AT89C51單片機對電壓信號及電流信號的采集

摘 要：本設計主要研究的是以AT89C51單片機為核心的智能化電量測量系統，該系統能夠在單片機的控制下完成對電壓信號及電流信號的采集，能夠根據采樣值進行量程自動轉換，并且測量結果可通過四位七段LED數碼管顯示出來。

關鍵詞：單片機；智能化；模塊化；對比方法

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2015） 02-0000-01

本設計，主要任務就是對電壓信號及電流信號能夠自動選擇合適的量程進行測量并顯示。為此，可將整個系統的設計劃分為前向模擬通道的設計，控制單元以及顯示單元的設計。因為本設計要求采用單片機進行控制，因此控制單元的設計即是對單片機最小系統的設計及I/O口分配的設計。由于單片機的有效輸入輸出信號均為數字信號，而對于整個系統的前向通道有效信號均應為模擬信號，所以在設計過程中必然包括模擬量轉換為數字量單元的設計。根據要求本設計中采用的是V/F轉換電路。對于V/F轉換電路，要使其轉換具有良好的線性度和精度必須使其輸入電壓變化范圍較小。而本系統中要求測量的電壓范圍是0—500V，要求測量的電流范圍是0—20A，變化范圍都較大，無法滿足V/F轉換的要求。所以，前向模擬通道的設計要包括量程轉換部分，即對大信號進行分壓變小，對小信號進行放大，顯然，這樣不僅能滿足V/F轉換電路的要求，而且也能有效的防止超量程測量，并且大大提高了整個系統的測量精度。另外，前向通道的設計還應包括對模擬信號的采集部分。

一、數據采集部分的設計

根據本系統的要求所采集的信號應為電壓信號或者電流信號，同時電壓信號及電流信號還應有交流和直流之分。所以在設計中應該具有相應的處理電路，使最終的信號得以統一。對于電流信號可以采用I/V變換變為電壓信號，對于交流信號可以采用交/直流變換的方法變為直流，這樣最終進入模/數轉換單元（即V/F轉換單元）的模擬信號就應該為直流電壓信號。對于信號變換部分應該注意的是所采樣的信號種類應能夠通知控制部分（單片機），以使控制部分做出相應的計算處理，只有這樣才能保證最終的顯示結果的正確性。

二、交流信號和直流信號的采樣

對于交流信號和直流信號也可以采用兩個模擬通道進行測量，即一個通道通過直流信號，另一個通道通過交流信號。其中通過交流信號的通道要有相應的交/直流轉換電路。當然，交流信號和直流信號也可以采用一個模擬通道進行測量，只是這個通道要既能通過交流信號也能通過直流信號，并且對于交流信號要能自動變換為直流信號。兩種方案進行比較，顯然采用一個模擬通道的處理電路要比采用兩個模擬通道的處理電路簡單的多。因此，在本設計中將采用一個模擬通道進行交直流信號的測量。

本設計中所采用的交直流轉換電路如圖1-3所示：CD4053是三組單刀雙擲集成模擬開關，開關X承擔了全波整流的任務，其控制端A受控于比較器的輸出電平。圖中U10工作于同相放大狀態，運放U11工作于反相放大狀態，比較器的輸入引自U10的放大輸出信號，這有利于提高比較器對信號的靈敏度。電路輸入交流信號的正半波時，同相連接的比較器U9輸出高電平，模擬開關X接通運放U10輸出信號送后續的模擬信號與數字信號的轉換單元；電路輸入交流信號的負半波時，比較器U9輸出低電平，模擬開關X接通反相器U10的輸出信號送后續的模擬信號與數字信號的轉換單元。由此完成了由U9過零躍變的準數字量控制的全波整流過程。這個準數字信號就可以用來通知控制部分所進行測量的是交流信號還是直流信號，以使控制部分進行相應的計算和顯示。

CD4053的另兩組模擬開關Y和Z承擔了三個量程的切換任務，它們的控制端B和C通過光耦受控于來自單片機的量程切換命令。顯然，此電路滿足本設計的要求，而且它集量程轉換于一體，為量程轉換部分的設計提供了方便，節省了硬件資源。

三、量程自動轉換電路的設計

在本設計中，對于電壓信號設置了五個量程，即1/100檔，1/10檔，×1檔，×10檔，×100檔。對于電流信號則只設置了三個量程，分別為×1檔，×10檔和×100檔，分別與電壓信號的×1檔，×10檔和×100檔相對應，只是在最終的計算部分不同而已。1/100檔和1/10檔由分壓電路來完成，它們是用來測量較大電壓的。而×1檔，×10檔，×100檔則是應用放大電路來完成的，它們則是用來測量較小的電壓的，以達到精確測量的目的。在本設計中，×1檔，×10檔，×100檔可由交直流轉換部分的電路來實現，見圖1-4。此電路中的多路選擇開關CD4053可以用來選擇放大倍數，在該電路中分別設置了×1，×10和×100的放大倍數。具體選擇多大的放大倍數可以通過單片機的引腳P1.3和P1.4電平來控制。

四、模數轉換單元的設計

我們將采用V/F轉換電路作為模擬量轉換為數字量的單元電路。本設計中，采用的是LM331轉換芯片（V/F）將模擬信號轉變為相應的頻率信號，不僅線路簡單，易于采用光電隔離器，而且價格也較為合理。

五、控制電路的設計

在本設計中選用AT89C51單片機進行控制。在整個系統中，單片機的控制功能為：采用T0口對V/F轉換之后的頻率進行計數，采用T1口進行定時，采用P1.0、P1.1、P1.3和P1.4進行量程選擇，采用P1.5口判斷所測量信號是電壓信號還是電流信號，采用P1.2口判斷所測信號是交流信號還是直流信號，采用P0.0口作為顯示電路的清零端，采用串行輸入端RXD作為移位寄存器的輸入端，采用串行輸出端TXD作為移位脈沖，采用P0.1、P0.2和P0.3作為LED的dp控制端。系統的控制過程為：T1口定時，T0口采樣，定時時間到，采樣結束，通過單片機進行計算并選擇適當的量程，然后再進行采樣、計算、顯示。

六、顯示部分的設計

在本設計中采用4位靜態LED顯示，利用了4片串入并出移位寄存器74LS164作為4位靜態顯示器的顯示輸出口。

本設計是利用單片機串行通信工作方式的方式0來實現的。使用方式0實現數據的移位輸入輸出時，實際上是把串行口變成了并行口使用。串行口作為并行輸出口使用時，要有移位寄存器。在本設計中采用了74LS164作為移位寄存器。數據預先寫入串行口數據緩沖寄存器，然后從串行口RXD端在移位時鐘脈沖（TXD）的控制下逐位移入74LS164中。當8位數據全部移出后，SCON寄存器的發送中斷標志TI被自動置“1”。其后主程序就可以中斷或查詢的方法，通過設置STB狀態的控制，把74LS164的內容并行輸出。

參考文獻：

[1]余永權.ATMEL 89 系列單片機應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社.

[作者簡介]荀海明，男，現就讀于青島科技大學自動化與信息學院在職工程碩士，從事自動控制方面的教學研究8年。