高精度無線直流電壓監(jiān)測儀設計與實現(xiàn)

趙鵬+荊紅莉??

摘要：提出了以STC89C52單片機為控制器，結合信號變換電路、AD轉換電路、LCD顯示電路及無線收發(fā)電路等實現(xiàn)主從機的硬件設計；分析了軟件主程序的編寫思路并給出流程圖；實現(xiàn)了對-10V～+10V電壓進行實時監(jiān)測，精度為0.01V。對系統(tǒng)調試中信號變換電路的工作原理及存在的誤差進行了分析，并對設計中遇到的AD轉換器結果有誤、集成運放工作異常、提高電壓監(jiān)測范圍及主從機顯示結果不一致等問題進行深入分析，提出了改進措施。與傳統(tǒng)的利用分壓電路擴大測量范圍的電壓監(jiān)測儀相比，本設計具有系統(tǒng)性能穩(wěn)定、測量精度高等優(yōu)點，對直流電壓的實時監(jiān)測有一定的借鑒作用。

關鍵詞：電壓監(jiān)測；信號變換；無線收發(fā)；主從機

中圖分類號：TP353文獻標識碼：ADOI：10.3969/j.issn.10036199.2017.01.013

1引言

市面上大多數(shù)電壓實時監(jiān)測儀無法實現(xiàn)無線傳輸功能，其靈活性明顯降低，而核心器件A/D轉換器的輸入電壓范圍、轉換速度及精度與其價格有直接關系，如只能輸入單端信號，或支持輸入差分信號的A/D轉換器價格較高等因素制約著電壓監(jiān)測儀的性價比。本設計主機選用12位高精度A/D轉換器TLC2543，利用信號變換電路拓寬電壓輸入范圍；利用圖形液晶LCD12864直觀顯示其工作狀態(tài)和監(jiān)測電壓；主從機通過無線收發(fā)模塊NRF24L01交互，從而實現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸頻率低于66Kbps時1000米范圍內的電壓實時監(jiān)測[1]。

2系統(tǒng)結構分析

本設計由主機和從機兩大部分組成，具體結構如圖1所示。主機實現(xiàn)信號的變換與采集、處理、顯示及發(fā)送，從機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、分析及顯示。其中，時鐘電路和復位電路是單片機系統(tǒng)正常運行的前提；信號變換電路實現(xiàn)將待測的寬范圍差分電壓轉換為符合A/D轉換器TCL2543的輸入電壓；無線收發(fā)模塊NRF24L01實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)主從機之間的實時交互； LCD12864顯示數(shù)據(jù)的發(fā)送狀態(tài)和具體監(jiān)測值；主從機的控制器STC89C52實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的處理、收發(fā)及顯示控制。

主從機的硬件設計非常相似，便于PCB布局布線和程序移植[2]。

3硬件設計

3.1時鐘、復位及顯示電路設計

時鐘電路是單片機能夠正常運行的基本前提，本設計單片機晶振頻率為12 MHz，C2、C3為22 pF的起振電容；復位電路中RST引腳的高電平維持兩個機器周期，即可實現(xiàn)系統(tǒng)復位，利用按鍵S1觸發(fā)實現(xiàn)上電復位，利用1 μF的電容C1的充放電實現(xiàn)手動復位；顯示電路由LCD12864組成，其可以工作于串行工作方式，也可以工作于并行工作方式。為了節(jié)約單片機的I/O資源，本設計選擇串行工作方式。LCD12864中引腳PSB為并/串行接口選擇端，低電平為串行工作方式，因此接地；5引腳為串行數(shù)據(jù)口SID與單片機P2.7連接；6引腳CLK為時鐘輸入端由單片機P2.6產(chǎn)生時鐘脈沖用于同步數(shù)據(jù)傳輸[3]。具體電路如圖2所示。3.2信號變換與采集電路設計

TLC2543模擬量輸入范圍為0～5 V，為了使測量電壓范圍增大，利用信號變換電路將-10 V～10 V的電壓經(jīng)過偏置調節(jié)和差動放大使輸出的電壓信號在0～5 V，以適合A/D轉換器的要求。其中集成運放為OP07，它的輸入失調電壓和輸入噪聲相對較小，通用性很強具有較高的性價比。電路的前半部分是一個加法電路，實現(xiàn)-10 V～10 V到0 V～-10 V的平移，后半部分用來實現(xiàn)電壓的比例轉換，即0 V～-10 V到0 V～5 V的轉換[4]。

圖2時鐘、復位與顯示電路

TLC2543為12位串行A/D轉換器，采樣率為66Kbps，線性誤差為1LSB，支持11路模擬信號的輸入，其中13、14引腳REF-、REF+分別為負向基準電壓和正向基準電壓，與地和5 V電源相接；15引腳為片選端CS低電平有效，由單片機的P1.3控制；16、17引腳為串行數(shù)據(jù)輸出端OUT、輸入端IN，由單片機的P1.2和P1.1控制；18引腳為輸入輸出時鐘的控制端CLK，與單片機的P1.0相接，用來同步數(shù)據(jù)的傳輸。由于本設計對TLC2543的轉換結束的判斷采用等待延時工作方式，所以19引腳轉換結束EOC沒有使用[5]。具體電路如圖3所示。

3.3無線收發(fā)電路設計

NRF24L01是工作在2.4 GHz～2.5 GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片，傳輸最高速率為2 Mbps，與TLC2543的采樣速率相匹配。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器。NRF24L01集成了所有與RF協(xié)議相關的高速信號處理部分，其SPI接口可利用單片機的輸入/輸出口模擬，內部有FIFO便于與各種高低速處理器兼容[6]。該收發(fā)器件的供電電壓為1.9～3.6 V，本設計利用滑動變阻器的分壓獲得3.3V的供電電壓；CE為發(fā)送或接收模式選擇由單片機P2.5控制；SCN為SPI片選端連接至單片機的P2.2；SCK為SPI時鐘與單片機P2.4連接；MOSI、MISO分別為SPI從機輸入和從機輸出由單片機的P2.1和P2.3分別控制；IRQ為可屏蔽中斷輸出與單片機的P2.0連接。具體電路如圖4所示。

從機電路的設計與主機相同，其區(qū)別在于從機無需信號變換電路和A/D轉換電路，只是通過無線收發(fā)模塊接收主機采集的12位二進制數(shù)。4主機程序設計

主機主程序是控制單片機系統(tǒng)按預定操作方式運轉的程序，它負責組織調用各子程序模塊。其工作過程為：系統(tǒng)上電后，STC89C52進入監(jiān)控狀態(tài)，同時完成對各個端口的初始化工作。選擇A/D轉換器的通道并啟動轉換，TLC2543為12位A/D轉換器，NRF24L01分高8位和低8位兩次發(fā)送。同時將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過標度變換由LCD實時顯示，具體流程圖如圖5所示。

從機程序設計與主機類似，只是用來接收數(shù)據(jù)并通過標度變換顯示數(shù)據(jù)，且標度變換的算法與主機一致。

5系統(tǒng)調試及存在問題分析

5.1信號變換電路調試

由信號變換電路原理圖可知，理想輸入與輸出電壓的關系為：

UOUT=R9R7R6（5R4+ViR3）（1）

當R4=R6=R9=5K，R3=R7=10K可化簡為下式：

UOUT=52（1+Vi10）（2）

用含有±5 V、±12 V以及0～+12 V、0～-12 V的可調穩(wěn)壓源搭建電路使OP07正常工作[7]。用四位半數(shù)字萬用表VC8245測量在正常工作情況下實際輸入對應的輸出并與理想輸出對照，得出的結果如表1所示。

5.2調試過程中問題分析

1） A/D轉換器TLC2543轉換結果有誤

單片機對于TLC2543的讀寫操作必須嚴格按照其操作時序，否則會出現(xiàn)時序混亂，導致A/D轉換器不能正常工作[9]。

2）集成運算放大器不能正常工作

對于固定增益低頻放大器，單級一般不超過40 dB；固定增益高頻放大器（10 MHz），單級一般不超過20 dB；單級放大器設計增益過高是放大器工作不穩(wěn)定的重要原因。一般運放的最高輸出電壓要低于其供電電壓1.5 V～2.5 V，軌對軌運放的最高輸出電壓接近其供電電壓。由于檢測的電壓變化頻率較低，可以不用考慮壓擺率。

3）如何擴大電壓的測量范圍

采用電阻分壓可以提高電壓的測量范圍，但當負載變換時，電阻上的壓降也會變化，所以不穩(wěn)定。而集成運放OP07的高電源電壓范圍為±3 V至±22 V，可通過提高OP07的電源電壓以擴大信號變換電路的測量范圍。

6結論

無線電壓監(jiān)測儀的設計向著既可以測量直流，也可以測量交流的寬電壓范圍的方向發(fā)展。如需進一步完善無線電壓監(jiān)測儀的設計，對于TLC2543的操作可采用中斷工作方式，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更穩(wěn)定；由于TLC2543為11通道A/D轉換器，可以實現(xiàn)多通道的電壓監(jiān)測，在其輸入端添加濾波電路使系統(tǒng)更穩(wěn)定；如果設計不考慮成本的情況下，利用支持-5 V～5 V差分輸入的24位串行A/D轉換器ADS1256可以提高數(shù)據(jù)的采集精度并可以簡化電路，但要擴大信號的采集范圍，必須采用信號變換電路；利用內置Wi-Fi的網(wǎng)絡處理器CC3200，采用互聯(lián)網(wǎng)和云平臺合作。

參考文獻

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