基于MCP3204的大量程光伏電壓顯示電路設(shè)計(jì)

楊清學(xué)

（成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院四川成都610041）

基于MCP3204的大量程光伏電壓顯示電路設(shè)計(jì)

楊清學(xué)

（成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院四川成都610041）

為了解決現(xiàn)有的光伏電壓表存在測(cè)量范圍小、測(cè)量精度低的問(wèn)題。提出了一種基于MCP3204模數(shù)轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)包括AT89S52單片機(jī)，與該AT89S52單片機(jī)連接的電源模塊、cmos反相器、數(shù)碼顯示管、MCP3204模數(shù)轉(zhuǎn)換器和用作AT89S52單片機(jī)上拉電阻的排阻，同時(shí)與cmos反相器和排阻連接的數(shù)碼顯示管，以及與MCP3204模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接、用于接入外部直流電壓以便電壓表測(cè)量的測(cè)量輸入口。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、使用方便，其在很大程度上改善了光伏電壓表的測(cè)量精度和測(cè)量范圍，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

MCP3204；AT89S52單片機(jī)；光伏電壓；顯示電路

隨著電子行業(yè)的發(fā)展，各種測(cè)量?jī)x器也發(fā)展得越來(lái)越多，各式各樣的數(shù)字電壓表應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域?，F(xiàn)階段的光伏發(fā)電電壓測(cè)量表，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致其測(cè)量的量程不是很高，大多數(shù)只能測(cè)量幾十伏的電壓，且精度只能精確到0.1 V，因而在很大程度上限制了其電壓測(cè)量的通用性。

文中使用AT89S52單片機(jī)與MCP3204AD轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)一款性能優(yōu)越、電路簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、精度高的數(shù)字電壓表，利用74LS04驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示，用于光伏電壓測(cè)量，其在很大程度上改善了光伏電壓表的測(cè)量精度和測(cè)量范圍。經(jīng)實(shí)踐證明本設(shè)計(jì)測(cè)試性能良好、測(cè)量穩(wěn)定、性?xún)r(jià)比高。

1　總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖1所示?；贛CP3204A/D轉(zhuǎn)換芯片和AT89S52單片機(jī)設(shè)計(jì)的0～100 V電壓表，精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位；本設(shè)計(jì)能夠準(zhǔn)確測(cè)量0～100 V之間的直流電壓，測(cè)量精度為0.03。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

在對(duì)太陽(yáng)能電池組件輸出電壓的測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生電壓信號(hào)送到采集轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)采集轉(zhuǎn)換電路輸出單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后傳至單片機(jī)處理后經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路及顯示電路，從而將測(cè)得的外部直流電壓值進(jìn)行顯示。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由電源模塊、測(cè)量輸入口、MCP3204模數(shù)轉(zhuǎn)換器、AT89S52單片機(jī)、顯示和驅(qū)動(dòng)電路等組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖［1_2］如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)電源模塊采用6.5～12 V直流電壓，通過(guò)AMS1117_5.0穩(wěn)定輸出電壓為5V，兩個(gè)電容的作用是濾波。

由于本設(shè)計(jì)測(cè)量對(duì)象是0～100 V直流電壓，所以給采樣電路的設(shè)計(jì)減少了很多麻煩，分別根據(jù)MCP3204的輸入電壓考慮，采樣電路使用19K和1K兩個(gè)電阻進(jìn)行分壓，使得采樣最大輸出為5 V，這樣就可以將采集到的電壓直接送給MCP3204進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，如圖所示［3］（2 kΩ電阻是為了誤差補(bǔ)償）。

MCP3204是4通道輸入，SPI通訊輸出的A/D轉(zhuǎn)換芯片，以5 V直流電壓供電，也直接以5 V為芯片提供比較電壓，芯片只使用1位通道進(jìn)行輸入；由于此芯片是SPI通訊方式，所以在與單片機(jī)進(jìn)行通訊時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。

本設(shè)計(jì)使用的單片機(jī)是AT89S52，使用11.0592M晶振為單片機(jī)提供時(shí)鐘；復(fù)位電路采用上單復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種復(fù)位方式；單片機(jī)使用了P0、P1、P2共3個(gè)IO口，P0和P2作為顯示輸出口，P1作為與MCP3204通訊端口［4］。

由單片機(jī)P0口送數(shù)字0_9的共陽(yáng)段碼，由P2送位選，通過(guò)74LS04對(duì)位選端取反送給6位共陽(yáng)數(shù)碼管顯示，達(dá)到外部驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的效果。

工作過(guò)程進(jìn)行介紹：

首先，接通外部電源，對(duì)電源模塊輸入6.5～12 V的直流電壓，然后經(jīng)穩(wěn)壓后，輸出穩(wěn)定的5 V電壓給整個(gè)系統(tǒng)供電，令光伏電壓表正常工作。

接著，測(cè)量輸入口輸入電壓范圍為0～100 V的直流電壓，輸入的直流電壓經(jīng)兩個(gè)分壓電阻分壓后，得到電壓為0～5 V的直流電壓，然后提供給MCP3204模數(shù)轉(zhuǎn)換器。傳至MCP3204模數(shù)轉(zhuǎn)換器的直流電壓，經(jīng)MCP3204模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成AT89S52單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后傳至AT89S52單片機(jī)。

AT89S52單片機(jī)將接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，傳輸至cmos反相器進(jìn)行相位反轉(zhuǎn)，然后傳輸至數(shù)碼顯示管；同時(shí)，AT89S52單片機(jī)還輸出低電平，該低電平經(jīng)排阻上拉增強(qiáng)為高電平后，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼顯示管發(fā)光，從而將測(cè)得的外部直流電壓值進(jìn)行顯示。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用了AT89S52單片機(jī)，除了硬件電路的設(shè)計(jì)外，還需要軟件部分的支持。電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)后，程序?qū)Χ〞r(shí)器0中斷進(jìn)行配置，首先進(jìn)入whi1e大循環(huán)，在大循環(huán)里先和MCP3204進(jìn)行通訊，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，將讀取的數(shù)據(jù)存放到一個(gè)數(shù)組里面，然后通過(guò)for循環(huán)對(duì)數(shù)組里面的每一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行十進(jìn)制的換算，換算的結(jié)果放進(jìn)另一個(gè)數(shù)組里面。

在數(shù)據(jù)的接收處理完成后，程序就等待中斷的到來(lái)，中斷請(qǐng)求允許后，在中斷函數(shù)里面進(jìn)行顯示的處理，然后送給單片機(jī)I/O口進(jìn)行外部的顯示，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　軟件設(shè)計(jì)流程圖

4　實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

根據(jù)本設(shè)計(jì)制作多個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試，將得到的結(jié)果與理論值進(jìn)行比較，測(cè)試結(jié)果性能良好，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠，如表1所示。元器件價(jià)格便宜，其適于推廣應(yīng)用。

表1　測(cè)量結(jié)果

5　結(jié)論

本設(shè)計(jì)通過(guò)設(shè)置AT89S52單片機(jī)、MCP3204模數(shù)轉(zhuǎn)換器、排阻、cmos反相器和數(shù)碼顯示管，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部輸入的直流電壓的測(cè)量和顯示，其不僅測(cè)量精度高（能達(dá)到0.03V），而且測(cè)量范圍廣（能達(dá)到0～100 V），很好地解決了現(xiàn)有光伏電壓表所存在的技術(shù)問(wèn)題。

［1］MICROCHIP.MCP3204/3208系列手冊(cè)［EB/OL］.http：//ww1. microchip.com/down1oads/en/DeviceDoc/21298e.pdf.

［2］宋戈.51單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)范例大全［M］.北京：人民郵電出版社，2012.

［3］曾敬.數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)［J］.信息與電腦，2015（5）：5_6.

［4］倪麗惠.基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表［J］.科技視界，2014 （32）：119_120.

［5］雷建龍，郭小軍.單片機(jī)C語(yǔ)言實(shí)踐教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

［6］王業(yè)勝.基于ATMEGA8數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2014（3）：75_76

Deslgn of a large number of MCP3204 based PhotoVoltalc Voltage dlsPlay clrcult

YANG Qing_xue
（Chengdu Polytechnic，Chengdu 610041，China）

In order to so1ve the existing prob1ems of sma11 measuring range and 1ow measurement accuracy in the existing photovo1taic vo1tage meter.A design scheme based on MCP3204 ana1og to digita1 conversion is presented，and the hardware and software design of the system is comp1eted.The system inc1udes MCU AT89S52，and the MCU AT89S52 connection of power supp1y modu1e，CMOS inverter，digita1 disp1ay tube，mcp3204 ana1og to digita1 converter and used as the AT89S52 microcontro11er pu11 resistance of exc1usion，and CMOS inverter and exc1usion connected digita1 disp1ay tube，and is connected with the mcp3204 ana1og to digita1 converter and used for access externa1 DC vo1tage to vo1tage meter measuring，the input port.The system has simp1e structure，reasonab1e design，convenient use，and it can improve the measurement accuracy and measurement range of the PV vo1tage meter to a great extent.

MCP3204j AT89S52j photovo1taic vo1tagej disp1ay circuit

TP274

A

1674_6236（2016）10_0121_02

2015_09_07稿件編號(hào)：201509055

四川省教育廳重點(diǎn)科研課題基金項(xiàng)目“四川省教育廳資助科研項(xiàng)目”（15ZA0362）

楊清學(xué)（1965—），男，四川青川人，副教授。研究方向：光伏發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用。