基于STC15的一種自動量程及帶存儲功能數(shù)字電壓表的研究與設(shè)計

車沛強(qiáng)，江華麗

(福建師范大學(xué)閩南科技學(xué)院，福建泉州 362332)

數(shù)字萬用表是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的量(輸入電壓)轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字化形式并加以顯示的儀表[1]。在測量時先把被測量通過不同的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后再利用數(shù)字電壓表進(jìn)行電壓測量，從而得到被測量的數(shù)值[2-7]。作為現(xiàn)代電子測量中最基礎(chǔ)與核心的一種測量儀器，人們對其測量精度和功能的要求也越來越高。數(shù)字電壓表的量程自動切換[8]功能，既能省去頻繁的操作，又能兼顧強(qiáng)弱信號的測量，避免量程選擇不當(dāng)而造成測量精度的下降甚至損壞儀表。在需要記錄隨時間變化的測量值，比如測量RC電路電容充放電的電壓時，使用具備存儲數(shù)據(jù)功能的電壓表，更能得心應(yīng)手?；谝陨瞎δ芤螅疚奶岢隽艘约啥嗦份斎胪ǖ繟DC、EEPROM[9-13]的STC15F2K60S2單片機(jī)作為主控器，結(jié)合運放LMV358的設(shè)計。

1 原理分析

以可以測量220 V市電經(jīng)整流濾波后的電壓值約311 V作為測量范圍的上限，設(shè)計數(shù)字電壓表的電壓測量范圍為0～400 V，分為以下四檔：0～400 mV、0.4～4 V、4～40 V、40～400 V。STC15單片機(jī)內(nèi)部集成一個8路10位高速的ADC(A/D轉(zhuǎn)換器)，8個輸入通道(輸入通道0至輸入通道7)通過程序?qū)ζ銩DC控制寄存器ADC_CONTR進(jìn)行控制，選擇其中一個輸入通道將轉(zhuǎn)換后的測量電壓送入ADC進(jìn)行測量，并讀取測量后的數(shù)據(jù)，經(jīng)相應(yīng)的倍率換算，在屏幕上顯示出最終的測量電壓值。

設(shè)計接入單片機(jī)ADC2引腳的4.1 V穩(wěn)壓電路作為ADC的輸入?yún)⒖茧妷?，則可測量的電壓范圍為0～4 V(4.0～4.1 V用作超量程判斷的條件)。為確保ADC的輸入電壓范圍在0.4～4 V之間，對于0～400 mV的測量電壓，先經(jīng)10倍電壓放大后，接入ADC的輸入通道7進(jìn)行測量，0.4～4 V的輸入電壓，直接接入ADC的輸入通道6進(jìn)行測量，4～40 V的輸入電壓，經(jīng)10倍衰減后，接入ADC的輸入通道5進(jìn)行測量，40～400 V的輸入電壓，經(jīng)100倍衰減后，接入ADC的輸入通道4進(jìn)行測量。至此，實現(xiàn)了電壓表的四個量程檔。單片機(jī)通過控制其內(nèi)部的ADC控制寄存器，循環(huán)選擇及讀取這四個輸入通道的電壓值進(jìn)行判斷，確保選擇的當(dāng)前輸入通道ADC的輸入電壓值在0.4～4 V之間，從而實現(xiàn)電壓表的量程自動轉(zhuǎn)換。

利用單片機(jī)內(nèi)置的EEPROM，實現(xiàn)掉電存儲測量數(shù)據(jù)的功能，并通過程序，提供用戶定義測量數(shù)據(jù)存儲的數(shù)量、存儲的時間間隔等參數(shù)的功能。

2 硬件設(shè)計

2.1 主控芯片的選擇

本設(shè)計采用增強(qiáng)型STC15F2K60S2作為主控芯片，其主要特點是單時鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，內(nèi)部集成高精度時鐘及復(fù)位電位，并帶有8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換器及可擦寫10萬次以上1K字節(jié)容量的EEPROM[14]。選用此芯片，無需外接ADC、時鐘、復(fù)位等電路，將極大簡化設(shè)計。10位A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，需要2個字節(jié)的存儲空間，1 K字節(jié)容量的EEPROM，可同時存儲500個測量數(shù)據(jù)。

2.2 電壓表的分辨率

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

分辨率也稱靈敏度，指數(shù)字萬用表測量結(jié)果的最小量化單位，即可以看到被測信號的微小變化[15]。

單片機(jī)自帶的ADC是10位的，ADC的參考電壓使用的是4.1 V，如此可得最小的分辨率為4.1 V/210，約為4.0 mV。若電壓表的量程檔是0～400 mV，4.0 mV這個靈敏度數(shù)值太大，靈敏度低，無法準(zhǔn)確測出小電壓。因此，在使用量程檔0～400 mV時，先將輸入電壓放大10倍后，再送入ADC進(jìn)行測量。此舉可將此電壓檔的分辨率提高至0.4 mV。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

輸入電壓，經(jīng)外圍的放大、跟隨或衰減電路后，一一對應(yīng)接入ADC的輸入通道7至輸入通道4。以上四個輸入通道分別對應(yīng)電壓表的量程關(guān)系如表1所示。

表1 電壓表量程與輸入通道對應(yīng)關(guān)系表

在圖1中，ADC輸入通道7前的10倍電壓放大電路及輸入通道6前的跟隨器，均由運放LMV358實現(xiàn)。衰減10倍與100倍的電路，由電阻分壓來實現(xiàn)。

LMV358實現(xiàn)10倍電壓放大功能的電路，如圖2所示，跟隨器電路如圖3所示。10倍與100倍的衰減電路，如圖4所示。4.1 V的穩(wěn)壓電路，可用4.1 V的穩(wěn)壓二極管HZ4C1實現(xiàn)，如圖5所示。

圖2 LMV358同相10倍放大電路

圖3 跟隨器電路

圖4 電阻構(gòu)成的衰減電路

圖5 4.1 V穩(wěn)壓電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 自動量程轉(zhuǎn)換程序設(shè)計

量程轉(zhuǎn)換的判斷條件為：單片機(jī)在當(dāng)前選中的輸入通道讀取的數(shù)值是否在0.4～4之間。因此，轉(zhuǎn)換過程如下所述。系統(tǒng)上電后，單片機(jī)先選擇輸入通道4，即電壓表的最高量程檔(40～400 V)進(jìn)行測量判斷，分以下幾種情況說明。

(1)讀取的數(shù)據(jù)超過4.0，則說明輸入電壓超過400 V，系統(tǒng)發(fā)出報警聲音，顯示屏顯示溢出標(biāo)識。

(2)讀取的數(shù)據(jù)在0.4～4之間，則將讀取的數(shù)據(jù)乘以100后，顯示在屏幕上，即當(dāng)前測得的電壓值(電壓單位為伏特)。

(3)讀取的數(shù)據(jù)小于0.4，說明當(dāng)前的輸入通道對應(yīng)的量程過高，輸入的電壓小于40 V，則單片機(jī)降低一檔量程，選擇輸入通道6。

(4)降低一檔量程后，若讀取的數(shù)值還是小于0.4，則繼續(xù)降低量程檔直至最小量程檔。若讀取的數(shù)值大于4，則升級一檔量程直至最高量程檔。

如上所述，單片機(jī)循環(huán)切換不同的輸入通道，即切換不同的量程檔，確保讀取的數(shù)值在0.4～4之間。在400 mV檔，若讀取的數(shù)值仍小于0.4，則繼續(xù)保持此量程檔。在400 V檔時，若讀取的數(shù)據(jù)仍大于4，亦繼續(xù)保持在此量程檔，同時發(fā)出警告標(biāo)識。量程轉(zhuǎn)換流程如圖6所示。

圖6 自動量程轉(zhuǎn)換程序流程圖

圖6中的f1至f4為電壓表的四個量程檔標(biāo)識符，對應(yīng)的關(guān)系如表2所示。

表2 f1至f4對應(yīng)量程關(guān)系表

3.2 存儲數(shù)據(jù)程序設(shè)計

功能要求：設(shè)置兩個按鍵K1、K2，用戶通過這兩個按鍵，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲時間間隔的設(shè)置。有兩種選擇：以1 s為最小時間單位，或是以0.1 s為最小時間單位，然后設(shè)置要存儲的數(shù)據(jù)個數(shù)。用戶設(shè)置完成后，將用戶的設(shè)置值及數(shù)據(jù)測量值，按用戶設(shè)置的要求，存儲到單片機(jī)的EEPROM里。在測量完成后，通過此兩按鍵，可將存儲在EEPROM里的測量數(shù)據(jù)，包括用戶的設(shè)置，顯示在屏幕上。

程序設(shè)計思路：單片機(jī)上電復(fù)位后，循環(huán)掃描K1與K2是否被按下。K1用于先清空EEPROM內(nèi)的數(shù)據(jù)，及結(jié)合K2完成用戶對存儲要求的設(shè)置。在啟動存儲功能后，將用戶設(shè)置的數(shù)據(jù)及測量數(shù)據(jù)存儲到EEPROM里。K2用于讀取EEPROM里的數(shù)據(jù)，并顯示在屏幕上。實現(xiàn)此功能的流程圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)存儲及讀取程序流程圖

圖8 主程序流程圖

3.3 主程序流程

主程序先完成相關(guān)變量、定時器參數(shù)等的定義設(shè)置后，再循環(huán)調(diào)用子程序，具體流程如圖8所示。

4 結(jié)語

本文以增加型單片機(jī)STC15F2K60S2為核心，配合運放LMV358及外圍電路，由單片機(jī)控制，實現(xiàn)數(shù)字電壓表的量程自動轉(zhuǎn)換功能。單片機(jī)自帶多路輸入ADC等模塊，簡化了電路設(shè)計，并通過程序設(shè)計，能依據(jù)用戶的設(shè)定，將測量數(shù)據(jù)存儲到單片機(jī)自帶的EEPROM內(nèi)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)掉電不丟失且查閱的功能。若外圍加上其它的相關(guān)轉(zhuǎn)換電路，此數(shù)字電壓表還可進(jìn)一步擴(kuò)展，使其具有更多的功能。