【《基于Raspberry Pi的数字电压表设计》9300字】

基于RaspberryPi的数字电压表设计摘要随着现在智能化设备的发展，目前测量电压的传统设备满足不了当前的需求。为了解决现有传统磁电式电压测量工具普遍存在测量电压量程偏小的问题，同时解决传统数字电压表测量精度偏低的问题，本设计基于树莓派嵌入式系统和Proteus的VisualDesign功能，使用可视化编程，设计了一款数字电压表。本设计最终实现了电压表测试电压时量程档位的自动选择，在数字液晶屏上显示测量的电压大小与量程范围。结果表明与传统的磁电式电压表和数字电压表相比具有较大的量程与较高的测量精度。关键词：Proteus；电压表；嵌入式；树莓派 目录1绪论 [16]。图4.1程序图4.1程序开发流程图4.2主函数流程图设计本设计的主函数流程图如图4.2所示。设计原理：本设计通过定义树莓派的端口I/O：GPIO22、GPIO23、GPIO24为输出口后，利用LCD1602的清屏幕函数对显示结果的字符进行初始化，并设置档位选择变量RAN为0，在主函数程序完成后进入循环程序。程序通过对RAN变量的判断，进入相应的子函数并对进入的模拟电信号进行数模转换的准备，待子函数运行完成后完成一轮循环。图4.2图4.2系统设计流程图4.3子程序设计4.3.1档位选择模块档位选择模块如图4.3所示，变量RAN初始化后便经过判断函数判断大小，经过判别后进入相应函数改变I/O端口状态，开闭相应档位的I/O端口（fi代表0-0.5V量程，five代表0-5V量程，fifty代表0-50V），并读取来自MCP3008输入通道CH1、CH2、CH3对应档位的模拟电信号，实现档位选择，而接收来的模拟电信号进行模数转换为数字信号后程序继续运行。图4图4.3档位选择模块流程图由于接收的电信号经过了分压电路分压，如图4.4所示，档位的判断条件是根据0-5V与0-50V档位切换时串联分压后的电压大小为0.049V，所以将0-50V档位的变量Volt的判断语句设置为小于0.049，程序首先初始化RAN为0且进入fifty函数，当Volt小于0.049V将RAN赋值为1，否则继续运行；如图4.5所示，如果进入five函数，并通过语句判断Volt小于0.049V或是Volt大于0.49V分别赋值RAN为2和0分别进入fi或fifty函数，如不满足条件继续运行程序；如图4.6所示进入fi函数程序对Volt大于0.49V将RAN赋值为1，否则继续运行程序；最终档位确定，由于变量Volt值始终不变，档位不会再产生变化，程序完成了量程档位的选择，并运行至下一步。图4图4.40-50V档位判断流程图图4图4.50-5V档位判断流程图图4图4.60-0.5V档位判断流程图4.3.2数字取位模块档位选择完成后，对接收到的数字电信号Volt进行取位。如图4.7所示，fifty函数继续运行，I1变量将Volt的小数部分的数字进行取整，I2变量取Volt的整数部分的十位，I3变量取Volt整数部分的个位，I4变量则是取Volt小数部分的十分位与百分位，0-50V数字取位模块如图4.7所示。当程序进入five函数时，如图4.8所示，0-5V档位直接使用I2变量取Volt变量的个位，I3变量取小数部分的十分位与百分位。当程序进入fif函数时，如图4.9所示，变量Volt取整数部分，I2与I3则变量取了小数部分后四位的有效数字。完成取位过程后，程序自动将数据发送给显示模块LCD1602。图4图4.70-50V档位数字取位模块图4图4.80-5V档位数字取位模块图4图4.90-0.5V档位数字取位模块4.3.3显示模块本模块主要用于实现电压数值的显示，探针传来的电压值Volt在程序运行过程中一直在更新，如图4.6所示LCD1602在显示数字前通过clear清屏命令将屏幕上的字符初始化或是将之前的显示结果刷新以显示最新的电压值。Clear函数完成后，程序通过print函数显示测量电压的十位与个位和小数部分，并通过设置1000ms的延时来保留测量的变量Volt大小，子程序部分结束，会在新的循环里继续显示接下来新的测量电压大小。如图4.7所示，两个档位的程序中只需要个位与小数部分便能显示电压值，量程则会显示各自的量程。LCD会同时显示两行字符，头一行字符为直流电压大小，另一行为当前档位的量程。图4图4.60-50V显示模块流程图图4图4.70-5V与0-0.5V显示模块流程图4.3.4子程序设计流程图如图4.8所示，是本设计的子程序整体的设计流程图图4图4.8子程序设计流程图子程序流程图设计如图4.8所示，循环函数通过判断RAN变量，进入符合条件的子程序，控制模拟量的输入，并根据判断Volt大小自动切换档位，在LCD1602液晶屏上显示电压值与档位量程。如图4.8所示，本程序通过在电压输入后分压后的测量电压进行模数转换，同时判断数字电信号大小，并显示相应的档位量程和直流电压大小。图4图4.8子程序运行流程图4.4小结本章介绍了档位选择模块、数字取位模块、显示模块、整体的设计流程图以及开发环境和流程设计思路以及子函数的运行方式，本设计通过proteus自带的上传功能将程序下载到树莓派开发板，通过电脑的远程桌面连接功能即可正常连接并运行程序，可设置为开机自动运行程序，无需手动控制程序启动，无需电脑也可独立运行[16]。

5系统调试5.1整机电路连接本设计将档位选择模块、数字选择模块，显示模块，继电器等模块通过所定义的GPIO引脚端口与树莓派开发板连接并进行通信，实物图如图5.1所示。图图5.1整机电路连接图5.2测试将程序设置好后通过同一个wifi网络将程序下载到树莓派开发板中，进行编译,生成python文件并对实物进行验证测试，并点击上传按钮上传至树莓派中如图5.2所示。图图5.2程序下载设置图仿真结果测试：如图5.3所示当输入端电压为6.35V时，LCD1602显示电压为6.363V，电压量程为0-50V。图图5.3仿真测试图显示测试：当电路接通后，将探针接入所测电路，电压会显示在LCD1602上且保留4位以上有效数字。如图5.4所示。图图5.40-50V档位图档位选择测试：当探针读取电压时当电压低于5V时会自动选择档位0-5V，如图5.5所示。图图5.50-5V档位图当电压低于0.5V时会自动选择量程为0-0.5V的档位，并显示当前直流电压的大小。如图5.6所示图图5.60-0.5V档位图树莓派的供电电压为5V，数字电压表测试为4.99V，测试精度达到了1%，测试结果显示了百分位的小数。图图5.7测试树莓派供电电压图0-0.5V档测量值万用表测值误差误差百分比0.10.1220.1370.0220.3%0.20.2130.2160.0130.3%0.30.3210.3320.0210.4%0.40.4320.4440.0320.2%0.50.5130.5210.0130.2%0-5V档测量值万用表测值误差误差百分比1.21.2551.1120.0550.7%2.32.3242.3730.0240.4%2.92.8533.0550.0470.5%3.53.5153.5630.0150.2%4.34.2540.5210.0460.8%0-50V档测量值万用表测值误差误差百分比8.07.9357.8950.0650.7%10.010.28511.2160.2850.4%15.015.11215.6220.1120.6%20.020.57521.0230.5750.2%30.030.51330.3950.5130.4%5.3小结本章将程序下载到开发板并对继电器，显示模块与进行了调试，实现了电压量程档位的自动选择、信号的模数转换、显示测量时电压的大小以及量程相应档位的显示。

6结束语6.1结论本设计是基于树莓派开发的数字电压表，硬件方面以树莓派开发板为平台，外接MCP3008模数转换芯片、液晶显示屏LCD1602、继电器以及分压电路；软件方面使用可视化编程和Proteus仿真开发工具的VisualDesign功能进行设计，实现了目标功能，主要实现的功能如下：（1）探测到的直流电压进入电路后以串联分压的方式被分压电路分压，树莓派对继电器触发高电平实现电压量程的自动档位选择。（2）使用mcp3008模数转换芯片将运送过来的电信号转换为数字信号，并将最终结果显示到LCD1602液晶显示屏上，通过自带字符库来显示电压，精度为1%，同时显示了当前档位的相应量程。同时测量结果相较于为5V的传统磁电式电压表的量程更大，与传统0.5级数字电压表相比精度更高。6.2展望本设计使用树莓派作为开发板与其他外设的基础上进行连接制作。但是本设计中仍然存在许多不尽人意之处，在设计之中可以在液晶屏上添加显示当前电流大小的程序，同时增加运算放大器，以期更加精准的结果，并通过数值加以判断电流是否过大，同时调整分压电路与程序，以期测量更大的电压和电流大小，同时能够测量电阻阻值与二极管通断，并可以在交流与直流电压的测量中进行切换，具有常用万用表的功能，同时具有传统电压表无法比较的精准度。

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