电压是电子与电力体系中最根本的丈量元素之一，快速精确地获取电压值一直是数据收集与电子丈量仪器研讨的重要内容之一。传统的指针式电压表具有精度低、可视间隔近、功用单一等缺陷，已不习惯高速信息化的发展需求。现在市场上广泛运用的数字电压表智能化程度低，丈量电压时需手动切换量程，当量程挑选不妥时会呈现丈量精度下降、甚至烧坏电压表的极点状况; 而高精度的全量程无档数字电压表一般都选用了DSP、FPGA或CPLD等杂乱电路体系， 硬件和软件完结本钱较高。为此，笔者规划研发出了一种以单片机为操控主体的智能沟通直流电压数据收集体系，具有体积小、精度高、结构简略、运用与读数便利、性价比高、习惯规模宽等长处，有用地弥补了上述各种电压表体系的缺陷和坏处。
1 体系整体方案
该电压数据收集体系首要由电压衰减器、量程转化及扩大电路、AC/DC转化电路、A/D转化电路、主控单片机STC89C52以及LCD显现电路等5个部分组成，其原理框图如图1所示。电压衰减器和扩大器将待测模仿信号电压值转化到AC/DC改换器的输入电压规模内，直流电压经衰减扩大后不需作AC/DC转化;量程转化电路依据输入到A/D转化器的模仿直流电压巨细，由单片机判别后操控继电器对衰减扩大电路作相应的调整，确保挑选出最佳量程;A/D转化由单片机发动，在软件中对收集到的数据作数字滤波、标度改换和体系差错校准等处理后，依据电压类型标志位在LCD上显现丈量值和电压类型。
2 体系硬件规划
2.1 电压衰减、扩大和量程转化电路
电压衰减扩大和量程转化电路如图2所示。电阻R1～R5构成衰减系数别离为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规模内并送至后端电路扩大、AC/DC转化(直流电压不需转化)、A/D转化以及由单片机进行收集、处理与显现。为了下降丈量差错，分压电阻R1～R5均选用差错为±0.5% 的精细金属膜电阻。量程的挑选由单片机的P1.0～P1.4口线经反相器74HC04反相后操控SPRAGUE公司的高耐压、大电流达林顿晶体管%&&&&&%ULN2003的输入端1 B～5 B，然后驱动电磁继电器K1～K5的触点开关吸合或断开来完结。沟通电压与直流电压共用同一转化量程，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，单片机操控相应的继电器线圈接通对信号进行衰减，反之则扩大，以确保输入至AC/DC转化器和A/D转化器的信号不超越它们的作业电压规模。因被测电压不知道，为避免电路被烧坏，初始量程应设定为最高量程。
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。参加反相器74HC04的意图是避免单片机体系通电或复位时，输入高压不经分压直接进入后级弱电体系导致焚毁电路的状况。运放U3接成电压跟从器办法，起阻隔前后通道的作用， 并下降输出阻抗、进步带负载才能。其间，R6、R7为限流电阻，避免因量程切换至各量程时形成过大的电流;D1、D2为双向限幅二极管， 起过压维护作用。运放A4和电阻R8、R9、R10衔接成同相份额电路，将衰减成0～200mV规模内的信号扩大1O倍送给后边的AC/DC转化器AD637J(标称满量程为2V)进行沟通/直流转化f直流不需转化)。
2.2 AC/DC转化电路
AC/DC转化电路如图3所示，由两片单通道单刀双掷(SPDT)模仿开关MAX14763完结沟通/直流电压通道的切换功用，一片高功能真有用值TRMS(True Root MeanSquare)转化器AD637K完结交直流电压转化功用。
图3 AC/DC转化电路图
MAX14763是+3.0 V～+5.5 V 单电源供电器材， 答应经过超出其电源电压摆幅的±25V规模内的双极性信号。导通电阻和导通漏电流最大值别离为2Q、±100 nA，较低的导通电阻和较宽频带(一3 dB带宽为1O0MHz)使得其十分适合于数字和模仿信号切换场合的运用。当拨动开关S1闭合时，MAX14763的SEL端为低电平、C0M 端衔接至A1，接通沟通电压通道，对输入沟通电压进行AC/DC转化;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是一款完好的高精度、单芯片均方根直流(RMS-DC)转化器，可核算任何杂乱输入波形的真有用值TRMS而不用考虑波形参数及失真度的巨细，并供给等效直流输出电压。即：
T为丈量时刻，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，因而比均匀整流信号更为有用。AD637K的精确度为±(0.25 mV+0.05%RDG).答应丈量有用值200 mV、频率最高达600 kHz的输入信号以及有用值1 V 以上、频率最高达8 MHz的输入信号。AD637K 的最高满量程规模是有用值7 V，因为有用值2V满量程规模能够为峰值输入(高波峰要素信号)供给更大的动态余量，所以衰减扩大电路输出信号U1应操控在此规模内。电路中均匀电容C1用来设置均值时刻，一起决议低频精度、输出纹波巨细和安稳时刻。电位器RW1和RW2别离用来对输出调零和调幅，以使输出更精确。
2.3 A/D转化电路
A/D转化电路如图4所示， 其间运放U8和电阻R14～R16构成同相扩大电路，对前端输出的直流电压U2f≤2 v)2倍扩大，将输入电压Uin的丈量分辨率进步了一倍。MAX187是串行12位逐次迫临式A/D转化芯片，选用单+5 V 电源作业，内部含有片内时钟和采样/坚持器，采样速率达75 kHz。其经过高速3线串行接口与单片机的I/O 口线P2.0～P2.2进行衔接，接口与SPI、QSPI和Microwire总线协议兼容。SHDN接高电平，REF端对地接4.7 F的%&&&&&%，这是其运用内部4.096 V 基准电压办法，AIN端输入模仿信号的电压在0～4.096 V规模内。
2.4 LCD 显现电路
本体系选用NOKIA公司出产的5ll0液晶显现器(LCD)模块作为显现单元，完结显现当时电压值与电压类型(沟通或直流)的功用，电路如图5所示。NOKIA 5110与单片机只要5根信号线衔接，接口电路简略。它的通信协议是一个没有MISO 只要MOSI的SPI协议，传输速率高达4 Mb/s， 可全速写入显现数据而无等待时刻，能够选用单片机软件程序模仿。SPI接15写数据/指令时序(传送1 B)如图6所示。
3 体系软件规划3.1体系软件整体流程
体系软件整体流程图如图7所示，为便于程序的移植、调用和调试，选用了模块化程序规划思维对不同特定功用的模块别离进行编程。单片机上电先进行程序初始化，完结对K1～K5继电器、MAX187和NOKIA5110的硬件设置，以及单片机内部体系中止和体系变量的初始化。接着挑选最高量程(将PI.4～P1.0 口线状况置为011l1)，发动A/D转化对待测信号进行采样和作数据处理核算，并判别量程是否适宜。超量程阈值和欠量程阈值别离取为4000和400，对应ADC输入电压别离为4V和0.4V。若当时量程适宜，则对处理后的数字量作标度改换和差错校准后得到被测电压值，并在LCD上显现电压类型、有用值和单位等信息。反之，则进行量程切换，找到一个新的最佳量程，下次丈量就在新挑选的量程下进行。在判定时，若量程为最等级低时仍为欠量程，则保持原量程不改变;若量程为最高级时仍为超量程，则有必要采纳相应的过载处置办法。
3.2 采样数据的数字滤波
对A/D采样后数据进行处理时，先后运用了程序判别滤波法和滑动均匀滤波法，前者用来剔除去因随机搅扰、误检测或体系不安稳等偶尔要素引起的尖脉冲搅扰信号，后者用以按捺数据中或许呈现的周期性搅扰成分如无线电波引起的高频搅扰。程序判别滤波算法是依据实践经验判别，确认出相邻采样答应的最大差错值DT(这儿取值为8)，当每次检测到新值时判别：假如本次值与前次值之差的绝对值小于或等于DT，则本次采样值有用;相反则抛弃本次值，取前次值替代本次值。如下式所示：
在扫除脉冲搅扰后，使用滑动均匀滤波算法对数据作进一步处理。其把接连N个采样值(这儿，N=10)当作一个长度为N的行列，每采样到一个新值放入队尾，并丢掉本来队首的一个数据，然后对行列中的N个数据作算术均匀运算，取得新的滤波成果
此数据用来阈值鉴别和作标度改换。
3.3 体系差错的校准算法
因为体系电路的基准差错、扩大器的零点漂移与偏移、增益差错和非线性等非抱负特性会引起体系差错，为了进步丈量精度，采纳了以下算法进行差错校准和补偿。设等精度丈量得到 组电压样本数据(Xi，Yi)，其间：i = l，… ，M ，Xi和Yi 别离为标度改换后电压值(丈量值)和实践值(由高精度电压基准源发生)。使用最小二乘法把测j导数据作Y=aX+b 线性拟合，依据样本数据差错的加权平方
和最小准则，得系数a、b的数学表达式如下：
将各校对点数据(Xi，Yi)(这儿M 取值为6)代入上两式得到系数a、b的值，并存人单片机的内存单元中。在正式丈量时，依据丈量值 和差错校对方程Y=aX+b求出校对值Y，然后消除体系差错。因为量程不一起体系差错也不一样， 因而需求在各量程别离进行上面的处理，以取得不同量程的最佳校准作用。
4 首要技术指标
体系首要技术指标如下：(1)量程：200 mV、2 V、20 V、200 V、1 000 V(AC750V);(2)分辨率：50 txV、0.5 mV、5 mV、50mV、0.5V(对应各量程);(3)精确度：200 mV档：0.005%×读数+0.0025%×满度(DC)、0.05%×读数+0.05%×满度(AC);其他档：0.005%×读数+0.001%×满度(DC)、0.05%X读数+0.025%X满度(AC);(4)作业电源：DC±5V。
本文规划完结了一种根据单片机的具有量程主动转化功用的交直流电压数据收集体系，丈量电压动态规模宽，为高精度电压数据收集和智能电压表的研讨供给了一种性价比较高的解决方案。实践运转成果表明：该体系精度高、差错小、灵敏度高、作业安稳、功能牢靠，能够广泛运用于电力体系、计量检测、国防工业、家用电器、科技与工业出产、铁路设备等需求电压丈量与获取的各个领域。此外，规划时选用的一些硬件和软件规划办法和思路，也为同类数据收集体系和智能仪器仪表的规划与研发供给了参阅。
