基于單片機的電壓有效值檢測系統設計

龐斯棉

（柳州鐵道職業技術學院,廣西柳州,545616）

數字電壓表是當前電子、電工、儀器、儀表和測量領域大量使用的一種基本測量工具，應用非常廣泛。電壓是一種模擬量，要想采集電壓，需要將其轉換成數字量，再送入單片機進行處理。AD轉換器可以完成模擬量到數字量的轉換，目前大多數的AD 轉換器輸入電壓都在0-5V 之間。對大電壓的采集則需要把較大電壓經過電路轉換后成符合要求的0-5V 之間電壓。本文利用單片機和AD 轉換器TLC549 實現5-50V 輸入電壓的有效值的檢測。

1 設計的要求

使用單片機對5-50V 輸入電壓的進行檢測，計算有效值，并在顯示器上顯示電壓有效值。系統具有啟動或停止功能，通過按鍵進行設置。

2 硬件電路設計

2.1 電壓轉換電路

由于輸入是5-50V，超出AD 轉換器的檢測范圍，因此需要將輸入的電壓轉換到0-5V 間進行采集。電壓轉換電路主要由RC 衰減電路、電壓跟隨電路、偏置電路和反相放大器電路等組成。電壓先經過衰減電路（衰減20 倍），電壓變為2.5V，即振幅從-2.5V-2.5V，把變換后電壓經過電壓跟隨器，再通過一個反向加法器，把輸入的電壓加上2.5V，于是可以變換后電壓變換成0-5V 電壓輸出。

2.2 AD 轉換電路

AD 轉換器采用的是TLC549 芯片。TLC549 是一款性價比高，與單片機采用三線串行接口方式，轉換速度快。TLC549 芯片的REF+接+5V 電壓、REF-接地，AIN 接電壓轉換電路輸出的電路，SDO、/CS 和SCLK 分別接單片機的P10、P11 和P12 引腳。

2.3 單片機處理電路

AT89s51 單片機是一個低功耗，高性能CMOS 8 位單片機，片內含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000 次的Flash 只讀程序存儲器，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51 指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8 位中央處理器和ISP Flash 存儲單元。因此采用AT89S51 單片機作為控制電路的芯片。

2.4 顯示電路

采用點陣型LCD 顯示。LCD 顯示的信息多、美觀大方、人機交互界面更人性化、顯示效果好。本設計采用的是LCD1602 顯示模塊，LCD 的數據端口接單片機的P0 口，使能端RS、RW 和EN分別接單片機的P20、P21 和P22 引腳。

2.5 按鍵電路

在單片機中，如果所需的按鍵較少，可采用獨立式鍵盤。每只按鍵接單片機的一條I/O 線，通過對線的查詢，即可識別各按鍵的狀態。按鍵接單片機P30 引腳。

2.6 電源電路

本系統的電源采用的是LM7805 三段固定式輸出電源，經過整流濾波后的電壓直接送入到LM7805，然后輸出穩定的5V 電壓，給系統各個模塊供電。

3 軟件設計

本系統程序主要由AD 轉換程序、數據處理程序和顯示程序等組成。AD 轉換程序主要是實現外部電壓的采集，數據處理程序主要是對轉換后的數字量電壓進行處理，顯示程序主要是實現對了處理電壓的結果顯示。電壓處理程序先用一個數組用來保存定期采集的電壓值，然后計算數組中電壓的最大值，再計算出電壓的有效值。使用交流電壓產生器模擬交流電壓輸入，電壓幅值是1V，偏置2.5V，使用電壓表測量輸入電壓的數值，LCD 顯示電壓的有效值。具體如圖1 所示。

從圖上可以看到，電壓表測量的電壓值為2.57V，而LCD 顯示的電壓是3.509V。這是因為交流電壓模擬輸入時偏置電壓是2.5V，則電壓差是1.009V，這就是輸入電壓的幅值，與設置的電壓一致，達到設計要求。

圖1 電壓測試效果圖

4 結論

利用單片機和AD 轉換器TLC549 實現5-50V 輸入電壓的有效值的檢測，測量時先將5-50V 輸入電壓轉換到0-5V 范圍，再送入AD 轉換進行模數轉換，使用單片機進行處理后顯示。系統工作正確，誤差率0.9%，達到設計的預期效果。

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