基于单片机的高精度智能交直流电压数据采集系统设计

　　电压是电子与电力系统中最基本的测量元素之一，快速准确地获取电压值一直是数据采集与电子测量仪器研究的重要内容之一。传统的指针式电压表具有精度低、可视距离近、功能单一等缺陷，已不适应高速信息化的发展需要。目前市场上广泛使用的数字电压表智能化程度低，测量电压时需手动切换量程，当量程选择不当时会出现测量精度下降、乃至烧坏电压表的极端情况； 而高精度的全量程无档数字电压表一般都采用了DSP、FPGA或CPLD等复杂电路系统， 硬件和软件实现成本较高。为此，笔者设计研制出了一种以单片机为控制主体的智能交流直流电压数据采集系统，具有体积小、精度高、结构简单、使用与读数方便、性价比高、适应范围宽等优点，有效地弥补了上述各种电压表系统的缺点和弊端。

　　1 系统总体方案

　　该电压数据采集系统主要由电压衰减器、量程转换及放大电路、AC/DC转换电路、A/D转换电路、主控单片机STC89C52以及LCD显示电路等5个部分组成，其原理框图如图1所示。电压衰减器和放大器将待测模拟信号电压值转换到AC/DC变换器的输入电压范围内，直流电压经衰减放大后不需作 AC/DC转换；量程转换电路根据输入到A/D转换器的模拟直流电压大小，由单片机判断后控制继电器对衰减放大电路作相应的调整，确保选择出最佳量程；A /D转换由单片机启动，在软件中对采集到的数据作数字滤波、标度变换和系统误差校准等处理后，根据电压类型标志位在LCD上显示测量值和电压类型。

　　图1 电压数据采集系统原理框图

　　2 系统硬件设计

　　2．1 电压衰减、放大和量程转换电路

　　电压衰减放大和量程转换电路如图2所示。电阻R1～R5构成衰减系数分别为1、10、100、1 000、10 000的分压器，将被测输入电压Uin衰减至0～200 mV范围内并送至后端电路放大、AC/DC转换（直流电压不需转换）、A/D转换以及由单片机进行采集、处理与显示。为了降低测量误差，分压电阻R1～R5均选用误差为±0．5％ 的精密金属膜电阻。量程的选择由单片机的P1．0～P1．4口线经反相器74HC04 反相后控制SPRAGUE公司的高耐压、大电流达林顿晶体管集成电路ULN2003的输入端1 B～5 B，从而驱动电磁继电器K1～K5的触点开关吸合或断开来实现。交流电压与直流电压共用同一转换量程，K1～K5被独立吸合时对应的量程依次为200 mV、2V、20 V、200 V、1 000 V（AC 750 V）。若被测电压高于单片机设定的量程，单片机控制相应的继电器线圈接通对信号进行衰减，反之则放大，以保证输入至AC/DC转换器和A/D转换器的信号不超过它们的工作电压范围。因被测电压未知，为避免电路被烧坏，初始量程应设定为最高量程。

　　图2 电压衰减放大和量程转换电路

　　ULN2003 芯片内部二极管负极公共端COM 接至负载电源+5 V，对各继电器线圈起反向续流作用。加入反相器74HC04的目的是防止单片机系统通电或复位时，输入高压不经分压直接进入后级弱电系统导致烧毁电路的情况。运放U3接成电压跟随器形式，起隔离前后通道的作用， 并降低输出阻抗、提高带负载能力。其中，R6、R7为限流电阻，防止因量程切换至各量程时造成过大的电流；D1、D2为双向限幅二极管， 起过压保护作用。运放A4和电阻R8、R9、R10连接成同相比例电路，将衰减成0～200mV范围内的信号放大1O倍送给后面的AC/DC转换器 AD637J（标称满量程为2V）进行交流/直流转换f直流不需转换）。

　　2．2 AC/DC转换电路

　　AC/DC转换电路如图3所示，由两片单通道单刀双掷（SPDT）模拟开关MAX14763完成交流/直流电压通道的切换功能，一片高性能真有效值TRMS（True Root MeanSquare）转换器AD637K完成交直流电压转换功能。

　　图3 AC/DC转换电路图

　　MAX14763 是+3．0 V～+5．5 V 单电源供电器件， 允许通过超出其电源电压摆幅的±25V范围内的双极性信号。导通电阻和导通漏电流最大值分别为2Q、±100 nA，较低的导通电阻和较宽频带（一3 dB带宽为1O0MHz）使得其非常适合于数字和模拟信号切换场合的应用。当拨动开关S1闭合时，MAX14763的SEL端为低电平、C0M 端连接至A1，接通交流电压通道，对输入交流电压进行AC/DC转换；反之则接通直流电压通道，让直流输入电压直接进入后级电路。

　　AD637K是一款完整的高精度、单芯片均方根直流（RMS-DC）转换器，可计算任何复杂输入波形的真有效值TRMS而不必考虑波形参数及失真度的大小，并提供等效直流输出电压。即：

T为测量时间，V IN（t） 为输入信号波形。可见，波形的真均方根值与信号功率直接相关，因此比平均整流信号更为有用。AD637K的