基于單片機(jī)的專用電壓測量儀設(shè)計(jì)

史新鵬+高松+初俊博

摘 要 針對某些專用設(shè)備測量電壓不便的問題，設(shè)計(jì)了以W78E516單片機(jī)為控制核心的多用途電壓測量儀器。包括AD轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路、報(bào)警電路等模塊來實(shí)現(xiàn)對電壓進(jìn)行測量、顯示和檢測報(bào)警。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)電路簡單、測量精度高，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 電壓測量；W78E516單片機(jī)；顯示報(bào)警

中圖分類號 TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）06-0078-03

電壓這個詞與我們的日常生活息息相關(guān)，然而，人們在測量電壓時往往會遇到一些比較特殊的應(yīng)用場合，比如某些設(shè)備的專用電纜上曾出現(xiàn)過感應(yīng)電壓及漏電電壓，操作人員在連接這些電纜時可能會意外引爆火工品，直接影響到設(shè)備及人員安全。目前并沒有專用的測量設(shè)備可以直接測量感應(yīng)電壓及漏電電壓，基本使用萬用表測量，而使用萬用表又存在諸多不便之處。根據(jù)以上背景，本文設(shè)計(jì)一款以W78E516單片機(jī)為控制核心，通過專用線纜直接測量電纜中的感應(yīng)電壓及漏電電壓的專用測量儀器，以解決長期測量不便的問題。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電壓測量儀按照設(shè)計(jì)要求，包含以下硬件模塊單元：控制器部分、按鍵信號輸入部分、液晶輸出顯示部分、報(bào)警輸出部分、測量信號變換部分、模數(shù)轉(zhuǎn)換部分等。核心控制器采用W78E516單片微型計(jì)算機(jī)，它是自帶64KFlash EPROM、512字節(jié)片內(nèi)RAM、4組8位雙向輸入輸出口、3個16位定時器、6個中斷源、1個雙向串行口的8位CMOS單片機(jī)，主要用于監(jiān)控程序的執(zhí)行、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算處理、顯示控制、報(bào)警輸出等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 信號變換處理

原始測量信號經(jīng)分壓電路（分壓電阻為R13A和R6A）分壓后進(jìn)入轉(zhuǎn)換電路第一級運(yùn)放U5A的輸入端3引腳，2個穩(wěn)壓管作用為過壓保護(hù)。運(yùn)放U5A構(gòu)成電壓跟隨器電路，它的輸出值與輸入值相同，在電路中作用是增加輸入阻抗。信號從U5A的6引腳輸出后進(jìn)入全波精密檢波電路（U3A和U6A構(gòu)成的電路）后，經(jīng)過全波精密檢波電路變換后得到脈動直流信號，再經(jīng)過濾波電路濾波后得到直流信號，進(jìn)入運(yùn)放PGA103U（U2A）放大K倍，其中增益K值是由單片機(jī)的P26、P27引腳輸出TTL電平控制得到，輸出信號再經(jīng)過濾波進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換部分電路。信號變換處理部分電路如圖2所示。

1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換

為保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計(jì)算精度、數(shù)據(jù)精度，本系統(tǒng)采用了串行12位AD轉(zhuǎn)換芯片TCL2543IDW，其轉(zhuǎn)換精度可在0.025%，具有12位精度、8路模擬輸入接口、電容開關(guān)轉(zhuǎn)換、逐次逼近、內(nèi)部帶有采樣保持和系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時鐘、SPI串行接口的CMOS技術(shù)。測量信號經(jīng)信號變換處理電路后得到的處理信號直接與TCL2543的輸入引腳1、2進(jìn)行相連，通過軟件完成SPI數(shù)據(jù)接口，即完成數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而將該信號提供給單片機(jī)。模數(shù)轉(zhuǎn)換部分電路如圖3所示。

1.3 點(diǎn)陣式液晶顯示

測量儀的顯示采用YXD-19264C1型液晶控制器，其顯示點(diǎn)陣數(shù)為192×64，既能顯示漢字，又能顯示數(shù)據(jù)，一屏顯示12字×4行的16×16的漢字。點(diǎn)陣式液晶顯示部分和單片機(jī)連接時主要有3部分，液晶控制器接口要求的數(shù)據(jù)總線和控制總線直接和單片機(jī)的8位數(shù)據(jù)總線P0口及P1口中相應(yīng)引腳直接相連，而地址總線的低8位由單片機(jī)的多路復(fù)用數(shù)據(jù)地址總線D0口通過74HC373進(jìn)行地址鎖存后提供，高位地址總線由單片機(jī)的P2口直接提供。點(diǎn)陣式液晶顯示部分電路如圖4所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)中采用了模塊化的設(shè)計(jì)，使程序的結(jié)構(gòu)更加的清晰，方便今后對程序的修改和功能的擴(kuò)展。儀表的主要工作是測量相關(guān)電纜的漏電電壓、感應(yīng)電壓和測量電壓，這些測量量均為模擬量，顯然儀表需要先將這些模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再送入單片機(jī)進(jìn)行處理，然后再將單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)送到液晶單元進(jìn)行顯示。根據(jù)儀表的功能，軟件程序設(shè)計(jì)方面包括主程序和各模塊功能程序。其中主程序流程圖如圖5所示。

3 測試結(jié)果

測量儀主要測試的專用設(shè)備相關(guān)電纜上的感應(yīng)電壓和漏電電壓以及正常工作時電壓，這些電壓的測量范圍為直流0～40V，交流0～40V。測量時，采用標(biāo)準(zhǔn)信號源輸出標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行測量，測量數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可以看出，顯示的電壓值和信號源輸出的電壓值很接近，基本滿足設(shè)計(jì)的要求，如果想把誤差進(jìn)一步減小，可以通過軟件方面的處理來達(dá)到目的。試驗(yàn)說明，本文所設(shè)計(jì)的電壓測量儀可以用于相關(guān)電路電壓的測量。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)以W78E516單片機(jī)為控制芯片完成了專用設(shè)備相關(guān)電路電壓測量儀的設(shè)計(jì)，并且通過軟件校正了硬件所造成的部分誤差，使得測量的精度更高。同時，還采用模塊化的處理方式，對以后開發(fā)研制更加完善的系統(tǒng)打下了良好的基礎(chǔ)。

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