電壓是電子與電力系統(tǒng)中最基本的測(cè)量元素之一[1-2],快速準(zhǔn)確地獲取電壓值一直是數(shù)據(jù)采集與電子測(cè)量?jī)x器研究的重要內(nèi)容之一[3]。傳統(tǒng)的指針式電壓表具有精度低、可視距離近、功能單一等缺陷，已不適應(yīng)高速信息化的發(fā)展需要。目前市場(chǎng)上廣泛使用的數(shù)字電壓表智能化程度低，測(cè)量電壓時(shí)需手動(dòng)切換量程，當(dāng)量程選擇不當(dāng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)測(cè)量精度下降、乃至燒壞電壓表的極端情況；而高精度的全量程無(wú)檔數(shù)字電壓表一般都采用了DSP、FPGA或CPLD等復(fù)雜電路系統(tǒng)，硬件和軟件實(shí)現(xiàn)成本較高[4-5]。為此，筆者設(shè)計(jì)研制出了一種以單片機(jī)為控制主體的智能交流直流電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有體積小、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用與讀數(shù)方便、性價(jià)比高、適應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，有效地彌補(bǔ)了上述各種電壓表系統(tǒng)的缺點(diǎn)和弊端。

1 系統(tǒng)總體方案

　　該電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由電壓衰減器、量程轉(zhuǎn)換及放大電路、AC/DC轉(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、主控單片機(jī)STC89C52以及LCD顯示電路等5個(gè)部分組成，其原理框圖如圖1所示。電壓衰減器和放大器將待測(cè)模擬信號(hào)電壓值轉(zhuǎn)換到AC/DC變換器的輸入電壓范圍內(nèi)，直流電壓經(jīng)衰減放大后不需作AC/DC轉(zhuǎn)換；量程轉(zhuǎn)換電路[6]根據(jù)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬直流電壓大小，由單片機(jī)判斷后控制繼電器對(duì)衰減放大電路作相應(yīng)的調(diào)整，確保選擇出最佳量程；A/D轉(zhuǎn)換由單片機(jī)啟動(dòng)，在軟件中對(duì)采集到的數(shù)據(jù)作數(shù)字濾波、標(biāo)度變換和系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)等處理后，根據(jù)電壓類型標(biāo)志位在LCD上顯示測(cè)量值和電壓類型。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 電壓衰減、放大和量程轉(zhuǎn)換電路

　　電壓衰減放大和量程轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。電阻R1~R5構(gòu)成衰減系數(shù)分別為1、10、100、1 000、10 000的分壓器，將被測(cè)輸入電壓Uin衰減至0~200 mV范圍內(nèi)并送至后端電路放大、 AC/DC轉(zhuǎn)換(直流電壓不需轉(zhuǎn)換)、A/D轉(zhuǎn)換以及由單片機(jī)進(jìn)行采集、處理與顯示。為了降低測(cè)量誤差,分壓電阻R1~R5均選用誤差為±0.5%的精密金屬膜電阻。量程的選擇由單片機(jī)的P1.0~P1.4口線經(jīng)反相器74HC04反相后控制SPRAGUE公司的高耐壓、大電流達(dá)林頓晶體管集成電路ULN2003的輸入端1 B~5 B，從而驅(qū)動(dòng)電磁繼電器K1~K5的觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)吸合或斷開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。交流電壓與直流電壓共用同一轉(zhuǎn)換量程，K1~K5被獨(dú)立吸合時(shí)對(duì)應(yīng)的量程依次為200 mV、2 V、20 V、200 V、1 000 V（AC 750 V）。若被測(cè)電壓高于單片機(jī)設(shè)定的量程，單片機(jī)控制相應(yīng)的繼電器線圈接通對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減，反之則放大，以保證輸入至AC/DC轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)不超過(guò)它們的工作電壓范圍。因被測(cè)電壓未知，為避免電路被燒壞，初始量程應(yīng)設(shè)定為最高量程。

　　ULN2003芯片內(nèi)部二極管負(fù)極公共端COM接至負(fù)載電源+5 V，對(duì)各繼電器線圈起反向續(xù)流作用。加入反相器74HC04的目的是防止單片機(jī)系統(tǒng)通電或復(fù)位時(shí)，輸入高壓不經(jīng)分壓直接進(jìn)入后級(jí)弱電系統(tǒng)導(dǎo)致燒毀電路的情況。運(yùn)放U3接成電壓跟隨器形式,起隔離前后通道的作用，并降低輸出阻抗、提高帶負(fù)載能力。其中，R6、R7為限流電阻，防止因量程切換至各量程時(shí)造成過(guò)大的電流；D1、D2為雙向限幅二極管，起過(guò)壓保護(hù)作用。運(yùn)放A4和電阻R8、R9、R10連接成同相比例電路，將衰減成0~200 mV范圍內(nèi)的信號(hào)放大10倍送給后面的AC/DC轉(zhuǎn)換器AD637J(標(biāo)稱滿量程為2 V)進(jìn)行交流/直流轉(zhuǎn)換(直流不需轉(zhuǎn)換)。

　　2.2 AC/DC轉(zhuǎn)換電路

　　AC/DC轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，由兩片單通道單刀雙擲(SPDT)模擬開(kāi)關(guān)MAX14763完成交流/直流電壓通道的切換功能,一片高性能真有效值TRMS(True Root Mean Square)轉(zhuǎn)換器AD637K完成交直流電壓轉(zhuǎn)換功能。

　　MAX14763是MAXIM公司生產(chǎn)的+3.0 V~+5.5 V單電源供電器件，允許通過(guò)超出其電源電壓擺幅的±25 V范圍內(nèi)的雙極性信號(hào)。導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通漏電流最大值分別為2 Ω、±100 nA，較低的導(dǎo)通電阻和較寬頻帶(-3 dB帶寬為100 MHz)使得其非常適合于數(shù)字和模擬信號(hào)切換場(chǎng)合的應(yīng)用。當(dāng)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)S1閉合時(shí)，MAX14763的SEL端為低電平、COM端連接至A1,接通交流電壓通道，對(duì)輸入交流電壓進(jìn)行AC/DC轉(zhuǎn)換；反之則接通直流電壓通道，讓直流輸入電壓直接進(jìn)入后級(jí)電路。

　　AD637K是ADI公司生產(chǎn)的一款完整的高精度、單芯片均方根直流(RMS-DC)轉(zhuǎn)換器，可計(jì)算任何復(fù)雜輸入波形的真有效值TRMS而不必考慮波形參數(shù)及失真度的大小，并提供等效直流輸出電壓。即:

　　T為測(cè)量時(shí)間，VIN(t)為輸入信號(hào)波形?？梢?jiàn)，波形的真均方根值與信號(hào)功率直接相關(guān)，因此比平均整流信號(hào)更為有用。AD637K的準(zhǔn)確度為±(0.25 mV+0.05%RDG)，允許測(cè)量有效值200 mV、頻率最高達(dá)600 kHz的輸入信號(hào)以及有效值1 V以上、頻率最高達(dá)8 MHz的輸入信號(hào)。AD637K的最高滿量程范圍是有效值7 V， 由于有效值2 V滿量程范圍能夠?yàn)榉逯递斎?高波峰因素信號(hào))提供更大的動(dòng)態(tài)余量，所以衰減放大電路輸出信號(hào)U1應(yīng)控制在此范圍內(nèi)。電路中平均電容C1用來(lái)設(shè)置均值時(shí)間，同時(shí)決定低頻精度、輸出紋波大小和穩(wěn)定時(shí)間。電位器RW1和RW2分別用來(lái)對(duì)輸出調(diào)零和調(diào)幅，以使輸出更準(zhǔn)確。

　　2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

　　A/D轉(zhuǎn)換電路如圖4所示，其中運(yùn)放U8和電阻R14~R16構(gòu)成同相放大電路，對(duì)前端輸出的直流電壓U2(≤2 V)2倍放大，將輸入電壓Uin的測(cè)量分辨率提高了一倍。MAX187是MAXIM公司推出的串行12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片，采用單+5 V電源工作，內(nèi)部含有片內(nèi)時(shí)鐘和采樣/保持器，采樣速率達(dá)75 kHz。其通過(guò)高速3線串行接口與單片機(jī)的I/O口線P2.0~P2.2進(jìn)行連接，接口與SPI、QSPI和Microwire總線協(xié)議兼容。SHDN接高電平，REF端對(duì)地接4.7 μF的電容，這是其使用內(nèi)部4.096 V基準(zhǔn)電壓方式，AIN端輸入模擬信號(hào)的電壓在0~4.096 V范圍內(nèi)。

　　2.4 LCD顯示電路

　　本系統(tǒng)采用NOKIA公司生產(chǎn)的5110液晶顯示器(LCD)模塊作為顯示單元，完成顯示當(dāng)前電壓值與電壓類型(交流或直流)的功能，電路如圖5所示。NOKIA 5110與單片機(jī)只有5根信號(hào)線連接，接口電路簡(jiǎn)單。它的通信協(xié)議是一個(gè)沒(méi)有MISO只有MOSI的SPI協(xié)議，傳輸速率高達(dá)4 Mb/s，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)而無(wú)等待時(shí)間，可以采用單片機(jī)軟件程序模擬。SPI接口寫數(shù)據(jù)/命令時(shí)序(傳送1 B)如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)軟件總體流程

　　系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖7所示，為便于程序的移植、調(diào)用和調(diào)試，采用了模塊化程序設(shè)計(jì)思想對(duì)不同特定功能的模塊分別進(jìn)行編程。單片機(jī)上電先進(jìn)行程序初始化，完成對(duì)K1~K5繼電器、MAX187和NOKIA5110的硬件設(shè)置，以及單片機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)中斷和系統(tǒng)變量的初始化。接著選擇最高量程(將P1.4~P1.0口線狀態(tài)置為01111)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行采樣和作數(shù)據(jù)處理計(jì)算，并判斷量程是否合適。超量程閾值和欠量程閾值分別取為4 000和400，對(duì)應(yīng)ADC輸入電壓分別為4 V和0.4 V。若當(dāng)前量程合適，則對(duì)處理后的數(shù)字量作標(biāo)度變換和誤差校準(zhǔn)后得到被測(cè)電壓值，并在LCD上顯示電壓類型、有效值和單位等信息。反之，則進(jìn)行量程切換，找到一個(gè)新的最佳量程，下次測(cè)量就在新選擇的量程下進(jìn)行。在判決時(shí)，若量程為最低檔時(shí)仍為欠量程，則維持原量程不變化；若量程為最高檔時(shí)仍為超量程，則必須采取相應(yīng)的過(guò)載處置措施。

　　3.2 采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波

　　對(duì)A/D采樣后數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，先后運(yùn)用了程序判斷濾波法和滑動(dòng)平均濾波法，前者用來(lái)剔除掉因隨機(jī)干擾、誤檢測(cè)或系統(tǒng)不穩(wěn)定等偶然因素引起的尖脈沖干擾信號(hào)，后者用以抑制數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)的周期性干擾成分如無(wú)線電波引起的高頻干擾。程序判斷濾波算法是根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)判斷，確定出相鄰采樣允許的最大偏差值DT(這里取值為8)，當(dāng)每次檢測(cè)到新值時(shí)判斷：如果本次值與前次值之差的絕對(duì)值小于或等于DT，則本次采樣值有效；相反則放棄本次值，取前次值代替本次值。如下式所示：

　　在排除脈沖干擾后，利用滑動(dòng)平均濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理。其把連續(xù)N個(gè)采樣值(這里N=10)看成一個(gè)長(zhǎng)度為N的隊(duì)列，每采樣到一個(gè)新值放入隊(duì)尾，并扔掉原來(lái)隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，然后對(duì)隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)作算術(shù)平均運(yùn)算，獲得新的濾波結(jié)果D=Dn，此數(shù)據(jù)用來(lái)閾值甄別和作標(biāo)度變換。

　　3.3 系統(tǒng)誤差的校準(zhǔn)算法

　　由于系統(tǒng)電路的基準(zhǔn)誤差、放大器的零點(diǎn)漂移與偏移、增益誤差和非線性等非理想特性會(huì)引起系統(tǒng)誤差，為了提高測(cè)量精度，采取了以下算法進(jìn)行誤差校準(zhǔn)和補(bǔ)償。設(shè)等精度測(cè)量得到M組電壓樣本數(shù)據(jù)(Xi,Yi)，其中：i=1,…，M, Xi和Yi分別為標(biāo)度變換后電壓值(測(cè)量值)和實(shí)際值(由高精度電壓基準(zhǔn)源產(chǎn)生)。利用最小二乘法把測(cè)得數(shù)據(jù)作Y=aX+b線性擬合，根據(jù)樣本數(shù)據(jù)偏差的加權(quán)平方和最小原則[7]，得系數(shù)a、b的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

　　將各校正點(diǎn)數(shù)據(jù)(Xi,Yi)(這里M取值為6)代入上兩式得到系數(shù)a、b的值，并存入單片機(jī)的內(nèi)存單元中。在正式測(cè)量時(shí)，根據(jù)測(cè)量值X和誤差校正方程Y=aX+b求出校正值Y，從而消除系統(tǒng)誤差。由于量程不同時(shí)系統(tǒng)誤差也不一樣，因此需要在各量程分別進(jìn)行上面的處理，以獲得不同量程的最佳校準(zhǔn)效果。

4 主要技術(shù)指標(biāo)

　　系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下： (1)量程：200 mV、2 V、20 V、

　　200 V、1 000 V(AC750V)；(2)分辨率：50 μV、0.5 mV、5 mV、50 mV、0.5 V(對(duì)應(yīng)各量程);(3)準(zhǔn)確度：200 mV檔：0.005%×讀數(shù)+0.002 5%×滿度(DC)、 0.05%×讀數(shù)+0.05%×滿度

　　(AC);其他檔：0.005%×讀數(shù)+0.001%×滿度(DC)、0.05%×讀數(shù)+0.025%×滿度(AC)；(4)工作電源：DC±5 V。

　　本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于單片機(jī)的具有量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能的交直流電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測(cè)量電壓動(dòng)態(tài)范圍寬，為高精度電壓數(shù)據(jù)采集和智能電壓表的研究提供了一種性價(jià)比較高的解決方案。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：該系統(tǒng)精度高、誤差小、靈敏度高、工作穩(wěn)定、性能可靠，可以廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、計(jì)量檢測(cè)、國(guó)防工業(yè)、家用電器、科技與工業(yè)生產(chǎn)、鐵路設(shè)備等需要電壓測(cè)量與獲取的各個(gè)領(lǐng)域。此外，設(shè)計(jì)時(shí)采用的一些硬件和軟件設(shè)計(jì)方法和思路，也為同類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和智能儀器儀表的設(shè)計(jì)與研制提供了參考。

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