基于單片機(jī)的電壓監(jiān)測測試儀設(shè)計(jì)

繆 杰

（青島四三零八機(jī)械廠，山東 青島 266044）

0 引 言

在電子設(shè)備運(yùn)行過程中，由于各型設(shè)備使用的是地面電纜網(wǎng)統(tǒng)一供電，在其中某一個(gè)供電節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)絕緣異常時(shí)可能會導(dǎo)致某些設(shè)備供電電壓不穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致電路板的輸入電壓出現(xiàn)紋波波動(dòng)，在某些需要高精度電壓的環(huán)境中會造成電路板的元器件損壞。為監(jiān)測供電電壓，并對其進(jìn)行預(yù)防性檢查和故障分析，需要設(shè)計(jì)一款多路實(shí)時(shí)電壓監(jiān)測儀，保證電子設(shè)備的良好運(yùn)行。本文主要講述的是電壓監(jiān)測測試儀的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。

1 硬件的設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際使用需求，電壓監(jiān)測測試儀需要對多個(gè)被測設(shè)備的輸入電壓實(shí)時(shí)信號進(jìn)行監(jiān)控。將多個(gè)設(shè)備的電壓模擬量輸入的采樣信號和結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過一個(gè)8位模擬量A/D信號轉(zhuǎn)換控制電路來檢測并轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以自動(dòng)識別的數(shù)字信號，傳送給上位計(jì)算機(jī)。在此過程中利用采樣電路對每路輸入的電壓信號進(jìn)行采樣，再將每個(gè)輸出信號結(jié)果通過A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)發(fā)送到單片機(jī)，從而直接獲得實(shí)時(shí)電壓信號。硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，主要由模擬量采集系統(tǒng)電路、通信控制電路、鍵盤控制電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及單片機(jī)外圍控制電路6個(gè)部分構(gòu)成[1]。

圖1 電壓監(jiān)測測試儀的工作原理框圖

1.1 模擬量采集電路的設(shè)計(jì)

利用轉(zhuǎn)接電纜將被測設(shè)備的電壓信號進(jìn)行轉(zhuǎn)接，每個(gè)通道代表1個(gè)電壓模擬量輸入。模擬量采集電路包括降壓電路、多路開關(guān)以及A/D轉(zhuǎn)換器等，是模擬信息的輸入通道。本設(shè)計(jì)共可同時(shí)測量8個(gè)通道電壓值，圖2為模擬量通道原理圖。

圖2 模擬量采集通道原理圖

1.1.1 降壓電路的設(shè)計(jì)

選用PT204對被測信號進(jìn)行降壓，其額定輸入電壓為交流220 V，輸出電壓為交流5 V。輸入額定電壓首先通過限流電阻R1，再通過電流型電壓互感器PT204，使流過電壓互感器初級的額定電流為2 mA，次級也同樣產(chǎn)生一個(gè)相同的電流[2]。通過一個(gè)小型運(yùn)算式信號放大器可以直接獲取需要的輸出電壓。為了充分保證該輸入和輸出電壓計(jì)算的正確性，需要在其中增加反饋穩(wěn)壓電阻R3，即可直接獲取一個(gè)交流5 V的電壓，同時(shí)在設(shè)計(jì)中加入運(yùn)算放大器來提高計(jì)算精度和計(jì)算效果。為了確認(rèn)該電路的參數(shù)，需選擇合適的限流電阻與反饋式限流電阻。已知初級額定電流范圍為2 mA，限流電阻R1=110 kΩ，反饋補(bǔ)償電阻R3=2.5 kΩ，當(dāng)電容選0.033 μF時(shí)，補(bǔ)償電阻R2約為155 kΩ。

1.1.2 多路模擬開關(guān)的設(shè)計(jì)

在多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，檢測到的信號由A/D轉(zhuǎn)換器共享，多路被檢測信號分別發(fā)送到一路A/D轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，以便工作人員同時(shí)對多通道檢測到的信號進(jìn)行數(shù)字處理[3]。選用AD7501多路開關(guān)，由3個(gè)地址線A0、A1及A2的工作狀態(tài)與EN端來決定選通8路通道中的一路，當(dāng)EN端為高電平時(shí)模擬控制開關(guān)選通[4]。

1.1.3 A/D信號轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

A/D信號轉(zhuǎn)換器是模擬信號采集和處理系統(tǒng)的核心，為了有效保證其數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和精度，選用AD0801來完成該部分設(shè)計(jì)。其中，多路開關(guān)能夠同時(shí)接通8個(gè)不同的模擬量和分時(shí)輸入,允許8路模擬量分時(shí)輸入,共用A/D轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后得到的數(shù)字信號由三態(tài)輸出鎖存器鎖存，只有當(dāng)OE端口轉(zhuǎn)換成高電平時(shí),單片機(jī)才允許讀取數(shù)據(jù)[5,6]。鎖存器可以與單片機(jī)直接串聯(lián)，DB0～DB7接到單片機(jī)的P0.0-P0.7，而RD、WR及INTR連接單片機(jī)的RD、WR及INTR，CS連接單片機(jī)的P2.7。在初始化期間，ST和OE的信號均被視為低電平，并且轉(zhuǎn)換是否完成可以根據(jù)EOC信號進(jìn)行判斷[7]。

1.2 鍵盤控制電路的設(shè)計(jì)

鍵盤輸入是計(jì)算機(jī)人機(jī)交互的重要技術(shù)基礎(chǔ)和組成部分，工作人員實(shí)際操作時(shí)通過鍵盤向單片機(jī)發(fā)送大量的數(shù)據(jù)或命令。該鍵盤根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸可以劃分成一個(gè)獨(dú)立的聯(lián)接型和一個(gè)行列（矩陣）式兩種，每一種均包含有可編程的鍵盤和非可編程鍵盤兩種。為了有效簡化操作系統(tǒng)的核心硬件和內(nèi)部操作系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，選用非數(shù)位編碼式觸控鍵盤。該鍵盤每個(gè)按鍵操作過程只有接通或切斷兩種工作狀態(tài),其鍵碼由一個(gè)相應(yīng)的鍵盤掃描代碼處理程序?qū)Π存I進(jìn)行二次掃描處理形成。此外，每一個(gè)按鍵必須保證占用CPU的一條I/O通道。

1.3 通信電路的設(shè)計(jì)

通信電路選擇RS232接口作為標(biāo)準(zhǔn)。由于單片機(jī)和計(jì)算機(jī)的電平不同，因此二者想要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換必須選擇相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換電路。采用MAX232芯片即可實(shí)現(xiàn)，其引腳11、12、9分別接單片機(jī)P3.1、P3.0、RST，引腳10懸空[8]。

1.4 時(shí)鐘電路、復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

1.4.1 時(shí)鐘控制電路

單片機(jī)上采用的是一種直流脈沖相位時(shí)序時(shí)鐘控制電路，必須在該脈沖時(shí)序時(shí)鐘控制電路上向直流晶振設(shè)備提供一個(gè)脈沖時(shí)鐘信號后它才能正常運(yùn)行工作。本次性能檢測中將直流晶振脈沖頻率設(shè)定為12 MHz，并令兩個(gè)22 pF的脈沖電容互換并聯(lián)。晶振振蕩后，單片機(jī)XTAL2上產(chǎn)生3 V左右的正弦波，使單片機(jī)產(chǎn)生自激振蕩，該電路與單片機(jī)18、19腳分別相連。

1.4.2 開關(guān)復(fù)位電路

采用一種由復(fù)位電容和開關(guān)電阻元件組成的快速啟動(dòng)式復(fù)位開關(guān)進(jìn)行復(fù)位。在按下一個(gè)單片機(jī)的電路復(fù)位啟動(dòng)按鈕時(shí)，指示燈點(diǎn)亮，且已經(jīng)接到了單片控主機(jī)上的RST引腳。

1.5 單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)

作為硬件設(shè)計(jì)的樞紐，選擇C51系列AT89C51單片機(jī)，此芯片全部采用了閃爍存儲器制造技術(shù)，無需添加片外存儲器，且功耗較低，可以進(jìn)行加密操作，具備休眠和掉電兩種工作模式。單片機(jī)接口分別與模擬量采集電路、鍵盤控制電路、通信電路、時(shí)鐘電路以及復(fù)位電路等外圍電路接口連接。其中，VCC引腳為5 V電源，GND接地，P0口接AD7501，P1口接AD0801，P2口懸空，P3口接到通信和AD0801，RST接到復(fù)位電路，XTAL1和XTAL2接到時(shí)鐘電路[9]。

2 軟件流程的設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)通常包括程序流程圖設(shè)計(jì)和實(shí)際編程兩部分，程序流程圖設(shè)計(jì)是軟件開發(fā)的重要組成部分。

2.1 主程序流程的設(shè)計(jì)

主程序?qū)@示程序、AD采樣、數(shù)據(jù)處理以及串口發(fā)送程序形成一個(gè)循環(huán)，使得程序有條理，簡潔易懂。主程序流程如圖3所示。

圖3 主流程圖

2.2 子程序流程的設(shè)計(jì)

軟件的子程序設(shè)計(jì)是按照模塊化的程序設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的，將整個(gè)程序分成若干個(gè)子程序。以單片機(jī)串行應(yīng)用程序?yàn)槔M(jìn)行分析，其主要由1個(gè)串行模擬數(shù)據(jù)采集控制模塊和1個(gè)串行模擬數(shù)據(jù)信號傳輸控制模塊RS232模塊組成，具體設(shè)計(jì)思路是：子程序開始→保護(hù)現(xiàn)場→設(shè)置8位通道→從AD0801取從高到低8位數(shù)據(jù)到AT89C51→清除AD0801從低到高的后8位數(shù)據(jù)→清除AD0801中的寄存器→數(shù)據(jù)送緩存器→恢復(fù)現(xiàn)場→子程序退回。

3 應(yīng)用前景

設(shè)備日常維護(hù)和修理中，經(jīng)常會遇到電壓波動(dòng)引起電路板某些元器件過載出現(xiàn)燒毀，使整套設(shè)備失效，產(chǎn)生不必要的損失。使用該監(jiān)測測試儀可以對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)電壓波動(dòng)過大時(shí)，及時(shí)報(bào)警并切斷電源，保障設(shè)備安全運(yùn)行。同時(shí)在故障發(fā)生時(shí)可通過分析發(fā)生故障的原因，提升設(shè)備的可靠性[10]，同時(shí)在定期的維護(hù)保養(yǎng)和修理過程中也可以對設(shè)備供電系統(tǒng)的品質(zhì)情況進(jìn)行判斷，做到具有預(yù)防性的檢修，當(dāng)監(jiān)控結(jié)果發(fā)生波動(dòng)時(shí)可及時(shí)對設(shè)備進(jìn)行全面檢修，保證了設(shè)備供電的可靠性和安全性。

4 結(jié) 論

從模擬數(shù)值采集、單片機(jī)及外圍控制電路等方面完善電壓監(jiān)控測試儀設(shè)計(jì)，遵循降低成本和簡化運(yùn)行操作的理念合理構(gòu)建系統(tǒng)硬件集成電路和軟件應(yīng)用程序，提高設(shè)備抗干擾性能。經(jīng)實(shí)際檢測，設(shè)備性能穩(wěn)定，電壓信號采集快速準(zhǔn)確，適用于0～220 V供電設(shè)備的供電電壓監(jiān)測，具有一定的推廣價(jià)值。