基于单片机的电压监测测试仪设计

缪 杰

（青岛四三零八机械厂，山东 青岛 266044）

0 引 言

在电子设备运行过程中，由于各型设备使用的是地面电缆网统一供电，在其中某一个供电节点出现绝缘异常时可能会导致某些设备供电电压不稳，进而导致电路板的输入电压出现纹波波动，在某些需要高精度电压的环境中会造成电路板的元器件损坏。为监测供电电压，并对其进行预防性检查和故障分析，需要设计一款多路实时电压监测仪，保证电子设备的良好运行。本文主要讲述的是电压监测测试仪的设计，该系统主要由硬件和软件两部分构成。

1 硬件的设计

根据实际使用需求，电压监测测试仪需要对多个被测设备的输入电压实时信号进行监控。将多个设备的电压模拟量输入的采样信号和结果进行实时采集，通过一个8位模拟量A/D信号转换控制电路来检测并转换成单片机可以自动识别的数字信号，传送给上位计算机。在此过程中利用采样电路对每路输入的电压信号进行采样，再将每个输出信号结果通过A/D转换器实时发送到单片机，从而直接获得实时电压信号。硬件设计框图如图1所示，主要由模拟量采集系统电路、通信控制电路、键盘控制电路、时钟电路、复位电路以及单片机外围控制电路6个部分构成[1]。

图1 电压监测测试仪的工作原理框图

1.1 模拟量采集电路的设计

利用转接电缆将被测设备的电压信号进行转接，每个通道代表1个电压模拟量输入。模拟量采集电路包括降压电路、多路开关以及A/D转换器等，是模拟信息的输入通道。本设计共可同时测量8个通道电压值，图2为模拟量通道原理图。

图2 模拟量采集通道原理图

1.1.1 降压电路的设计

选用PT204对被测信号进行降压，其额定输入电压为交流220 V，输出电压为交流5 V。输入额定电压首先通过限流电阻R1，再通过电流型电压互感器PT204，使流过电压互感器初级的额定电流为2 mA，次级也同样产生一个相同的电流[2]。通过一个小型运算式信号放大器可以直接获取需要的输出电压。为了充分保证该输入和输出电压计算的正确性，需要在其中增加反馈稳压电阻R3，即可直接获取一个交流5 V的电压，同时在设计中加入运算放大器来提高计算精度和计算效果。为了确认该电路的参数，需选择合适的限流电阻与反馈式限流电阻。已知初级额定电流范围为2 mA，限流电阻R1=110 kΩ，反馈补偿电阻R3=2.5 kΩ，当电容选0.033 μF时，补偿电阻R2约为155 kΩ。

1.1.2 多路模拟开关的设计

在多通道数据采集系统中，检测到的信号由A/D转换器共享，多路被检测信号分别发送到一路A/D转换器上进行数字化转换，以便工作人员同时对多通道检测到的信号进行数字处理[3]。选用AD7501多路开关，由3个地址线A0、A1及A2的工作状态与EN端来决定选通8路通道中的一路，当EN端为高电平时模拟控制开关选通[4]。

1.1.3 A/D信号转换电路的设计

A/D信号转换器是模拟信号采集和处理系统的核心，为了有效保证其数据采集的准确性和精度，选用AD0801来完成该部分设计。其中，多路开关能够同时接通8个不同的模拟量和分时输入,允许8路模拟量分时输入,共用A/D转换器来实现信号转换，转换完成后得到的数字信号由三态输出锁存器锁存，只有当OE端口转换成高电平时,单片机才允许读取数据[5,6]。锁存器可以与单片机直接串联，DB0～DB7接到单片机的P0.0-P0.7，而RD、WR及INTR连接单片机的RD、WR及INTR，CS连接单片机的P2.7。在初始化期间，ST和OE的信号均被视为低电平，并且转换是否完成可以根据EOC信号进行判断[7]。

1.2 键盘控制电路的设计

键盘输入是计算机人机交互的重要技术基础和组成部分，工作人员实际操作时通过键盘向单片机发送大量的数据或命令。该键盘根据结构尺寸可以划分成一个独立的联接型和一个行列（矩阵）式两种，每一种均包含有可编程的键盘和非可编程键盘两种。为了有效简化操作系统的核心硬件和内部操作系统电路设计，选用非数位编码式触控键盘。该键盘每个按键操作过程只有接通或切断两种工作状态,其键码由一个相应的键盘扫描代码处理程序对按键进行二次扫描处理形成。此外，每一个按键必须保证占用CPU的一条I/O通道。

1.3 通信电路的设计

通信电路选择RS232接口作为标准。由于单片机和计算机的电平不同，因此二者想要实现数据交换必须选择相应的电平转换电路。采用MAX232芯片即可实现，其引脚11、12、9分别接单片机P3.1、P3.0、RST，引脚10悬空[8]。

1.4 时钟电路、复位电路的设计

1.4.1 时钟控制电路

单片机上采用的是一种直流脉冲相位时序时钟控制电路，必须在该脉冲时序时钟控制电路上向直流晶振设备提供一个脉冲时钟信号后它才能正常运行工作。本次性能检测中将直流晶振脉冲频率设定为12 MHz，并令两个22 pF的脉冲电容互换并联。晶振振荡后，单片机XTAL2上产生3 V左右的正弦波，使单片机产生自激振荡，该电路与单片机18、19脚分别相连。

1.4.2 开关复位电路

采用一种由复位电容和开关电阻元件组成的快速启动式复位开关进行复位。在按下一个单片机的电路复位启动按钮时，指示灯点亮，且已经接到了单片控主机上的RST引脚。

1.5 单片机控制电路的设计

作为硬件设计的枢纽，选择C51系列AT89C51单片机，此芯片全部采用了闪烁存储器制造技术，无需添加片外存储器，且功耗较低，可以进行加密操作，具备休眠和掉电两种工作模式。单片机接口分别与模拟量采集电路、键盘控制电路、通信电路、时钟电路以及复位电路等外围电路接口连接。其中，VCC引脚为5 V电源，GND接地，P0口接AD7501，P1口接AD0801，P2口悬空，P3口接到通信和AD0801，RST接到复位电路，XTAL1和XTAL2接到时钟电路[9]。

2 软件流程的设计

软件设计与实现通常包括程序流程图设计和实际编程两部分，程序流程图设计是软件开发的重要组成部分。

2.1 主程序流程的设计

主程序将显示程序、AD采样、数据处理以及串口发送程序形成一个循环，使得程序有条理，简洁易懂。主程序流程如图3所示。

图3 主流程图

2.2 子程序流程的设计

软件的子程序设计是按照模块化的程序设计方法设计的，将整个程序分成若干个子程序。以单片机串行应用程序为例进行分析，其主要由1个串行模拟数据采集控制模块和1个串行模拟数据信号传输控制模块RS232模块组成，具体设计思路是：子程序开始→保护现场→设置8位通道→从AD0801取从高到低8位数据到AT89C51→清除AD0801从低到高的后8位数据→清除AD0801中的寄存器→数据送缓存器→恢复现场→子程序退回。

3 应用前景

设备日常维护和修理中，经常会遇到电压波动引起电路板某些元器件过载出现烧毁，使整套设备失效，产生不必要的损失。使用该监测测试仪可以对设备进行实时监控，当电压波动过大时，及时报警并切断电源，保障设备安全运行。同时在故障发生时可通过分析发生故障的原因，提升设备的可靠性[10]，同时在定期的维护保养和修理过程中也可以对设备供电系统的品质情况进行判断，做到具有预防性的检修，当监控结果发生波动时可及时对设备进行全面检修，保证了设备供电的可靠性和安全性。

4 结 论

从模拟数值采集、单片机及外围控制电路等方面完善电压监控测试仪设计，遵循降低成本和简化运行操作的理念合理构建系统硬件集成电路和软件应用程序，提高设备抗干扰性能。经实际检测，设备性能稳定，电压信号采集快速准确，适用于0～220 V供电设备的供电电压监测，具有一定的推广价值。