電壓是電子與電力系統(tǒng)中最基本的測量元素之一[1-2],快速準(zhǔn)確地獲取電壓值一直是數(shù)據(jù)采集與電子測量儀器研究的重要內(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。目前市場上廣泛使用的數(shù)字電壓表智能化程度低,，測量電壓時需手動切換量程,，當(dāng)量程選擇不當(dāng)時會出現(xiàn)測量精度下降、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)簡單,、使用與讀數(shù)方便,、性價比高,、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模擬信號電壓值轉(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,，在軟件中對采集到的數(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)動電磁繼電器K1~K5的觸點(diǎn)開關(guān)吸合或斷開來實(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)立吸合時對應(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信號進(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)換器的信號不超過它們的工作電壓范圍,。因被測電壓未知,，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,，輸入高壓不經(jīng)分壓直接進(jìn)入后級弱電系統(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造成過大的電流；D1,、D2為雙向限幅二極管,，起過壓保護(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,，允許通過超出其電源電壓擺幅的±25 V范圍內(nèi)的雙極性信號,。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)字和模擬信號切換場合的應(yīng)用,。當(dāng)撥動開關(guān)S1閉合時，MAX14763的SEL端為低電平,、COM端連接至A1,接通交流電壓通道,，對輸入交流電壓進(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為測量時間,，VIN(t)為輸入信號波形,。可見,，波形的真均方根值與信號功率直接相關(guān),，因此比平均整流信號更為有用。AD637K的準(zhǔn)確度為±(0.25 mV+0.05%RDG),，允許測量有效值200 mV,、頻率最高達(dá)600 kHz的輸入信號以及有效值1 V以上、頻率最高達(dá)8 MHz的輸入信號,。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)提供更大的動態(tài)余量，所以衰減放大電路輸出信號U1應(yīng)控制在此范圍內(nèi),。電路中平均電容C1用來設(shè)置均值時間,，同時決定低頻精度、輸出紋波大小和穩(wěn)定時間,。電位器RW1和RW2分別用來對輸出調(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,，對前端輸出的直流電壓U2(≤2 V)2倍放大，將輸入電壓Uin的測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)時鐘和采樣/保持器,，采樣速率達(dá)75 kHz,。其通過高速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根信號線連接，接口電路簡單,。它的通信協(xié)議是一個沒有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)而無等待時間,，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A/D轉(zhuǎn)換對待測信號進(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,，找到一個新的最佳量程,，下次測量就在新選擇的量程下進(jìn)行。在判決時,，若量程為最低檔時仍為欠量程,，則維持原量程不變化；若量程為最高檔時仍為超量程,，則必須采取相應(yīng)的過載處置措施,。

　　3.2 采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波

　　對A/D采樣后數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，先后運(yùn)用了程序判斷濾波法和滑動平均濾波法,，前者用來剔除掉因隨機(jī)干擾,、誤檢測或系統(tǒng)不穩(wěn)定等偶然因素引起的尖脈沖干擾信號，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)每次檢測到新值時判斷：如果本次值與前次值之差的絕對值小于或等于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,，利用滑動平均濾波算法對數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理,。其把連續(xù)N個采樣值(這里N=10)看成一個長度為N的隊(duì)列,，每采樣到一個新值放入隊(duì)尾,，并扔掉原來隊(duì)首的一個數(shù)據(jù)，然后對隊(duì)列中的N個數(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引起系統(tǒng)誤差，為了提高測量精度,，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,。在正式測量時，根據(jù)測量值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)的具有量程自動轉(zhuǎn)換功能的交直流電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測量電壓動態(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、國防工業(yè),、家用電器,、科技與工業(yè)生產(chǎn)、鐵路設(shè)備等需要電壓測量與獲取的各個領(lǐng)域,。此外,，設(shè)計(jì)時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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