基于PIC18F852单片机的数字式电压表系统

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    Design of new numerical voltage meter based on singlechip
摘要：介绍一种基于单片机的数字式电压表系统，系统由放大、整流滤波电路，V-F转换电路，中央控制单元及显示电路等几部分构成， 这种以单片机为核心的新型智能仪表将计算机技术与测量控制技术有效结合，使得测量结果更准确可靠。设计突破了传统的电压表设计方式，提高了数字式电压表的性价比。
关键词：数字式电压表  桥式整流电路  V-F转换     
Abstract： Introduces a kind of design about the new numerical voltage meter based on single chip. The system includes the operational amplifier, filter circuit, rectifier circuit, voltage- frequency converter, central control unit and the show circuit etc. This appliance which bases on single chip compounds the technology of computer and measure validly, That makes the measure result more accurate and credible. The design breaks the traditional voltage meter design method, which raises the function price ratio of the numerical voltage meter.
Key words： numerical voltage meter，bridge rectifier circuit, voltage- frequency convert
0、引言
传统的电压表一般采用指针式面板，精度低，可视距离近，已不适应社会发展需要。随着智能化微机测量和控制技术的迅速发展，以单片机位为核心的数字电压表已凸显出其优势。本文介绍以单片机为核心的数字式电压表设计，该电压表具有性价比高，使用方便，精度高等特点，在铁路货车，家用电器，工业生产等电子测量领域有广泛应用。
1、系统总体方案设计
传统的指针式面板电压表性价比不高，本文介绍的以单片机为核心的数字式电压表系统对此有所改进，它由放大、整流电路，V-F转换电路，中央控制单元，显示电路几部分构成，整个系统构成较为简洁。
  

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图1、总体方案电路图
1.1 放大、整流电路
放大电路单元选用专用型集成电路运算放大器LF356， 它利用场效应管高输入阻抗的特点, 用场效应管组成运算放大器的差分输入级，因此具有高输入阻抗，输入偏置电流小，高速，宽带，低噪声，测量精度高等优点。
整流滤波电路选用桥式整流滤波电路，其任务是将交流电变成直流电，它主要是靠二极管的单向导通性来完成，滤波电路采用C型滤波电路。


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                    图2、放大、整流电路图
桥式整流滤波电路中，由于其输出电压与输入电压满足 ，并且二极管承受的最大反向电压

500)this.style.width=500;" border=0>（其中 为桥式电路输入端的电压有效值），因此，须选择合适的二极管，本设计选用型号为RL154的普通型整流二极管。
1.2 V-F转换电路
V-F转换电路是将模拟电压信号转换为频率信号，转换精度高，抗干扰能力强，与单片机的接口简单。它将模拟输入信号转换为频率与其电压幅值对应的输出信号，是一种输出频率与输入信号成正比的模数转换电路。
本文采用LM331组成V-F转换电路，它是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，外接电路简单, 只需接入几个外部元件就可方便构成V-F变换电路,并且容易保证转换精度。 它为双列直插式8脚芯片, 其输出管采用集电极开路形式, 因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻, 灵活改变输出脉冲的逻辑电平, 从而适应TTL,DTL和CMOS等不同的逻辑电路.此外, LM331可采用单/双电源供电,电压范围为4～40V,输出也高达40V。



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图3、V-F转换电路
图3中，PIN1为电流源输出端,在 输出逻辑低电平时, 电路对电容C2充电，PIN2
为增益调整, 改变R4的值可调节电路转换增益的大小，以校准输出频率。PIN3为频率输出端，为逻辑低电平, 脉冲宽度由R3和C3决定，PIN4为电源地， PIN5为定时比较器正相输入端， PIN6为输入比较器反相输入端，PIN7为输入比较器正相输入端， PIN8为电源正端。其转换定时波形如图4所示。



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图4、V-F转换定时波形
LM331能在一个较宽的频率范围内，使其输出频率正比于输入电压。满足

由此式可知：电阻R2,R3,R4,和C3直接影响转换结果 , 因此对元件的精度有一定
的要求,可根据转换精度适当选择. 电容C1对转换结果虽然没有直接的影响.但应选择漏电流小的电容器.电阻R1和电容C1组成低通滤波器,可减少输入电压中的干扰脉冲,有利于提高转换精度. 但电容C1的选择不宜太小,要保证输入脉冲经LM331内部微分电路后有足够的幅度来触发其内部输入比较器,同时，也需考虑电容C2对纹波及输出响应快慢的影响。因此，这些因素在实际运用时要综合考虑.从PIN3输出的频率信号加到单片机8031的输入端T1上，根据分辨率的要求利用软件处理,可得到有效的转换结果.
中央控制单元是控制系统的中枢，是系统的信息处理部分，系统选用美国Microchip公司的PIC18F852单片机，它采用RISC结构的嵌入式微控制器，具有高速度、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等特点。其2048字节数据存储器RAM区给编程处理各类数据带来极大的方便，内部含12bit A/D转换输入。分辨率很高，此外，还具有10bit D/A转换功能。PIC18F852功能强大，可向其它电路单元输出控制信号。
LM331组成的V-F转换电路中，管脚3接负载电阻10KΩ，电源加+5V。这样PIN3可直
接与PIC18F852相连接。LM331的PIN3发出信号，中央控制单元收到信号后做出分析、响应，完成电路功能的执行。为了提高抗干扰能力，还可在LM331与PIC18F852之间加接光电耦合隔离元器件。
显示电路可利用单片机串行口加外围芯片74LS164，构成多个并行输出口，用于串/并转换，驱动CD4511锁存-译码器进行LED数码管显示。数据从单片机输出经74LS04反相器进入74LS164的输入端，而时钟脉冲经74LS04反相器连接到74LS164的CLK脉冲信号端，在LED显示相应的十进制数字，从而完成电压有效值的显示。                          
1.3  软件流程
交流数字电压表中的主程序流程图如图5所示：


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图5、主程序流程图
PIC18F852接收到LM331的脉冲信号，并计算出对应的交流电压有效值送显示单元进行数值显示。
2、结束语
文章得创新点在于：突破传统的指针式电压表设计，采用以单片机PIC18F852为核心的新型数字式电压表设计方案，其具有精度高，测量准确可靠，性价比高等特点，同时，采用LM331组成的V-F转换电路使得系统结构简单，性价比高，整个方案较好地完成了数字式电压表的设计，为了功能更完善，可在LM331与PIC18F852之间加接光电耦合隔离元器件。整个设计较为完善，使得数字电压表使用性强，运行可靠。
参 考 文 献
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作者简介：江桦：女，（1979- ）教师，汉族,西南交通大学峨眉校区计算机与通信工程系，四川 峨眉 614202;
主要研究方向：测量与控制。E-mail: superin_2002@163.com
Biography: Jiang Hua, female, (1979-),Han nationality,Teacher，School of Computer and Communication Engineering ,The e-mei Campus of Southwest JiaoTong University, e-mei ,614202 , China. Take on research on measure and control.
吴昌东，男，（1978- ），汉族，教师，西华大学电气信息学院，西南交通大学信息科学技术学院硕士研究生，主要研究方向：信号与信息处理。
吴学杰：男，(1964-), 汉族，研究员，汉族西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031
通讯地址：四川成都西华大学电气信息学院  邮政编码：610039  吴昌东（收）[1]
         
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