基于单片机的新型数字式电压表设计

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。
中 文 核 心 期 刊 《 微 计 算 机 信 息 》（ 嵌 入 式 与 Ｓ ＯＣ ）２００８ 年 第 ２４ 卷 第 ３－２ 期
（２２４００２ 江苏盐城 盐城师范学院 信息科学与技术学院）李永 （Ｄｅｐａｒ ｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｙａｎｃｈａｎｇ Ｔｅａｃｈｅｒ ’ｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｊ ｉａｎｇｓｕ Ｙａｎｃｈｅｎｇ ２２４００２）Ｌｉ Ｙｏｎｇ 通 讯 地 址：（２２４００２ 江 苏 省 盐 城 师 范 学 院 信 息 科 学 与 技 术 学 院）李永
高达 ４０Ｖ。
图 ３ 中， ＰＩＮ１ 为电流源输出端，在 ｆｏｕｔ 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
《Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
邮局订阅号： ８２－９４６ ３６０ 元 ／ 年 － １３３ －
单片机开发与应用
中 文 核 心 期 刊 《 微 计 算 机 信 息 》（ 嵌 入 式 与 Ｓ ＯＣ ）２００８ 年 第 ２４ 卷 第 ３－２ 期
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。
（下转第 １４６ 页）
－ １３４ － ３６０元 ／ 年 邮局订阅号： ８２－９４６
《现场总线技术应用 ２００ 例》
单片机开发与应用
［４］秦曾煌，电工学（下）． 高等教育出版社［Ｍ］，２０００。
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主要研究方向：测量与控制； 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
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
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｍ ９３０
文献标识号：Ａ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｎｅｗ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｍｅｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｏｐｅｒａ－ ｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ， ｆｉｌｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ， ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ， ｖｏｌｔａｇｅ－ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ， ｃｅｎｔｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｈｏｗ ｃｉｒｃｕｉｔ ｅｔｃ． Ｔｈｉｓ ａｐｐｌｉ－ ａｎｃｅ ｗｈｉｃｈ ｂａｓｅｓ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅ ｖａｌｉｄｌｙ， Ｔｈａｔ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅ ｒｅｓｕｌｔ ｍｏｒｅ ａｃ－ ｃｕｒａｔｅ ａｎｄ ｃｒｅｄｉｂｌｅ． Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｂｒｅａｋｓ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｍｅｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ， ｗｈｉｃｈ ｒａｉｓｅｓ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｐｒｉｃｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕ－ ｍｅｒｉｃａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｍｅｔｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：ｎｕｍｅｒ ｉｃａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｍｅｔｅｒ ， ｂｒ ｉｄｇｅ ｒ ｅｃｔｉｆｉｅｒ ｃｉｒ ｃｕｉｔ， ｖｏｌｔａｇｅ－ ｆｒ ｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒ ｔ
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
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：
图 ３ Ｖ－ Ｆ 转换电路
技
术
创
新
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 ｆｏｕｔ， 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．
您的论文得到两院院士关注 文章编号：１００８－ ０５７０（２００８）０３－ ２－ ０１３３－ ０２
单片机开发与应用
基于单片机的新型数字式电压表设计
Ｄｅ ｓ ｉｇ ｎ ｏ ｆ ｎ ｅ ｗ ｎ ｕ ｍ ｅ ｒｉｃａ ｌ ｖｏ ｌｔａ ｇ ｅ ｍ ｅ ｔｅ ｒ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｓ ｉｎ ｇ ｌｅ ｃｈ ｉｐ
显示电路可利用单片机串行口加外围芯片 ７４ＬＳ１６４， 构成
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
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。
技 术
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。
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。
路采用 Ｃ 型滤波电路。
创
新
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
Ｕｏ＝１．２Ｕ， 并 且 二 极 管 承 受 的 最 大 反 向 电 压
（其 中 Ｕ
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
（收 稿 日 期：２００８．０２．１３）（修 稿 日 期：２００８．４．１５）
图 ４ 基于单片机的远程家电监控界面
技
术
图 ５ 对象控制
创
４ 结束语
新
本文所介绍的方法已经使用在某智能小区的日常管理中，
应用该方案的系统不但可以接收网络上管理中心发来的命令
和控制信息， 也可以向网络发送采集的信息。该方法尤其适用
（１．西南交通大学；２．西华大学；３．西南交通大学牵引动力国家重点实验室）江 桦 １ 吴 昌 东 ２ 吴 学 杰 ３
Ｊ ＩＡＮＧ ＨＵＡ ＷＵ ＣＨＡＮＧＤＯＮＧ ＷＵ ＸＵＥＪ ＩＥ
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
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。
较为完善， 使得数字电压表使用性强， 运行可靠。
Байду номын сангаас
参考文献
［１］杨文显，现代微型计算机原理与接口技术教程．清华大学出版
社［Ｍ］，２００６。
［２］窦振中，汪立森． ＰＩＣ 系列单片机应用设计与实例． 北京航空
航天大学出版社［Ｍ］，１９９８。
［３］刘星桥；陆秀银；唐碧强等，基于单片机的高精度数字直流电
流源设计［Ｊ］微计算机信息，２００６．２２（１１－ １２），９９－ １０２。
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
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 江 桦： 教师 基 金 项 目 ： 教 育 部 创 新 团 队 基 金 （Ｉ Ｒ Ｔ ０４５２）