基于單片機的專用電壓測量儀設計

史新鵬+高松+初俊博

摘 要 針對某些專用設備測量電壓不便的問題，設計了以W78E516單片機為控制核心的多用途電壓測量儀器。包括AD轉換電路、液晶顯示電路、報警電路等模塊來實現對電壓進行測量、顯示和檢測報警。實踐表明，該系統電路簡單、測量精度高，具有一定的實用價值。

關鍵詞 電壓測量；W78E516單片機；顯示報警

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 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，然而，人們在測量電壓時往往會遇到一些比較特殊的應用場合，比如某些設備的專用電纜上曾出現過感應電壓及漏電電壓，操作人員在連接這些電纜時可能會意外引爆火工品，直接影響到設備及人員安全。目前并沒有專用的測量設備可以直接測量感應電壓及漏電電壓，基本使用萬用表測量，而使用萬用表又存在諸多不便之處。根據以上背景，本文設計一款以W78E516單片機為控制核心，通過專用線纜直接測量電纜中的感應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 硬件系統設計

電壓測量儀按照設計要求，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、報警輸出部分、測量信號變換部分、模數轉換部分等。核心控制器采用W78E516單片微型計算機，它是自帶64KFlash EPROM、512字節片內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，主要用于監控程序的執行、數據采集、數據計算處理、顯示控制、報警輸出等。系統結構圖如圖1所示。

1.1 信號變換處理

原始測量信號經分壓電路（分壓電阻為R13A和R6A）分壓后進入轉換電路第一級運放U5A的輸入端3引腳，2個穩壓管作用為過壓保護。運放U5A構成電壓跟隨器電路，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引腳輸出后進入全波精密檢波電路（U3A和U6A構成的電路）后，經過全波精密檢波電路變換后得到脈動直流信號，再經過濾波電路濾波后得到直流信號，進入運放PGA103U（U2A）放大K倍，其中增益K值是由單片機的P26、P27引腳輸出TTL電平控制得到，輸出信號再經過濾波進入模數轉換部分電路。信號變換處理部分電路如圖2所示。

1.2 模數轉換

為保證系統的數據計算精度、數據精度，本系統采用了串行12位AD轉換芯片TCL2543IDW，其轉換精度可在0.025%，具有12位精度、8路模擬輸入接口、電容開關轉換、逐次逼近、內部帶有采樣保持和系統轉換時鐘、SPI串行接口的CMOS技術。測量信號經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進行相連，通過軟件完成SPI數據接口，即完成數據的模數轉換，從而將該信號提供給單片機。模數轉換部分電路如圖3所示。

1.3 點陣式液晶顯示

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

2 軟件設計

軟件的設計中采用了模塊化的設計，使程序的結構更加的清晰，方便今后對程序的修改和功能的擴展。儀表的主要工作是測量相關電纜的漏電電壓、感應電壓和測量電壓，這些測量量均為模擬量，顯然儀表需要先將這些模擬量轉換為數字量，再送入單片機進行處理，然后再將單片機處理的數據送到液晶單元進行顯示。根據儀表的功能，軟件程序設計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 測試結果

測量儀主要測試的專用設備相關電纜上的感應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，采用標準信號源輸出標準信號進行測量，測量數據如表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，基本滿足設計的要求，如果想把誤差進一步減小，可以通過軟件方面的處理來達到目的。試驗說明，本文所設計的電壓測量儀可以用于相關電路電壓的測量。

4 結論

本設計以W78E516單片機為控制芯片完成了專用設備相關電路電壓測量儀的設計，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，對以后開發研制更加完善的系統打下了良好的基礎。

參考文獻

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