基于MCP3204的大量程光伏電壓顯示電路設計

楊清學

（成都職業技術學院四川成都610041）

基于MCP3204的大量程光伏電壓顯示電路設計

楊清學

（成都職業技術學院四川成都610041）

為了解決現有的光伏電壓表存在測量范圍小、測量精度低的問題。提出了一種基于MCP3204模數轉換的設計方案，并完成系統的軟硬件設計。該系統包括AT89S52單片機，與該AT89S52單片機連接的電源模塊、cmos反相器、數碼顯示管、MCP3204模數轉換器和用作AT89S52單片機上拉電阻的排阻，同時與cmos反相器和排阻連接的數碼顯示管，以及與MCP3204模數轉換器連接、用于接入外部直流電壓以便電壓表測量的測量輸入口。本系統結構簡單、設計合理、使用方便，其在很大程度上改善了光伏電壓表的測量精度和測量范圍，達到了設計要求。

MCP3204；AT89S52單片機；光伏電壓；顯示電路

隨著電子行業的發展，各種測量儀器也發展得越來越多，各式各樣的數字電壓表應用于各個領域。現階段的光伏發電電壓測量表，由于結構設計不合理，導致其測量的量程不是很高，大多數只能測量幾十伏的電壓，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量的通用性。

文中使用AT89S52單片機與MCP3204AD轉換芯片設計一款性能優越、電路簡單、穩定性好、精度高的數字電壓表，利用74LS04驅動LED數碼管顯示，用于光伏電壓測量，其在很大程度上改善了光伏電壓表的測量精度和測量范圍。經實踐證明本設計測試性能良好、測量穩定、性價比高。

1　總體設計

系統設計圖如圖1所示。基于MCP3204A/D轉換芯片和AT89S52單片機設計的0～100 V電壓表，精確到小數點后兩位；本設計能夠準確測量0～100 V之間的直流電壓，測量精度為0.03。

圖1　系統總體結構圖

在對太陽能電池組件輸出電壓的測試過程中，通過測量太陽能電池組件產生電壓信號送到采集轉換電路，經采集轉換電路輸出單片機可識別的數字信號，然后傳至單片機處理后經驅動電路及顯示電路，從而將測得的外部直流電壓值進行顯示。

2　系統硬件設計

系統硬件主要由電源模塊、測量輸入口、MCP3204模數轉換器、AT89S52單片機、顯示和驅動電路等組成，系統硬件結構圖［1_2］如圖2所示。

圖2　系統硬件結構圖

本系統電源模塊采用6.5～12 V直流電壓，通過AMS1117_5.0穩定輸出電壓為5V，兩個電容的作用是濾波。

由于本設計測量對象是0～100 V直流電壓，所以給采樣電路的設計減少了很多麻煩，分別根據MCP3204的輸入電壓考慮，采樣電路使用19K和1K兩個電阻進行分壓，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進行A/D轉換，如圖所示［3］（2 kΩ電阻是為了誤差補償）。

MCP3204是4通道輸入，SPI通訊輸出的A/D轉換芯片，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位通道進行輸入；由于此芯片是SPI通訊方式，所以在與單片機進行通訊時，時鐘信號由單片機產生。

本設計使用的單片機是AT89S52，使用11.0592M晶振為單片機提供時鐘；復位電路采用上單復位和按鍵復位兩種復位方式；單片機使用了P0、P1、P2共3個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P0口送數字0_9的共陽段碼，由P2送位選，通過74LS04對位選端取反送給6位共陽數碼管顯示，達到外部驅動數碼管的效果。

工作過程進行介紹：

首先，接通外部電源，對電源模塊輸入6.5～12 V的直流電壓，然后經穩壓后，輸出穩定的5 V電壓給整個系統供電，令光伏電壓表正常工作。

接著，測量輸入口輸入電壓范圍為0～100 V的直流電壓，輸入的直流電壓經兩個分壓電阻分壓后，得到電壓為0～5 V的直流電壓，然后提供給MCP3204模數轉換器。傳至MCP3204模數轉換器的直流電壓，經MCP3204模數轉換器轉換成AT89S52單片機可識別的數字信號，然后傳至AT89S52單片機。

AT89S52單片機將接收的數據經過處理后，傳輸至cmos反相器進行相位反轉，然后傳輸至數碼顯示管；同時，AT89S52單片機還輸出低電平，該低電平經排阻上拉增強為高電平后，驅動數碼顯示管發光，從而將測得的外部直流電壓值進行顯示。

3　系統軟件設計

本設計使用了AT89S52單片機，除了硬件電路的設計外，還需要軟件部分的支持。電源開關打開后，程序對定時器0中斷進行配置，首先進入whi1e大循環，在大循環里先和MCP3204進行通訊，然后進行數據的讀取，將讀取的數據存放到一個數組里面，然后通過for循環對數組里面的每一個數據進行十進制的換算，換算的結果放進另一個數組里面。

在數據的接收處理完成后，程序就等待中斷的到來，中斷請求允許后，在中斷函數里面進行顯示的處理，然后送給單片機I/O口進行外部的顯示，系統軟件設計的結構圖如圖3所示。

圖3　軟件設計流程圖

4　實驗應用

根據本設計制作多個樣品進行測試，將得到的結果與理論值進行比較，測試結果性能良好，通過實際應用發現，該測試系統測試結果準確、穩定可靠，如表1所示。元器件價格便宜，其適于推廣應用。

表1　測量結果

5　結論

本設計通過設置AT89S52單片機、MCP3204模數轉換器、排阻、cmos反相器和數碼顯示管，可以實現對外部輸入的直流電壓的測量和顯示，其不僅測量精度高（能達到0.03V），而且測量范圍廣（能達到0～100 V），很好地解決了現有光伏電壓表所存在的技術問題。

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

［2］宋戈.51單片機應用開發范例大全［M］.北京：人民郵電出版社，2012.

［3］曾敬.數字電壓表設計［J］.信息與電腦，2015（5）：5_6.

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

［5］雷建龍，郭小軍.單片機C語言實踐教程［M］.北京：電子工業出版社，2013.

［6］王業勝.基于ATMEGA8數字電壓表的設計［J］.內蒙古科技與經濟，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：201509055

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

楊清學（1965—），男，四川青川人，副教授。研究方向：光伏發電技術及應用。