咸陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 郝海燕

基于MSP430單片機(jī)的新型多路數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

咸陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 郝海燕

準(zhǔn)確可靠的電壓測(cè)量在現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)中具有重要的意義。本文以MSP430單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)出具有四路直流輸入、一路交流輸入的數(shù)字電壓表（DVM）。詳細(xì)介紹了DVM的工作原理，討論了儀表關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)思路以及關(guān)鍵算法的實(shí)現(xiàn)步驟，給出了DVM的仿真設(shè)計(jì)電路圖和實(shí)物電路圖。測(cè)試結(jié)果表明，該電壓表的測(cè)量誤差不大于0.02V，具有較高的測(cè)量精度。

多路數(shù)字電壓表；MSP430單片機(jī)；測(cè)量誤差

引言

在電量測(cè)量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個(gè)被測(cè)量，其中電壓量的測(cè)量最為經(jīng)常。而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，更是經(jīng)常需要測(cè)量高精度的電壓，所以數(shù)字電壓表是一種必不可少的測(cè)量?jī)x器。它是采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一，精度低，讀數(shù)不方便，日益不能滿足數(shù)字化時(shí)代的需求[1]。

本文中采用美國(guó)德州儀器公司性能優(yōu)越的MSP430F單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種新型的數(shù)字電壓表，該電壓表利用MSP430F單片機(jī)內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量的采集，得到相應(yīng)的數(shù)字量后，再按照模擬量與數(shù)字量之間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)單片機(jī)編程運(yùn)算得到相應(yīng)的模擬電壓值，最后通過(guò)液晶顯示器顯示出來(lái)。系統(tǒng)的主要功能都集成在一塊芯片上,具有體積小,可靠性高、電壓測(cè)量準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)[2]。

1. 技術(shù)要求

系統(tǒng)可以測(cè)量一路交流、四路直流電壓模擬量；直流、交流電壓測(cè)量范圍為0-3.3V；測(cè)量的最小分辨率為0.001V,測(cè)量誤差為±0.01V；采用液晶顯示器顯示通道標(biāo)識(shí)和通道所對(duì)應(yīng)的電壓值；可用現(xiàn)場(chǎng)提供的220V交流電源。

2. 系統(tǒng)組成及工作原理

該多路數(shù)字電壓表由于采用的是單片機(jī)內(nèi)部自帶的ADC內(nèi)核來(lái)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，所以系統(tǒng)主要由電源降壓電路、MSP430F單片機(jī)、直流量采集電路、極性轉(zhuǎn)換電路、交流輸入處理電路和顯示電路等六部分組成[3]。工作原理框圖如圖1所示。

單片機(jī)是控制中心，由于MSP430單片機(jī)正常運(yùn)行電壓為3.3V，因此由電源降壓電路將5VUSB電源U降壓為3.3V供給單片機(jī)。直流量采集電路提供直流采樣源，極性轉(zhuǎn)換電路和交流輸入處理電路提供交流采樣源。顯示電路提供數(shù)據(jù)顯示，以便與用萬(wàn)用表測(cè)的真實(shí)值相對(duì)比，以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源降壓電路

該系統(tǒng)采用AMS1117 穩(wěn)壓芯片輸出3.3V 直流電，經(jīng)過(guò)瓷片電容和電解電容濾波，使供給單片機(jī)的電源穩(wěn)定性好，同時(shí)開關(guān)按下有LED 做指示，可以直接觀察電源的通斷。

3.2 直流采樣和交流采樣源電路

直流采樣源電路由4個(gè)10K滑動(dòng)變阻器電路組成；交流采樣源電路由輸入信號(hào)處理電路和極性轉(zhuǎn)換電路組成。輸入信號(hào)處理電路完成對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)整。極性轉(zhuǎn)換電路則完成對(duì)信號(hào)的放大。

輸入信號(hào)處理電路的目的是將220V的交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為幅值較小的1.5V交流信號(hào)。首先由變壓器將220V的交流電壓降壓成12V交流電壓，再經(jīng)過(guò)電位器的調(diào)節(jié)作用，輸出1.5V的交流信號(hào)。極性轉(zhuǎn)換電路利用采樣芯片正常運(yùn)行時(shí)的電壓當(dāng)做轉(zhuǎn)換時(shí)的參考U。由于芯片正常運(yùn)行時(shí)的電壓一般為正U，因此要對(duì)輸入信號(hào)處理電路輸出的1.5V的交流信號(hào)進(jìn)行變換，轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性交流U信號(hào)。

3.3 顯示電路

顯示電路采用液晶顯示器LCD1602，用來(lái)對(duì)采樣到的直流信號(hào)或者交流信號(hào)的電壓值進(jìn)行顯示。

4. 系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖1所示為利用proteus軟件仿真的直流采樣結(jié)果。

圖1 直流信號(hào)采樣仿真結(jié)果

5. 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)果滿足預(yù)期目標(biāo)并且系統(tǒng)的工作穩(wěn)定，圖2和圖3為該系統(tǒng)實(shí)物測(cè)試結(jié)果圖。

圖2 幅值0.5V的直流信號(hào)采樣結(jié)果

圖3 幅值1.0V的交流信號(hào)采樣結(jié)果

6. 結(jié)論

設(shè)計(jì)的以MSP430單片機(jī)為控制核心的多路數(shù)字電壓表，能夠完成對(duì)于直流電壓和交流電壓的采樣,并能直觀的在LCD1602上顯示。從設(shè)計(jì)結(jié)果來(lái)看，基本實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)所要求的功能指標(biāo)。

[1]張永瑞.電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2013.

[2]張福才,張銳,汝洪芳.MSP430單片機(jī)自學(xué)筆記[M].北京航空航天出社,2011:1-4.

[3]利爾達(dá).MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社2004.

郝海燕，講師，研究方向：智能控制。

咸陽(yáng)師范學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目XSYK17009。