基于MCP3204的大量程光伏电压显示电路设计

杨清学

（成都职业技术学院四川成都610041）

基于MCP3204的大量程光伏电压显示电路设计

杨清学

（成都职业技术学院四川成都610041）

为了解决现有的光伏电压表存在测量范围小、测量精度低的问题。提出了一种基于MCP3204模数转换的设计方案，并完成系统的软硬件设计。该系统包括AT89S52单片机，与该AT89S52单片机连接的电源模块、cmos反相器、数码显示管、MCP3204模数转换器和用作AT89S52单片机上拉电阻的排阻，同时与cmos反相器和排阻连接的数码显示管，以及与MCP3204模数转换器连接、用于接入外部直流电压以便电压表测量的测量输入口。本系统结构简单、设计合理、使用方便，其在很大程度上改善了光伏电压表的测量精度和测量范围，达到了设计要求。

MCP3204；AT89S52单片机；光伏电压；显示电路

随着电子行业的发展，各种测量仪器也发展得越来越多，各式各样的数字电压表应用于各个领域。现阶段的光伏发电电压测量表，由于结构设计不合理，导致其测量的量程不是很高，大多数只能测量几十伏的电压，且精度只能精确到0.1 V，因而在很大程度上限制了其电压测量的通用性。

文中使用AT89S52单片机与MCP3204AD转换芯片设计一款性能优越、电路简单、稳定性好、精度高的数字电压表，利用74LS04驱动LED数码管显示，用于光伏电压测量，其在很大程度上改善了光伏电压表的测量精度和测量范围。经实践证明本设计测试性能良好、测量稳定、性价比高。

1　总体设计

系统设计图如图1所示。基于MCP3204A/D转换芯片和AT89S52单片机设计的0～100 V电压表，精确到小数点后两位；本设计能够准确测量0～100 V之间的直流电压，测量精度为0.03。

图1　系统总体结构图

在对太阳能电池组件输出电压的测试过程中，通过测量太阳能电池组件产生电压信号送到采集转换电路，经采集转换电路输出单片机可识别的数字信号，然后传至单片机处理后经驱动电路及显示电路，从而将测得的外部直流电压值进行显示。

2　系统硬件设计

系统硬件主要由电源模块、测量输入口、MCP3204模数转换器、AT89S52单片机、显示和驱动电路等组成，系统硬件结构图［1_2］如图2所示。

图2　系统硬件结构图

本系统电源模块采用6.5～12 V直流电压，通过AMS1117_5.0稳定输出电压为5V，两个电容的作用是滤波。

由于本设计测量对象是0～100 V直流电压，所以给采样电路的设计减少了很多麻烦，分别根据MCP3204的输入电压考虑，采样电路使用19K和1K两个电阻进行分压，使得采样最大输出为5 V，这样就可以将采集到的电压直接送给MCP3204进行A/D转换，如图所示［3］（2 kΩ电阻是为了误差补偿）。

MCP3204是4通道输入，SPI通讯输出的A/D转换芯片，以5 V直流电压供电，也直接以5 V为芯片提供比较电压，芯片只使用1位通道进行输入；由于此芯片是SPI通讯方式，所以在与单片机进行通讯时，时钟信号由单片机产生。

本设计使用的单片机是AT89S52，使用11.0592M晶振为单片机提供时钟；复位电路采用上单复位和按键复位两种复位方式；单片机使用了P0、P1、P2共3个IO口，P0和P2作为显示输出口，P1作为与MCP3204通讯端口［4］。

由单片机P0口送数字0_9的共阳段码，由P2送位选，通过74LS04对位选端取反送给6位共阳数码管显示，达到外部驱动数码管的效果。

工作过程进行介绍：

首先，接通外部电源，对电源模块输入6.5～12 V的直流电压，然后经稳压后，输出稳定的5 V电压给整个系统供电，令光伏电压表正常工作。

接着，测量输入口输入电压范围为0～100 V的直流电压，输入的直流电压经两个分压电阻分压后，得到电压为0～5 V的直流电压，然后提供给MCP3204模数转换器。传至MCP3204模数转换器的直流电压，经MCP3204模数转换器转换成AT89S52单片机可识别的数字信号，然后传至AT89S52单片机。

AT89S52单片机将接收的数据经过处理后，传输至cmos反相器进行相位反转，然后传输至数码显示管；同时，AT89S52单片机还输出低电平，该低电平经排阻上拉增强为高电平后，驱动数码显示管发光，从而将测得的外部直流电压值进行显示。

3　系统软件设计

本设计使用了AT89S52单片机，除了硬件电路的设计外，还需要软件部分的支持。电源开关打开后，程序对定时器0中断进行配置，首先进入whi1e大循环，在大循环里先和MCP3204进行通讯，然后进行数据的读取，将读取的数据存放到一个数组里面，然后通过for循环对数组里面的每一个数据进行十进制的换算，换算的结果放进另一个数组里面。

在数据的接收处理完成后，程序就等待中断的到来，中断请求允许后，在中断函数里面进行显示的处理，然后送给单片机I/O口进行外部的显示，系统软件设计的结构图如图3所示。

图3　软件设计流程图

4　实验应用

根据本设计制作多个样品进行测试，将得到的结果与理论值进行比较，测试结果性能良好，通过实际应用发现，该测试系统测试结果准确、稳定可靠，如表1所示。元器件价格便宜，其适于推广应用。

表1　测量结果

5　结论

本设计通过设置AT89S52单片机、MCP3204模数转换器、排阻、cmos反相器和数码显示管，可以实现对外部输入的直流电压的测量和显示，其不仅测量精度高（能达到0.03V），而且测量范围广（能达到0～100 V），很好地解决了现有光伏电压表所存在的技术问题。

［1］MICROCHIP.MCP3204/3208系列手册［EB/OL］.http：//ww1. microchip.com/down1oads/en/DeviceDoc/21298e.pdf.

［2］宋戈.51单片机应用开发范例大全［M］.北京：人民邮电出版社，2012.

［3］曾敬.数字电压表设计［J］.信息与电脑，2015（5）：5_6.

［4］倪丽惠.基于单片机的简易数字电压表［J］.科技视界，2014 （32）：119_120.

［5］雷建龙，郭小军.单片机C语言实践教程［M］.北京：电子工业出版社，2013.

［6］王业胜.基于ATMEGA8数字电压表的设计［J］.内蒙古科技与经济，2014（3）：75_76

Deslgn of a large number of MCP3204 based PhotoVoltalc Voltage dlsPlay clrcult

YANG Qing_xue
（Chengdu Polytechnic，Chengdu 610041，China）

In order to so1ve the existing prob1ems of sma11 measuring range and 1ow measurement accuracy in the existing photovo1taic vo1tage meter.A design scheme based on MCP3204 ana1og to digita1 conversion is presented，and the hardware and software design of the system is comp1eted.The system inc1udes MCU AT89S52，and the MCU AT89S52 connection of power supp1y modu1e，CMOS inverter，digita1 disp1ay tube，mcp3204 ana1og to digita1 converter and used as the AT89S52 microcontro11er pu11 resistance of exc1usion，and CMOS inverter and exc1usion connected digita1 disp1ay tube，and is connected with the mcp3204 ana1og to digita1 converter and used for access externa1 DC vo1tage to vo1tage meter measuring，the input port.The system has simp1e structure，reasonab1e design，convenient use，and it can improve the measurement accuracy and measurement range of the PV vo1tage meter to a great extent.

MCP3204j AT89S52j photovo1taic vo1tagej disp1ay circuit

TP274

A

1674_6236（2016）10_0121_02

2015_09_07稿件编号：201509055

四川省教育厅重点科研课题基金项目“四川省教育厅资助科研项目”（15ZA0362）

杨清学（1965—），男，四川青川人，副教授。研究方向：光伏发电技术及应用。