基于V/F变换的单片机测量系统的设计

李艳 荆州职业技术学院机电工程学院

随着我国科学技术的发展和经济的进步，通过技术的进步可以解决电压测量系统中手动切换量程来增加测量距离，而采用V/F变换可以有更高的精度，更远的测量距离和更高度的智能化，因此要进行新型单片机测量系统进行设计和研发。

1. 基于V/F变换的单片机测量系统简介

基于V/F变换的单片机测量系统主要包括以下几个模块：过压保护、两成切换、V/F转换器和显示模块、单片机系统，该系统可以实现对0V-500V的交流和直流电压进行测量，并且具有自动切换量程的功能，能实现更高的测量精度和转换精确性，具有较好的性价比和智性，能够满足绝大部分的使用场景。

该单片机测量系统能够分别测量直流电压和交流电压两大类。在进行交流电压的测量中，系统先经过半波整流电路，使其转化成直流电压，然后再进行后续的测量工作。通过使被测电压经过一定等级的分压衰减的方法，可以获得不同量程的电压。为了进一步提高测量的准确性，需要由V/F转换器对被测电压进行电压/频率的转换，获得满足要求的离散非连续频率脉冲信号，该信号与输入的电压存在一定的函数关系。最终经过光电耦合送到单片机内进行计数和处理，在显示模块进行最终测量数值的显示。该系统的结构和工作原理过程如上分析，可以明确看出加入了V/F变换器之后可以将电压转换成频率脉冲信号，使得单片机能够进行定时计数和数据处理，对得到更精确的电压值有重要的意义，从而极大程度地提升单片机测量系统的精度和精确性。

2.基于V/F变换的单片机测量系统的设计

2.1 过压保护模块设计

电压测量系统需要在一个正常工作电压范围之内，假如出现突然波动的电压则容易损坏电压测量系统，可能会烧毁系统或者导致电压测量结果出现错误，因此需要进行过压保护模块的设计，通过该模块的作用能够防止过高电压对系统的破坏，防止产生不可逆转的物理损伤。过压保护模块可以选用压敏电阻器进行安装和使用，该元件具有瞬态电压抑制功能，常用于电路涌浪和瞬变，可以保护电路不受伤害。因为电压测量模块的电压测量范围在500V以内，需要的压敏电阻器值为750V，这样可以满足电路过压保护的需求，防止系统设备遭到破坏。

2.2 电压信号输入模块设计

电压信号输入是完成测量的基础，因此需要进行重点的设计。因为需要进行交流和直流两种不同电压的测量，因此分两种情况进行说明。1.直流电压的输入电路设计。直流电压的输入主要是对输入电压的电压值。经过压敏电阻器组成的过压保护之后，在经过衰减器，可以对量程进行自动选择，然后经过量程判别选出合适的输出电压进入V/F转换器中。2.交流电压的输入电路设计。在实际工作中测量的交流信号比较多，因此要先将交流信号转为直流的信号，本设计交流电压测量电路采用平均值响应的AC/DC转换电路，测量交流电压时仍利用低漂移双运放 IC1（1/2TL062）组成平均值响应的线性半波整流电路。

2.3 量程自动切换模块设计

在量程自动切换系统中采用电磁继电器作为控制元件，可以起到自动调节和保护的作用，能够负担以微小信号驱动较大符合电流，因此输入电压经衰减器之后，通过比较电路与标准值进行比较得到相应的信号，根据该信号的值和标准值的大小选择相应的量程。

2.4 V/F转换电路设计

V/F转换电路设计的原理是将输入的模拟电压信号转换成离散不连续的频率脉冲信号，可以被单片机系统计数和处理。采用LM331作为高性价比的集成芯片，可以与外围电路中最简单的高精度A/D转换器、V/F转换器元件，电源范围在40V以内。对于V/F转换器的信号处理电路图设计，选择输出频率等于变换系统的固定电阻和可调电阻串联，用于调整LM331的偏差。在阻容的选择上要用低温度系数的元件，可以提高精确性和稳定性。经过该系统的转换，输出的脉冲信号高电平占空较小，不会产生额外的计数误差，所以在与单片机系统的接口处要设置一个D触发器。

2.5 单片机系统设计

在该测量系统中单片机系统是最重要的组成部分，因此单片机最小系统设计可以采用时钟电路加复位电路的模式构成，通过电源模块来供电。时钟电路采用12MHz的晶振，而复位电路可以采用手动开关进行控制，采用单片机的定时器和计数器，当单片机接收到一个终端信号就会同时启动定时和计数器，当结束定时也会同时结束计数，通过单片机的计算模块进行数据处理即可得出测到的频率，然后通过频率与电压之间的线性关系来得到电压值。电源模块采用工作电源为±15V和+5V。输入为220V交流电压，可输出+15V、-15V的电压。+5V电源直接用7805芯片实现。

结束语：V/F转换在单片机测量系统中具有重要的作用，能够将被测电压进行电压和频率的转换，获得满足要求的离散非连续频率脉冲信号，因此对提升单片机测量系统的量程和精度有重要的意义，对电压测量范围在0V-500V之间测量能够实现完全覆盖，转换精度高，线性度好，对电压检测行业有重要意义。