頭，并把它做成一個(gè)單獨(dú)的光探頭，并加了以勸濾光器和余弦修正器，與機(jī)身分離，更加適應(yīng)余弦定律，提高了測量的精度和范圍。其次，本文重點(diǎn)做了

2、以下工作:(1)光電轉(zhuǎn)換前置放大電路的設(shè)計(jì):為了提高照度計(jì)的測量準(zhǔn)確度，確保光電間的線性關(guān)系，本設(shè)計(jì)把運(yùn)算放大器接成電流電壓變換器的形式，一方面可得到零負(fù)載效應(yīng);另一方面，短路電流通過反饋電阻變成電壓量，實(shí)際效果相當(dāng)于流過一個(gè)負(fù)載電阻形成的壓降。(2)A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì):由于可見光照射硅光電池時(shí)產(chǎn)生的光電流范圍太大,使用了10位A/D轉(zhuǎn)換的精度。 (3)顯示電路的設(shè)計(jì):本系統(tǒng)選用led數(shù)碼管顯示模塊，降低了成本。通過實(shí)驗(yàn)測試，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，其測量范圍、分辨率、光譜響應(yīng)誤差基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。關(guān)鍵詞:硅光電池;A/D轉(zhuǎn)換;單片機(jī)照度計(jì)的工作原理2.1光度學(xué)中的基本量在光輻射測量中，與能量

3、有關(guān)的量有兩類:一是物理的，即客觀的，叫做輻射度學(xué)量，簡稱為輻射量;另一類是生理的，即主觀的，叫做光度學(xué)量，簡稱光度量。前者表示某輻射源客觀上發(fā)射出的輻射能的大小，后者表示人的視覺系統(tǒng)主觀上感受到的那部分輻射能的強(qiáng)度。(1) 光通量 (luminous flux) 光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量稱為光通量，在光度學(xué)中，光通量是從輻射通量導(dǎo)出的量，它明確地定義為能夠被人眼視覺系統(tǒng)所感受到的那部分輻射功率的大小的量度。單位是流明(inmen)，符號為lm，表達(dá)式為: (2.1) (2)光亮度(luminanee)L，一個(gè)面光源，除了可以用發(fā)光強(qiáng)度來描述它在某一個(gè)方向上的發(fā)光能力之外，還要知道它每一單位

4、面積在這個(gè)方向上的發(fā)光能力，以便比較兩種不同類型光源的明亮程度，這就要用到亮度這個(gè)概念。它表示每單位面積上的發(fā)光強(qiáng)度，即: (2.2)光亮度的單位為坎德拉第每平方米(cd/mZ)。式 (2.2)中的面積，應(yīng)該理解為一個(gè)面在觀察方向上的正投影面積。因此，若觀察方向與該面的法線夾角為0時(shí)，上式將變?yōu)? (2.3)所以，光源的光亮度可定義為:在表面一點(diǎn)處的面元在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積。由于 (2.4)故有式(2.5)是光亮度的較通用的定義式。由該式可知，亮度不僅可用來描述一個(gè)發(fā)光面，而且可以用來描述光路中的任意一個(gè)截面，如一個(gè)透鏡的有效面積、一個(gè)光闌所截的

5、面積或一個(gè)象的面積等。此外，還可以用亮度來描述一束光，光束的亮度等于這個(gè)光束所包含的光通量除以這束光的橫截面和這束光的立體角。(2) 光照度(luminanee) (3) 在光接收面上一點(diǎn)處的光照度等于照射在包括該點(diǎn)在內(nèi)的一個(gè)面元上的光通量除以該面元的面積ds。即: (2.6)(EV照度; 光通量; ：面積)單位是:勒克斯(lux)，符號為lx，當(dāng)llm光通量勻地照射在的面積上時(shí)，這個(gè)面上的光照度就等于llx。即單位面積上接收到的光通量。2.2照度計(jì)的工作原理照度計(jì) (lulllinometer)又稱勒克斯計(jì)或光強(qiáng)計(jì)，是用來測量某一被照射平面上光通量多少的一種光度量儀表。檢測的物理量是光通量，

6、是光度測量中用得最多的儀器之一。2，2.1照度測量的方法照度計(jì)的測量原理較簡單，整個(gè)探測器所接收的光通量除以探測器的面積，即為所測的照度，即: 由于照度與人眼的光譜光視效率有關(guān)，因此，照度計(jì)的光探頭的相對光譜靈敏度必須與人眼的光譜光視效率一致。由于一般的光接收器的相對光譜靈敏度與人眼的光譜光視效率相差遠(yuǎn)，所以光探頭要用)濾光器進(jìn)行匹配。另外，光投射在光探頭上的響應(yīng)，要符合余弦法則。因此，光探頭還要有余弦修正器。一個(gè)照度計(jì)是由帶濾光器的光電傳感器及電子放大和讀數(shù)系統(tǒng)所組成。過去廣泛采用硒光電池為探測器，這是因?yàn)樗墓庾V靈敏度比其他探測器更接近人眼的光譜光視效率的緣故。但由于硅光電元件的靈敏度、穩(wěn)

7、定性和壽命均較硒光電池為高，故近年來多采用硅光電池或硅光電二極管代替硒光電池作照度計(jì)的探測器件。為了提高照度計(jì)的測量準(zhǔn)確度，光探頭輸出的光電流需先進(jìn)行放大，再由讀數(shù)顯示器讀數(shù)。為確保光電間的線性關(guān)系，應(yīng)使外電路的負(fù)載為零，用運(yùn)算放大器接成電流電壓變換器的形式，一方面可得到零負(fù)載效應(yīng);另一方面，短路電流通過反饋電阻變成電壓量，實(shí)際效果相當(dāng)于流過一個(gè)負(fù)載電阻形成的壓降。照度計(jì)應(yīng)有較大的線性響應(yīng)范圍，使之可在較大照度范圍內(nèi)測量，選用線性范圍大的接收器和增加光電流放大倍數(shù)，即可達(dá)到此目的。環(huán)境溫度對照度計(jì)的測量結(jié)果有影響，特別是實(shí)測時(shí)的環(huán)境溫度與標(biāo)定時(shí)的環(huán)境溫度相差較大(如寒冷的冬天或酷熱的夏天)的情

8、況下，影響更為顯著。在照度計(jì)中，不僅是光電池，與光電池相接的外電路，表頭電阻等，均隨溫度而變化。因此，可通過對外電路、表頭等的選擇，使光電池的溫度影響得到部分補(bǔ)償。在對照度計(jì)進(jìn)行溫度修正時(shí)，應(yīng)對照度計(jì)的各部件作統(tǒng)一考慮。濕度對照度計(jì)也有影響，為此，要求照度計(jì)的光探頭有較好的密封性能，長期不用的照度計(jì)，最好能間隔一段時(shí)間通一次電。接收器容易老化，因接收器老化會(huì)直接影響到照度計(jì)的測量精確度，縮短照度計(jì)的使用壽命。此外，照度計(jì)還應(yīng)有一定的響應(yīng)速度，以適應(yīng)變化的照度測量。由于光電傳感器所產(chǎn)生的光電流正比于所接收的光通量，測量時(shí)須將照度計(jì)的光敏表面與被測照度的表面重合，并盡量垂直于光的照射方向。所以讀數(shù)

9、系統(tǒng)可直接指示出所測的照度值。3.1系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)的硬件電路總體設(shè)計(jì)思想是:以單片機(jī)ATMEGA16為核心的中央處理器，輔以外圍模擬、數(shù)字電路功能模塊，實(shí)現(xiàn)從光電傳感器傳來的信號測量到最后的顯示輸出。測量控制部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，是整個(gè)系統(tǒng)的主要功能完成部分10。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖3.1所示。圖3.1系統(tǒng)硬件原理框圖3.2光電傳感器的選型目前，光電檢測技術(shù)中常用到的一些光電檢測器件有光電倍增管、雪崩二極管、光電二極管、光電三極管、PIN光敏電阻、光敏電池以及CCD陣列等一些半導(dǎo)體器件。通過比較只有硅光電池是最理想的選擇，它不需要外加電源就能直接把光能轉(zhuǎn)換成電能，而且光電流和照

10、度成線性;它的光譜靈敏度與人眼的靈敏度較為接近;它的響應(yīng)時(shí)間短、性能穩(wěn)定，光譜范圍寬，頻率特性好，轉(zhuǎn)換效率高，能耐高溫輻射等優(yōu)點(diǎn)。故選擇硅光電池作為此系統(tǒng)的光電檢測器件。3.2.1硅光電池的工作原理硅光電池是一種利用光生伏特效應(yīng)制成的光電轉(zhuǎn)換器件，通過將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杹頇z測待測量。光電池工作原理，當(dāng)光照射P一N結(jié)時(shí)，原子受激發(fā)而產(chǎn)生電子一空穴對，由于電子和空穴分別向兩極移動(dòng)而產(chǎn)生電動(dòng)勢，兩極接入電路就能產(chǎn)生電流了11。硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。它的結(jié)構(gòu)很簡單，核心部分是一個(gè)大面積的PN結(jié)如圖3.2：圖3.2硅光電池結(jié)構(gòu)示意圖硅光電池響應(yīng)時(shí)間短(10，“一10一S)，光

11、電池轉(zhuǎn)換效率高(目前轉(zhuǎn)換效率高達(dá)27.50/0的硅光電池已經(jīng)研制成功)。若有l(wèi)m2的這種光電池，在足夠的陽光照射下，可以產(chǎn)生100多瓦的電能。硅光電池主要有兩個(gè)方面的應(yīng)用，即作為電源和作為光電檢測器件的應(yīng)用。硅光電池作為測量元件使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)作電流源，不宜作電壓源 。3.2.2硅光電池的基本特性與參數(shù)硅光電池在光照下產(chǎn)生的電流隨光強(qiáng)的增大而增大。當(dāng)接受的光強(qiáng)度一定時(shí)，可看作恒流源。在P一N結(jié)為理想狀態(tài)下可用圖3.3表示的等效電路來考慮。 圖3.3理想狀態(tài)下的硅光電池等效電在光照射下，當(dāng)硅光電池接通負(fù)載并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，流入負(fù)載的電流IR和負(fù)載兩端的電壓VR關(guān)系:式中，I。為硅光電池P-N結(jié)的反向

12、飽和電流;IR為穩(wěn)定狀態(tài)下的負(fù)載電流;IL為硅光電池在光照下產(chǎn)生的恒定電流;氣為穩(wěn)定狀態(tài)下的負(fù)載電壓;q為電子電荷(1.6*10-19);K為玻爾茲曼常數(shù) (l.38*10-23J/K);T一絕對溫度。根據(jù)上式作出硅光電池的伏安特性曲線，如圖3.4所示。圖3.4硅光電池伏安特性曲線曲線與電流軸和電壓軸的和交點(diǎn)分別定義為光電池的短路電流ISC和開路電壓VOC。硅光電池的VOC一般為0.45o.6V，最大不超過0.756V，因?yàn)樗荒艽笥赑N結(jié)熱平衡時(shí)的接觸電勢差l3。在電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載線為一直線，其斜率由負(fù)載電阻的大小決定，負(fù)載線與伏安特性曲線的交點(diǎn)M（VR，IR）稱為負(fù)載工作點(diǎn)，負(fù)載電阻從光電

13、池獲得的功率為PR=IR*V，相當(dāng)于圖中矩形的面積，能使矩形面積最大負(fù)載電阻稱為最佳電阻，能從光電池獲得最大輸出功率，一般應(yīng)選在特性曲線的轉(zhuǎn)彎處。最佳負(fù)載從光電池獲得的最大輸出功率一般為0.8VOCISC、VOC、IOC的數(shù)值可以由伏安特性方程求得。當(dāng)光電池處于短路狀態(tài)時(shí) 則當(dāng)光電池處于開路狀態(tài)時(shí)則在室溫下 所以:在光電池的實(shí)際等效電路中還應(yīng)考慮硅片內(nèi)部阻抗和電極阻抗構(gòu)成的串聯(lián)阻抗RS以及因結(jié)內(nèi)部不完整性而引起的并聯(lián)阻抗RsH。圖3.5為實(shí)際的硅光電池等效電路示意圖。在實(shí)際電路中，負(fù)載電流I*和負(fù)載電壓氣的關(guān)系為:將式（3.3）移項(xiàng)并以e為底取對數(shù)得：目前硅光電池的并聯(lián)電阻一般都很大，所以在計(jì)

14、算VOC和ISC時(shí)，RSH可以認(rèn)為無窮大，則外電路短路時(shí)，；外電路開路時(shí)，負(fù)載上得到的功率為:若入射光功率為W，負(fù)載功率為PR，則定義硅光電池的光電轉(zhuǎn)換效率為:在負(fù)載功率最大PMAX時(shí)，對應(yīng)最大的光電轉(zhuǎn)換效率：式中，F(xiàn)F=VRIR/VOCISC。稱為填充因子(又稱曲線因子)，在理想狀態(tài)下最大預(yù)計(jì)在0.8以上，但是由于RH、RSH的影響而有所下降，一般取該值為0.70.75。硅光電池在不同的光強(qiáng)照射下可以產(chǎn)生不同的光電流和光生電動(dòng)勢14。硅光電池的光照特性曲線如圖3.6所示。從曲線可以看出，短路電流和照度成線性，開路電壓與入射光功率近似成對數(shù)關(guān)系。一開始隨光照度急劇上升，當(dāng)照度在ZOO01x時(shí)就

15、趨于飽和了。最大開路電壓約為0.6V，總小于半導(dǎo)體材料的勢壘電壓，而與硅光電池面積大小無關(guān)。因此增大硅光電池的面積只能得到大的光電流，而不能提高光生電動(dòng)勢的值。硅光電池的光譜特性15，光譜特性指在入射光的能量保持一定的情況下，硅光電池的光電靈敏度與入射光波長之間的關(guān)系。圖3.7為硅光電池、白熾燈光的光譜分布曲線。硅光電池的溫度特性，環(huán)境溫度的變化對硅光電池響應(yīng)度和暗電流有較大的影響，這是由于光吸收系數(shù)與溫度有關(guān)。硅光電池的開路電壓、短路電流隨溫度變化，其中VOC以-20mV/的負(fù)溫度系數(shù)變化，Isc以2*10-3A/的正溫度系數(shù)變化。硅光電池正常工作的環(huán)境溫度范圍為一40+12516。硅光電池

16、的響應(yīng)時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間表示硅光電池對于突變光照的反映速度，響RL ，可用上升時(shí)間t:，下降時(shí)間t了表示tr tf2.2Cj(RL+RS)，RS一般比RL小得多，所以tr tf2.2 Cj RL，RL通常取決于外電路的需要，不能任意減小。Cj與光敏面積成正比，與偏置電壓和基片材料電阻率的平方根成反比17 。3.3光電轉(zhuǎn)換與信號前置放大模塊一個(gè)線性度好、穩(wěn)定度高的光電轉(zhuǎn)換與信號放大電路對于整個(gè)測試系統(tǒng)是至關(guān)重要的。它直接影響整個(gè)系統(tǒng)的測量精度、靈敏度、穩(wěn)定性及系統(tǒng)的測試速度等指標(biāo)18。光電檢測電路就是采用光電檢測方法把調(diào)制到光載波上的有用信號解調(diào)出來，實(shí)現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。因光纖末端輸出的光信號

17、通常是很微弱的，轉(zhuǎn)換后的電信號也非常微小，由于背景噪聲、電路噪聲、元器件噪聲的影響，要做到精確測量有較大難度。因此，這就要求光檢測器在所用光源的發(fā)射波長范圍內(nèi)具有高響應(yīng)度、小的附加噪聲、快的響應(yīng)速率且具有能處理所需要的數(shù)據(jù)率的足夠帶寬19。另外，與探測器相連的前置放大電路也應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)合理，必須有信號頻率范圍所需的帶寬、高穩(wěn)定性和小增益誤差，以獲得大的動(dòng)態(tài)范圍和高的信噪比。3.3.1電路的設(shè)計(jì)光電池的光探測方式有兩種結(jié)構(gòu):一是光電導(dǎo)模式、二是光電伏模式，在光電導(dǎo)模式下，需給硅光電池加反向偏置電壓，光電流與偏壓、負(fù)載電阻幾乎無關(guān)(在很大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi))，在光電伏模式下，光電流和照度成線性特性，所以硅光

18、電池一般工作于光伏模式下。由3.1式可知，當(dāng)VR=0時(shí)，硅光電池在零偏壓時(shí)，輸出電流與光照成線性關(guān)系，此時(shí)的輸出電路電流為:其中S，為光電池的靈敏度，E為光照度。短路電流與光照成正比，這時(shí)的硅光電池的光電線性最好20。因此，為獲得好的線性，就應(yīng)使硅光電池工作在零偏壓狀態(tài)，目前好的辦法是采用運(yùn)算放大器作電流一電壓變換器，其原理如圖3.8所示。為了分析方便起見，我們忽略了引線電阻R;的影響。由于運(yùn)算放大器的開環(huán)增益很大(106107)，而輸出的線性范圍受到電源電壓的限制(不超過電源電壓)。因?yàn)椋\(yùn)放的同向端和反向端的電位很接近，可以看成同電位，所以認(rèn)為硅光電池的輸出等效是短路的，即RL=0，這樣硅

19、光電池工作在零偏壓狀態(tài)，可以使線性范圍達(dá)到最大限度21。RSH在負(fù)載電阻RL等于零的條件下，它上面是幾乎不流過電流的。RSH的影響可以通過將圖3.8的恒流源畫法改為圖3.9所示的恒壓源畫法來分析。這里RSH成了恒壓源的內(nèi)阻。我們知道，任何運(yùn)算放大器都存在失調(diào)電流、溫度偏移和等效噪聲電壓，設(shè)它們的總和為U1，由此引起的輸出漂移為:為使U。小，就要求RFRSH。如果RSH越大，則由上式可知輸出漂移就越小，儀器的穩(wěn)定性就越好22l。在RSH一定的情況下，采用RF小的電路可使放大器零點(diǎn)漂移小，但這又限制了放大倍數(shù)，不利于微弱電流的檢測。所以我們選用運(yùn)放選用高精度自穩(wěn)零斬波集成運(yùn)算放大器ICL765O，

20、它內(nèi)部含兩個(gè)放大器:一個(gè)用于放大，另一個(gè)專用于補(bǔ)償漂移。圖3.10所示為硅光電池和運(yùn)放的等效電路圖。從圖中可以看出，硅光電池的負(fù)載電阻RL就是運(yùn)算放大器的輸入阻抗ZI，設(shè)運(yùn)放的開環(huán)增益為AV，則運(yùn)放的輸入阻抗為:由于開環(huán)增益AV很大，所以，即硅光電池負(fù)載電阻RL=0相當(dāng)于硅光電池工作時(shí)處于短路狀態(tài)。而當(dāng)硅光電池工作在近短路狀態(tài)時(shí)，輸出光電流與輸入光照度成線性關(guān)系，所以我們采用的前置放大電路具有低漂移、寬線性的特點(diǎn)23。由于噪聲和反饋電阻的影響，所以要對電路進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的光電轉(zhuǎn)換前置放大電路如圖3.11所示。這種反饋電路可使探測器對輸入的光功率具有高的分辨率和大的測量范圍，并能減小電路噪聲。

21、前置放大器的輸入端是硅光電池的輸出，可視為光強(qiáng)調(diào)制的電流源，經(jīng)高阻抗運(yùn)算放大器的I/V轉(zhuǎn)換后，給出與光強(qiáng)成正比的電壓輸出。因?yàn)楣ぷ饔诙搪贩绞?，此電路大大降低PN結(jié)正向電流(即結(jié)電流)帶來的影響，并使硅光電池得到最佳的信噪比，被放大的信號只與光強(qiáng)成正比24。由圖可知，轉(zhuǎn)換電阻RF越大，I/V轉(zhuǎn)換效率越高，但是RF過大會(huì)使放大器產(chǎn)生自激。運(yùn)放選用高精度自穩(wěn)零斬波集成運(yùn)算放大器ICL7650，是一種高精度、低漂移、高輸入阻抗的集成運(yùn)放，它利用動(dòng)態(tài)較零原理(內(nèi)含兩個(gè)放大器:一個(gè)用于放大，另一個(gè)專用于補(bǔ)償漂移)消除了CMOS器件固有的失調(diào)和漂移，對微弱信號來講是個(gè)較理想的前置放大器。電阻R采用了溫度系數(shù)

22、小的精密電阻，從而保證了電流一電壓轉(zhuǎn)換放大電路的穩(wěn)定性25。改進(jìn)后的光電檢測電路在放大器的輸出和檢測電路的輸出之間加一個(gè)RC濾波電路，這樣就限制了放大器輸出信號的帶寬，濾掉經(jīng)過放大的噪聲和放大器本身的噪聲。該電路具有較高的信噪比。芯片pcb原理圖：3.3.2運(yùn)放選型由于影響微電流測量靈敏度的首要因素是運(yùn)放偏置電流，其次是噪聲電壓和零點(diǎn)漂移要實(shí)現(xiàn)微電流測量，運(yùn)算放大器的輸入須滿足:輸入阻抗>>反饋電阻;偏置電流<被測電流;失調(diào)電壓及漂移小;增益與共模抑制比高;噪聲小。JCL7650是采用COMS工藝集成的斬波穩(wěn)零高精度運(yùn)放，輸入電阻為1012歐姆，偏置電流25時(shí)為1.5pA，輸

23、入失調(diào)電壓為1uV，失調(diào)電壓溫度系數(shù)為0.01uV/，共模抑制比為13OdB，所以本系統(tǒng)采用它做為運(yùn)放。 ATmega16單片機(jī) Atmega16單片機(jī)介紹ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運(yùn)算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比

24、普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。2.1.1 ATmega16單片機(jī)特性u 高性能、低功耗的8位AVR微處理器l 先進(jìn)的RISC 結(jié)構(gòu)l 8路10位ADC，8個(gè)單端通道，2個(gè)具有可編程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道l 131條指令l 大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期l 32個(gè)8位通用工作寄存器l 全靜態(tài)工作l 工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPSl 只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器l 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器l 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，擦寫壽命: 10,000次l 具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正的同時(shí)讀

25、寫操作l 512 字節(jié)的EEPROM，擦寫壽命: 100,000次l 1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM 等等芯片引腳圖和外圍電路：A/D轉(zhuǎn)換電路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是現(xiàn)代測控中非常重要的環(huán)節(jié)，它一般分為串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器和并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器。后者雖然傳輸速度快，但引腳多、體積大、占用單片機(jī)口線多;而串行ADC的傳輸速率也可以做的很高，并且具有體積小、功耗低、占用單片機(jī)口線少等優(yōu)點(diǎn)。因此，串行ADC的應(yīng)用越來越廣泛。在A/D轉(zhuǎn)換器件中，首先要搞清楚關(guān)于A/D轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)概念。轉(zhuǎn)換時(shí)間:A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間與A/D轉(zhuǎn)換原理密切相關(guān)，雙積分ADC轉(zhuǎn)換慢，而逐次比較式ADC比較

26、快。分辨率:ADC的分辨率是指使所能分辨的輸入模擬量最小值，也就是使輸出數(shù)字量最LSB(最低有效位)發(fā)生由1-0或0-1變化時(shí)輸入模擬量最值。分辨率也用倍數(shù)表示，例如10位ADC的分辨率就是10位?；蛘哒f分辨率為為Vox/210. 本設(shè)計(jì)使用的是ATmega16單片機(jī)內(nèi)置的0位ADC，8個(gè)單端通道，2個(gè)具有可編程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道的A/D轉(zhuǎn)換器。LED數(shù)碼管顯示部分LED數(shù)碼管實(shí)際上是由七個(gè)發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點(diǎn)就是8個(gè)。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。當(dāng)數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會(huì)發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的

27、0; 2個(gè)8數(shù)碼管字樣了。如：顯示一個(gè)“2”字，那么應(yīng)當(dāng)是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED數(shù)碼管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸數(shù)碼管的顯示筆畫常用一個(gè)發(fā)光二極管組成，而大尺寸的數(shù)碼管由二個(gè)或多個(gè)發(fā)光二極管組成，一般情況下，單個(gè)發(fā)光二極管的管壓降為1.8V左右，電流不超過30mA。發(fā)光二極管的陽極連接到一起連接到電源正極的稱為共陽數(shù)碼管，發(fā)光二極管的陰極連接到一起連接到電源負(fù)極的稱為共陰數(shù)碼管。常用LED數(shù)碼管顯示的數(shù)字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。本設(shè)計(jì)使用動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口

28、是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺暫留

29、現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。數(shù)碼管顯示電路：3.8鍵盤接口電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話功能，鍵盤是必須的輸入設(shè)備之一。它能隨時(shí)發(fā)出各種控制命令和進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入以及報(bào)告應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行結(jié)果。根據(jù)鍵盤的產(chǎn)生式可將鍵盤分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種形式，編碼鍵盤是通過一個(gè)電路來識別閉合鍵的鍵碼，非編碼鍵盤是通過軟件來識別鍵碼。編碼鍵盤的成本比較高，因而在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，一般采用非編碼鍵盤。本系統(tǒng)針對按鍵較

30、少而且ATMEGA16單片機(jī)仍有足夠的I/O口，所以本系統(tǒng)采用的是獨(dú)立聯(lián)接式非編碼鍵盤。3.8.1鍵盤工作原理鍵盤實(shí)質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)的集合，一般利用單觸點(diǎn)瞬間接通式按鍵，或使用電容、電感式無觸點(diǎn)單線通斷鍵，因而對鍵盤輸入的處理包括一下幾個(gè)方面:(1)識鍵:即判斷是否有鍵閉合，若有，則進(jìn)一步譯鍵;若無，則等待鍵入或轉(zhuǎn)而做別的工作。在非編碼鍵盤的設(shè)計(jì)中，識鍵的工作一般由程序完成，通過讀入鍵盤輸入口的狀態(tài)，經(jīng)過比較分析，以確定是否有鍵按下。對于獨(dú)立式按鍵來說，采取逐條工/0口線查詢的方式實(shí)現(xiàn)對按鍵物理位置的確定。(2)消抖:由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時(shí)也不會(huì)一下