基于V/F變換的單片機(jī)測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李艷 荊州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，通過技術(shù)的進(jìn)步可以解決電壓測量系統(tǒng)中手動(dòng)切換量程來增加測量距離，而采用V/F變換可以有更高的精度，更遠(yuǎn)的測量距離和更高度的智能化，因此要進(jìn)行新型單片機(jī)測量系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研發(fā)。

1. 基于V/F變換的單片機(jī)測量系統(tǒng)簡介

基于V/F變換的單片機(jī)測量系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)模塊：過壓保護(hù)、兩成切換、V/F轉(zhuǎn)換器和顯示模塊、單片機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對0V-500V的交流和直流電壓進(jìn)行測量，并且具有自動(dòng)切換量程的功能，能實(shí)現(xiàn)更高的測量精度和轉(zhuǎn)換精確性，具有較好的性價(jià)比和智性，能夠滿足絕大部分的使用場景。

該單片機(jī)測量系統(tǒng)能夠分別測量直流電壓和交流電壓兩大類。在進(jìn)行交流電壓的測量中，系統(tǒng)先經(jīng)過半波整流電路，使其轉(zhuǎn)化成直流電壓，然后再進(jìn)行后續(xù)的測量工作。通過使被測電壓經(jīng)過一定等級的分壓衰減的方法，可以獲得不同量程的電壓。為了進(jìn)一步提高測量的準(zhǔn)確性，需要由V/F轉(zhuǎn)換器對被測電壓進(jìn)行電壓/頻率的轉(zhuǎn)換，獲得滿足要求的離散非連續(xù)頻率脈沖信號，該信號與輸入的電壓存在一定的函數(shù)關(guān)系。最終經(jīng)過光電耦合送到單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)和處理，在顯示模塊進(jìn)行最終測量數(shù)值的顯示。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理過程如上分析，可以明確看出加入了V/F變換器之后可以將電壓轉(zhuǎn)換成頻率脈沖信號，使得單片機(jī)能夠進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)處理，對得到更精確的電壓值有重要的意義，從而極大程度地提升單片機(jī)測量系統(tǒng)的精度和精確性。

2.基于V/F變換的單片機(jī)測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 過壓保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

電壓測量系統(tǒng)需要在一個(gè)正常工作電壓范圍之內(nèi)，假如出現(xiàn)突然波動(dòng)的電壓則容易損壞電壓測量系統(tǒng)，可能會燒毀系統(tǒng)或者導(dǎo)致電壓測量結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此需要進(jìn)行過壓保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)，通過該模塊的作用能夠防止過高電壓對系統(tǒng)的破壞，防止產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的物理損傷。過壓保護(hù)模塊可以選用壓敏電阻器進(jìn)行安裝和使用，該元件具有瞬態(tài)電壓抑制功能，常用于電路涌浪和瞬變，可以保護(hù)電路不受傷害。因?yàn)殡妷簻y量模塊的電壓測量范圍在500V以內(nèi)，需要的壓敏電阻器值為750V，這樣可以滿足電路過壓保護(hù)的需求，防止系統(tǒng)設(shè)備遭到破壞。

2.2 電壓信號輸入模塊設(shè)計(jì)

電壓信號輸入是完成測量的基礎(chǔ)，因此需要進(jìn)行重點(diǎn)的設(shè)計(jì)。因?yàn)樾枰M(jìn)行交流和直流兩種不同電壓的測量，因此分兩種情況進(jìn)行說明。1.直流電壓的輸入電路設(shè)計(jì)。直流電壓的輸入主要是對輸入電壓的電壓值。經(jīng)過壓敏電阻器組成的過壓保護(hù)之后，在經(jīng)過衰減器，可以對量程進(jìn)行自動(dòng)選擇，然后經(jīng)過量程判別選出合適的輸出電壓進(jìn)入V/F轉(zhuǎn)換器中。2.交流電壓的輸入電路設(shè)計(jì)。在實(shí)際工作中測量的交流信號比較多，因此要先將交流信號轉(zhuǎn)為直流的信號，本設(shè)計(jì)交流電壓測量電路采用平均值響應(yīng)的AC/DC轉(zhuǎn)換電路，測量交流電壓時(shí)仍利用低漂移雙運(yùn)放 IC1（1/2TL062）組成平均值響應(yīng)的線性半波整流電路。

2.3 量程自動(dòng)切換模塊設(shè)計(jì)

在量程自動(dòng)切換系統(tǒng)中采用電磁繼電器作為控制元件，可以起到自動(dòng)調(diào)節(jié)和保護(hù)的作用，能夠負(fù)擔(dān)以微小信號驅(qū)動(dòng)較大符合電流，因此輸入電壓經(jīng)衰減器之后，通過比較電路與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較得到相應(yīng)的信號，根據(jù)該信號的值和標(biāo)準(zhǔn)值的大小選擇相應(yīng)的量程。

2.4 V/F轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

V/F轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)的原理是將輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成離散不連續(xù)的頻率脈沖信號，可以被單片機(jī)系統(tǒng)計(jì)數(shù)和處理。采用LM331作為高性價(jià)比的集成芯片，可以與外圍電路中最簡單的高精度A/D轉(zhuǎn)換器、V/F轉(zhuǎn)換器元件，電源范圍在40V以內(nèi)。對于V/F轉(zhuǎn)換器的信號處理電路圖設(shè)計(jì)，選擇輸出頻率等于變換系統(tǒng)的固定電阻和可調(diào)電阻串聯(lián)，用于調(diào)整LM331的偏差。在阻容的選擇上要用低溫度系數(shù)的元件，可以提高精確性和穩(wěn)定性。經(jīng)過該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，輸出的脈沖信號高電平占空較小，不會產(chǎn)生額外的計(jì)數(shù)誤差，所以在與單片機(jī)系統(tǒng)的接口處要設(shè)置一個(gè)D觸發(fā)器。

2.5 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在該測量系統(tǒng)中單片機(jī)系統(tǒng)是最重要的組成部分，因此單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以采用時(shí)鐘電路加復(fù)位電路的模式構(gòu)成，通過電源模塊來供電。時(shí)鐘電路采用12MHz的晶振，而復(fù)位電路可以采用手動(dòng)開關(guān)進(jìn)行控制，采用單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，當(dāng)單片機(jī)接收到一個(gè)終端信號就會同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)和計(jì)數(shù)器，當(dāng)結(jié)束定時(shí)也會同時(shí)結(jié)束計(jì)數(shù)，通過單片機(jī)的計(jì)算模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理即可得出測到的頻率，然后通過頻率與電壓之間的線性關(guān)系來得到電壓值。電源模塊采用工作電源為±15V和+5V。輸入為220V交流電壓，可輸出+15V、-15V的電壓。+5V電源直接用7805芯片實(shí)現(xiàn)。

結(jié)束語：V/F轉(zhuǎn)換在單片機(jī)測量系統(tǒng)中具有重要的作用，能夠?qū)⒈粶y電壓進(jìn)行電壓和頻率的轉(zhuǎn)換，獲得滿足要求的離散非連續(xù)頻率脈沖信號，因此對提升單片機(jī)測量系統(tǒng)的量程和精度有重要的意義，對電壓測量范圍在0V-500V之間測量能夠?qū)崿F(xiàn)完全覆蓋，轉(zhuǎn)換精度高，線性度好，對電壓檢測行業(yè)有重要意義。