基于STC89C52單片機(jī)直流紋波測試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：提出了一種以STC89C52單片機(jī)為核心的直流電壓與紋波測量系統(tǒng)，給出相關(guān)的軟件程序設(shè)計(jì)。該測量系統(tǒng)主要包括量程選擇、電壓分離、A／D采樣以及數(shù)據(jù)處理和顯示電路，大大提高測量精度。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)對某些工業(yè)現(xiàn)場的直流電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，可以有效地對紋波進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。
關(guān)鍵詞：紋波；直流電壓；MCU；數(shù)據(jù)采集

0 引言
    在一些實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場中，經(jīng)常會用到對于電壓穩(wěn)定性要求高的直流電壓，例如汽車的直流蓄電池的智能充電電源等，但由于工業(yè)現(xiàn)場負(fù)載復(fù)雜，存在許多不穩(wěn)定的因素而導(dǎo)致電壓的上下浮動，即紋波。理論上說，紋波是直流電壓中的交流成分，它的成分較復(fù)雜，對電網(wǎng)系統(tǒng)存在一定的威脅，為了不影響負(fù)載正常的工作，需要對電壓進(jìn)行精確的實(shí)時(shí)測量。
    本文所設(shè)計(jì)的直流電壓紋波測試系統(tǒng)最大量程為600 V，精度達(dá)1％，可以滿足絕大多數(shù)直流電場合的應(yīng)用，對一些需求較高的直流用電設(shè)備，也具有一定的監(jiān)測作用。

1 系統(tǒng)原理
    系統(tǒng)的總體方框圖如圖1所示。

    該測試系統(tǒng)主要包括量程選擇、電壓分離、A／D采樣以及數(shù)據(jù)處理和顯示電路。系統(tǒng)分為六個(gè)量程，主要特點(diǎn)是根據(jù)采樣電壓大小自動切換所用量程；其次是電壓分離電路，系統(tǒng)采用光耦來隔離供電電壓與測試系統(tǒng)，以保證測量的安全。
    工作原理如下：首先要測量電壓數(shù)據(jù)，根據(jù)電壓大小自動選擇量程，然后對電壓和紋波分別進(jìn)行測量，對于紋波要多次采集取其平均值，通過A／D電路采樣轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過液晶和打印機(jī)輸出。

2 硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)主要采用單片機(jī)技術(shù)，硬件結(jié)構(gòu)包括：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理控制模塊(CPU)、數(shù)據(jù)輸出(打印機(jī))模塊、數(shù)據(jù)顯示(液晶)模塊、輔助電路模塊?；窘Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2．1 直流電壓與紋波的測量
2．1．1 電壓的測量
    系統(tǒng)待測電壓端和電壓傳感器LV25與控制系統(tǒng)連接，單片機(jī)通過繼電器來控制電壓的測量與否。當(dāng)繼電器接通時(shí)開始測量，傳感器將待測電壓轉(zhuǎn)換并送入A／D芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，最后輸出到顯示系統(tǒng)，如圖3所示。

2．1. 2 紋波的測量
    系統(tǒng)采用PKD01，PKD02芯片采集紋波的峰峰值，由于紋波電壓是mV級，信號非常微弱，必須送入OP07進(jìn)行放大后將信號送入A／D芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如圖4所示。

    為了保證測量的精度，系統(tǒng)采用多次測量求平均值的方法來將一些錯誤值濾掉，保證測量的準(zhǔn)確性。
2．2 數(shù)據(jù)采集
    數(shù)據(jù)采集采用TI公司12位開關(guān)電容逐次逼近模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，此款A(yù)／D轉(zhuǎn)換芯片體積小，轉(zhuǎn)換速度快，工作溫度為0～70℃，能夠適應(yīng)室內(nèi)或者是室外的工作環(huán)境。
    單片機(jī)與A／D芯片的連接電路如圖5所示，圖中的電源端串接一個(gè)104的電容，保證信號的穩(wěn)定。

2．3 數(shù)據(jù)輸出
    系統(tǒng)采用液晶顯示，包括日期、時(shí)間、直流電壓值、紋波值；對于需要保存的數(shù)據(jù)采用打印機(jī)輸出。系統(tǒng)輸出通過CPU P0外擴(kuò)三個(gè)74HC 573來控制。74HC573是一個(gè)八進(jìn)制三態(tài)非反轉(zhuǎn)透明鎖存器，當(dāng)它的鎖存使能端為高時(shí)，這些器件的鎖存對于數(shù)據(jù)是透明的(也就是說輸出同步)；當(dāng)鎖存使能端為低時(shí)，符合建立時(shí)間和保持時(shí)間的數(shù)據(jù)會被鎖存。74HC573帶有保護(hù)電路，以免被高的靜態(tài)電壓或電場損壞。系統(tǒng)分別用74HC573_00，74HC573_01，74HC573_02控制液晶控制接口、數(shù)據(jù)接口和打印機(jī)接口。

3 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)以STC89C52為核心來控制整個(gè)系統(tǒng)，STC89C52是一種帶8 KB閃爍可編程可擦除只讀存儲器(FPEROM-Falsh Programmable and Erasa ble ReadOnly Memory)的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，該器件采用STC高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。STC89C52可以按照常規(guī)的方法進(jìn)行編程，其將通用的微處理器和FLASH存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的FLASH存儲器可有效地降低開發(fā)成本。
    程序設(shè)計(jì)時(shí)采用5 ms定時(shí)中斷采集，每次中斷到來時(shí)采集現(xiàn)場電壓信號。當(dāng)所得電壓信號滿足指定條件，則將有效數(shù)據(jù)保留，送入單片機(jī)處理，然后輸出顯示。主控模塊程序是用C語言編寫，具體流程圖如圖6所示。

    系統(tǒng)首先要對CPU進(jìn)行初始化，主要是根據(jù)實(shí)際需要重設(shè)定時(shí)器的初值和工作方式，待初始化完成后進(jìn)入工作循環(huán)程序，首先判斷鍵按下標(biāo)志，若為真則轉(zhuǎn)入鍵設(shè)置處理程序模塊。通過調(diào)用鍵處理程序完成電壓和紋波值上下限設(shè)置，日期和時(shí)間設(shè)置以及查詢已存儲的電壓和紋波值等功能。若鍵按下標(biāo)志為否則調(diào)用數(shù)據(jù)采集模塊，將采集的值送到CPU。CPU對所采集的數(shù)據(jù)處理進(jìn)行去偽存真，將假數(shù)據(jù)舍棄，真數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行顯示和保存。

4 結(jié)語
    該紋波測量系統(tǒng)采用電壓傳感器、峰值檢測器和單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對高壓直流電壓和紋波的測量。具有智能化、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場當(dāng)中，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。