综合实验1
一、实验题目
基于Arduino的电压有效值测量电路设计与实现
二、项目背景
Arduino是源自意大利的一个基于开放原始码的软硬件平台，该平台包括一片具备简单I/O功效的电路板以及一套使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。
Arduino 可用来开发独立运作、并具互动性的电子产品，也可以开发与PC相连的周边装置，同时能在运行时与PC上的软件进行交互。
Arduino的电路板硬件可以自行焊接组装，也可以购买已组装好的成品；而开发环境软件则可通过网络免费下载与使用。
目前Arduino的硬件部分支持Atmel的A Tmega 8、ATmega 168、ATmega 328等微处理器。
此外，Arduino方案获得2006年Prix Art Electronica电子通讯类方面的荣誉奖。
Arduino的硬件电路参考设计部分是以知识共享（Creative Commons；CC）形式提供授权，相应的原理图和电路图都可以从Arduino网站上获得。
Arduino特点：
●开放原始码的电路图设计，程式开发界面免费下载，也可依需求自己修改；
●具有多通道的数字I/O、模拟输入、PWM输出；
●具有10bit的ADC；
●Arduino 可使用ISCP线上烧入器，自行将新的IC芯片烧入“bootloader”；
●可依据官方电路图，简化Arduino模组，完成独立运作的微处理控制；
●可快速、简单、方便地与传感器、各式各样的电子元件、电子电路进行连接；
●支援多样的互动程序，如Flash、Max/Msp、VVVV、Processing等；
●使用低价格的微处理控制器；
●可通过USB接口供电。
三、实验目的
1、熟悉Arduino最小系统的构建和使用方法；
2、掌握峰值半波整流电路的工作原理；
3、根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数；
4、画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）；
5、熟悉计算机仿真方法；
6、熟悉Arduino系统编程方法。
四、实验要求
设计实现Arduino最小系统，并基于该系统实现对正弦波电压有效值的测量和显示。
1、基本要求
（1）实现Arduino最小系统，并能下载完成Blink测试程序，驱动Arduino数字13口LED闪烁；
（2）电源部分稳定输出5V工作电压，用于系统供电；
（3）设计峰值半波整流电路，技术指标要求如下：
●输入信号电压范围：0～1V；
●频率范围：500Hz～2KHz；
●电源电压：5V；
（4）采用Arduino最小系统读取峰值半波整流电路的输出结果，并计算正弦波电压有效值；
（5）测量出的有效值通过Arduino串口监视器进行读取。
2、提高要求
（1）用数码管显示正弦信号有效值的测量结果；
（2）用Arduino最小系统直接读取正弦信号计算有效值，比较不同测试方法的测量误差；
（3）自拟其他功能。
3、提交材料
（1）实验报告（含仿真结果、原理图）
（2）峰值半波整流等相关电路的仿真文件；
（3）Arduino程序；
（4）电路原理图文件。
五、实验考核
在题目的完成过程中，进行分阶段考核：
1、检查电源电路部分，输入7~10V，测量输出结果；
2、检查Arduino最小系统的完成情况，可以驱动数字13口LED的Blink闪烁；
3、检查峰值半波整流电路输出，用示波器测量是否满足电压和频率范围要求；
4、检查整流滤波电路，用示波器测量是否满足电压和频率范围要求；
5、完成系统设计，检查Arduino最小系统读取的正弦波电压有效值，并与示波器或者毫伏表的测量结果进行比较；
6、检查电路各个模块搭接的电路是否合理及规范；
7、检查电路设计过程中仪器及材料的使用情况。
六、设计思路提示
1、系统组成框图
Arduino电压有效值测量电路包括峰值半波整流电路、最小系统、显示、稳压电路四部分（图1），其中最小系统包括微处理器、振荡电路、下载电路和测试电路。
图1 Arduino应用系统
2、Arduino最小系统的设计与实现
各个Arduino产品其实都是对Arduino最小系统的各种功能扩展与集成，万变不离其宗，如果自己会做Arduino最小系统，就可以很方便地定制出特殊功能的专用Arduino。
我们就用市面上最常见的ATMEGA8芯片来介绍怎样自己搭建一个最小系统，DIP封装的ATMEGA8芯片的引脚图如图2所示。
图2 ATMEGA8引脚图
一个最小系统只需要一个16M晶振与两个22PF电容，按照图3连接9、10引脚即可。
图3 Arduino最小系统
最小系统的硬件部分很简单，但是Arduino并不单单是硬件，一定要有配套的软件，需要使用Arduino IDE（集成开发环境）把Bootloader下载进入这个最小的硬件系统中。
USBtinyISP是一款为AVR单片机设计的基于USB接口的ISP下载线，使用它可以为大部分AVR单片机下载程序。
在Arduino IDE中，USBtinyISP是被Arduino支持的下载线，可以用来下载Bootloader。
安装USBtinyISP所需要的驱动程序后，在系统的硬件管理器中，能够找到“USBtinyISP AVR Programmer”，表明该下载线已经可以使用，并可同时为Arduino供电。
用6芯的连接线将USBtinyISP和Arduino上的ICSP按照图4连接，实物连接图参考图5。
图4 ICSP连接
图5 Arduino最小系统实物连接图
通过Arduino IDE，点击“烧写Bootloader”，就可以看到下载器的BUSY灯开始亮，大约不到1分钟，Bootloader就下载好了。
然后打开Arduino IDE官方例程Blink代码进行Arduino最小系统的测试，如果D13引脚接上一个LED，就会有闪烁的效果。
Arduino最小系统，只是一个系统运行的最低要求，其他可以根据自己的实际需要进行扩展，做出自己个性化的Arduino。
3、峰值半波整流电路
（1）半波整流电路
图6为精密半波整流电路，它属于反相型运放电路。
当正弦波输入电压U i为正极性时，运放输出U o1为负极性，二极管D2导通、D1截止，输出电压U o为0；当输入电压U i为负
极性时，运放输出U o1为正极性，此时D1导通、D2截止，电路处于反相比例运算状态，输出电压U O = -U i Rf/Ri。
图6 半波整流电路
（2）电容滤波电路
交流电经过整流后得到的是脉动直流，采用滤波电路可以大大降低这种交流纹波成分，让整流后的波形变得比较平滑，如图7所示。
通过整流滤波电路得到电压的峰峰值等于2倍电压有效值。
图7 电容滤波电路
4、电源电路
系统实现后可以通过USB供电，也可以外接电源或者采用9V电池供电。
为了保证系统的可靠和稳定，在外接电源和电池时，需要设计电源稳压电路，提供5V直流电压用于Arduino最小系统和显示部分工作，单片集成稳压器是常用的稳压器件之一。
七、实验仪器及元件
综合实验过程考核统计表
课程名称实验题目班级姓名学号。