基于單片機的電壓監測測試儀設計

繆 杰

（青島四三零八機械廠，山東 青島 266044）

0 引 言

在電子設備運行過程中，由于各型設備使用的是地面電纜網統一供電，在其中某一個供電節點出現絕緣異常時可能會導致某些設備供電電壓不穩，進而導致電路板的輸入電壓出現紋波波動，在某些需要高精度電壓的環境中會造成電路板的元器件損壞。為監測供電電壓，并對其進行預防性檢查和故障分析，需要設計一款多路實時電壓監測儀，保證電子設備的良好運行。本文主要講述的是電壓監測測試儀的設計，該系統主要由硬件和軟件兩部分構成。

1 硬件的設計

根據實際使用需求，電壓監測測試儀需要對多個被測設備的輸入電壓實時信號進行監控。將多個設備的電壓模擬量輸入的采樣信號和結果進行實時采集，通過一個8位模擬量A/D信號轉換控制電路來檢測并轉換成單片機可以自動識別的數字信號，傳送給上位計算機。在此過程中利用采樣電路對每路輸入的電壓信號進行采樣，再將每個輸出信號結果通過A/D轉換器實時發送到單片機，從而直接獲得實時電壓信號。硬件設計框圖如圖1所示，主要由模擬量采集系統電路、通信控制電路、鍵盤控制電路、時鐘電路、復位電路以及單片機外圍控制電路6個部分構成[1]。

圖1 電壓監測測試儀的工作原理框圖

1.1 模擬量采集電路的設計

利用轉接電纜將被測設備的電壓信號進行轉接，每個通道代表1個電壓模擬量輸入。模擬量采集電路包括降壓電路、多路開關以及A/D轉換器等，是模擬信息的輸入通道。本設計共可同時測量8個通道電壓值，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 降壓電路的設計

選用PT204對被測信號進行降壓，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，次級也同樣產生一個相同的電流[2]。通過一個小型運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算的正確性，需要在其中增加反饋穩壓電阻R3，即可直接獲取一個交流5 V的電壓，同時在設計中加入運算放大器來提高計算精度和計算效果。為了確認該電路的參數，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，反饋補償電阻R3=2.5 kΩ，當電容選0.033 μF時，補償電阻R2約為155 kΩ。

1.1.2 多路模擬開關的設計

在多通道數據采集系統中，檢測到的信號由A/D轉換器共享，多路被檢測信號分別發送到一路A/D轉換器上進行數字化轉換，以便工作人員同時對多通道檢測到的信號進行數字處理[3]。選用AD7501多路開關，由3個地址線A0、A1及A2的工作狀態與EN端來決定選通8路通道中的一路，當EN端為高電平時模擬控制開關選通[4]。

1.1.3 A/D信號轉換電路的設計

A/D信號轉換器是模擬信號采集和處理系統的核心，為了有效保證其數據采集的準確性和精度，選用AD0801來完成該部分設計。其中，多路開關能夠同時接通8個不同的模擬量和分時輸入,允許8路模擬量分時輸入,共用A/D轉換器來實現信號轉換，轉換完成后得到的數字信號由三態輸出鎖存器鎖存，只有當OE端口轉換成高電平時,單片機才允許讀取數據[5,6]。鎖存器可以與單片機直接串聯，DB0～DB7接到單片機的P0.0-P0.7，而RD、WR及INTR連接單片機的RD、WR及INTR，CS連接單片機的P2.7。在初始化期間，ST和OE的信號均被視為低電平，并且轉換是否完成可以根據EOC信號進行判斷[7]。

1.2 鍵盤控制電路的設計

鍵盤輸入是計算機人機交互的重要技術基礎和組成部分，工作人員實際操作時通過鍵盤向單片機發送大量的數據或命令。該鍵盤根據結構尺寸可以劃分成一個獨立的聯接型和一個行列（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的核心硬件和內部操作系統電路設計，選用非數位編碼式觸控鍵盤。該鍵盤每個按鍵操作過程只有接通或切斷兩種工作狀態,其鍵碼由一個相應的鍵盤掃描代碼處理程序對按鍵進行二次掃描處理形成。此外，每一個按鍵必須保證占用CPU的一條I/O通道。

1.3 通信電路的設計

通信電路選擇RS232接口作為標準。由于單片機和計算機的電平不同，因此二者想要實現數據交換必須選擇相應的電平轉換電路。采用MAX232芯片即可實現，其引腳11、12、9分別接單片機P3.1、P3.0、RST，引腳10懸空[8]。

1.4 時鐘電路、復位電路的設計

1.4.1 時鐘控制電路

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

1.4.2 開關復位電路

采用一種由復位電容和開關電阻元件組成的快速啟動式復位開關進行復位。在按下一個單片機的電路復位啟動按鈕時，指示燈點亮，且已經接到了單片控主機上的RST引腳。

1.5 單片機控制電路的設計

作為硬件設計的樞紐，選擇C51系列AT89C51單片機，此芯片全部采用了閃爍存儲器制造技術，無需添加片外存儲器，且功耗較低，可以進行加密操作，具備休眠和掉電兩種工作模式。單片機接口分別與模擬量采集電路、鍵盤控制電路、通信電路、時鐘電路以及復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接到復位電路，XTAL1和XTAL2接到時鐘電路[9]。

2 軟件流程的設計

軟件設計與實現通常包括程序流程圖設計和實際編程兩部分，程序流程圖設計是軟件開發的重要組成部分。

2.1 主程序流程的設計

主程序將顯示程序、AD采樣、數據處理以及串口發送程序形成一個循環，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 子程序流程的設計

軟件的子程序設計是按照模塊化的程序設計方法設計的，將整個程序分成若干個子程序。以單片機串行應用程序為例進行分析，其主要由1個串行模擬數據采集控制模塊和1個串行模擬數據信號傳輸控制模塊RS232模塊組成，具體設計思路是：子程序開始→保護現場→設置8位通道→從AD0801取從高到低8位數據到AT89C51→清除AD0801從低到高的后8位數據→清除AD0801中的寄存器→數據送緩存器→恢復現場→子程序退回。

3 應用前景

設備日常維護和修理中，經常會遇到電壓波動引起電路板某些元器件過載出現燒毀，使整套設備失效，產生不必要的損失。使用該監測測試儀可以對設備進行實時監控，當電壓波動過大時，及時報警并切斷電源，保障設備安全運行。同時在故障發生時可通過分析發生故障的原因，提升設備的可靠性[10]，同時在定期的維護保養和修理過程中也可以對設備供電系統的品質情況進行判斷，做到具有預防性的檢修，當監控結果發生波動時可及時對設備進行全面檢修，保證了設備供電的可靠性和安全性。

4 結 論

從模擬數值采集、單片機及外圍控制電路等方面完善電壓監控測試儀設計，遵循降低成本和簡化運行操作的理念合理構建系統硬件集成電路和軟件應用程序，提高設備抗干擾性能。經實際檢測，設備性能穩定，電壓信號采集快速準確，適用于0～220 V供電設備的供電電壓監測，具有一定的推廣價值。