基于STC89C52单片机直流纹波测试仪的设计与实现

摘要：提出了一种以STC89C52单片机为核心的直流电压与纹波测量系统，给出相关的软件程序设计。该测量系统主要包括量程选择、电压分离、A／D采样以及数据处理和显示电路，大大提高测量精度。在实际应用中，系统对某些工业现场的直流电压进行实时反馈，可以有效地对纹波进行实时监测。
关键词：纹波；直流电压；MCU；数据采集

0 引言
    在一些实际的工业现场中，经常会用到对于电压稳定性要求高的直流电压，例如汽车的直流蓄电池的智能充电电源等，但由于工业现场负载复杂，存在许多不稳定的因素而导致电压的上下浮动，即纹波。理论上说，纹波是直流电压中的交流成分，它的成分较复杂，对电网系统存在一定的威胁，为了不影响负载正常的工作，需要对电压进行精确的实时测量。
    本文所设计的直流电压纹波测试系统最大量程为600 V，精度达1％，可以满足绝大多数直流电场合的应用，对一些需求较高的直流用电设备，也具有一定的监测作用。

1 系统原理
    系统的总体方框图如图1所示。

    该测试系统主要包括量程选择、电压分离、A／D采样以及数据处理和显示电路。系统分为六个量程，主要特点是根据采样电压大小自动切换所用量程；其次是电压分离电路，系统采用光耦来隔离供电电压与测试系统，以保证测量的安全。
    工作原理如下：首先要测量电压数据，根据电压大小自动选择量程，然后对电压和纹波分别进行测量，对于纹波要多次采集取其平均值，通过A／D电路采样转换后送入单片机进行数据处理，通过液晶和打印机输出。

2 硬件设计
    系统主要采用单片机技术，硬件结构包括：数据采集模块、数据处理控制模块(CPU)、数据输出(打印机)模块、数据显示(液晶)模块、辅助电路模块。基本结构图如图2所示。

2．1 直流电压与纹波的测量
2．1．1 电压的测量
    系统待测电压端和电压传感器LV25与控制系统连接，单片机通过继电器来控制电压的测量与否。当继电器接通时开始测量，传感器将待测电压转换并送入A／D芯片进行转换后送入单片机进行处理，最后输出到显示系统，如图3所示。

2．1. 2 纹波的测量
    系统采用PKD01，PKD02芯片采集纹波的峰峰值，由于纹波电压是mV级，信号非常微弱，必须送入OP07进行放大后将信号送入A／D芯片进行转换，如图4所示。

    为了保证测量的精度，系统采用多次测量求平均值的方法来将一些错误值滤掉，保证测量的准确性。
2．2 数据采集
    数据采集采用TI公司12位开关电容逐次逼近模／数转换器，此款A／D转换芯片体积小，转换速度快，工作温度为0～70℃，能够适应室内或者是室外的工作环境。
    单片机与A／D芯片的连接电路如图5所示，图中的电源端串接一个104的电容，保证信号的稳定。

2．3 数据输出
    系统采用液晶显示，包括日期、时间、直流电压值、纹波值；对于需要保存的数据采用打印机输出。系统输出通过CPU P0外扩三个74HC 573来控制。74HC573是一个八进制三态非反转透明锁存器，当它的锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的(也就是说输出同步)；当锁存使能端为低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。74HC573带有保护电路，以免被高的静态电压或电场损坏。系统分别用74HC573_00，74HC573_01，74HC573_02控制液晶控制接口、数据接口和打印机接口。

3 软件设计
    系统以STC89C52为核心来控制整个系统，STC89C52是一种带8 KB闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM-Falsh Programmable and Erasa ble ReadOnly Memory)的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，该器件采用STC高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。STC89C52可以按照常规的方法进行编程，其将通用的微处理器和FLASH存储器结合在一起，特别是可反复擦写的FLASH存储器可有效地降低开发成本。
    程序设计时采用5 ms定时中断采集，每次中断到来时采集现场电压信号。当所得电压信号满足指定条件，则将有效数据保留，送入单片机处理，然后输出显示。主控模块程序是用C语言编写，具体流程图如图6所示。

    系统首先要对CPU进行初始化，主要是根据实际需要重设定时器的初值和工作方式，待初始化完成后进入工作循环程序，首先判断键按下标志，若为真则转入键设置处理程序模块。通过调用键处理程序完成电压和纹波值上下限设置，日期和时间设置以及查询已存储的电压和纹波值等功能。若键按下标志为否则调用数据采集模块，将采集的值送到CPU。CPU对所采集的数据处理进行去伪存真，将假数据舍弃，真数据送到数据处理模块进行显示和保存。

4 结语
    该纹波测量系统采用电压传感器、峰值检测器和单片机，实现了对高压直流电压和纹波的测量。具有智能化、操作简单等优点。本系统已经应用到实际的工业现场当中，并取得了很好的经济效益。