赵鹏+荆红莉��
摘要：提出了以STC89C52单片机为控制器，结合信号变换电路、AD转换电路、LCD显示电路及无线收发电路等实现主从机的硬件设计；分析了软件主程序的编写思路并给出流程图；实现了对-10V～+10V电压进行实时监测，精度为0.01V。对系统调试中信号变换电路的工作原理及存在的误差进行了分析，并对设计中遇到的AD转换器结果有误、集成运放工作异常、提高电压监测范围及主从机显示结果不一致等问题进行深入分析，提出了改进措施。与传统的利用分压电路扩大测量范围的电壓监测仪相比，本设计具有系统性能稳定、测量精度高等优点，对直流电压的实时监测有一定的借鉴作用。
关键词：电压监测；信号变换；无线收发；主从机
中图分类号：TP353文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.10036199.2017.01.013
1引言
市面上大多数电压实时监测仪无法实现无线传输功能，其灵活性明显降低，而核心器件A/D转换器的输入电压范围、转换速度及精度与其价格有直接关系，如只能输入单端信号，或支持输入差分信号的A/D转换器价格较高等因素制约着电压监测仪的性价比。本设计主机选用12位高精度A/D转换器TLC2543，利用信号变换电路拓宽电压输入范围；利用图形液晶LCD12864直观显示其工作状态和监测电压；主从机通过无线收发模块NRF24L01交互，从而实现在数据传输频率低于66Kbps时1000米范围内的电压实时监测[1]。
2系统结构分析
本设计由主机和从机两大部分组成，具体结构如图1所示。主机实现信号的变换与采集、处理、显示及发送，从机实现数据的接收、分析及显示。其中，时钟电路和复位电路是单片机系统正常运行的前提；信号变换电路实现将待测的宽范围差分电压转换为符合A/D转换器TCL2543的输入电压；无线收发模块NRF24L01实现采集数据主从机之间的实时交互； LCD12864显示数据的发送状态和具体监测值；主从机的控制器STC89C52实现采集数据的处理、收发及显示控制。
主从机的硬件设计非常相似，便于PCB布局布线和程序移植[2]。
3硬件设计
3.1时钟、复位及显示电路设计
时钟电路是单片机能够正常运行的基本前提，本设计单片机晶振频率为12 MHz，C2、C3为22 pF的起振电容；复位电路中RST引脚的高电平维持两个机器周期，即可实现系统复位，利用按键S1触发实现上电复位，利用1 μF的电容C1的充放电实现手动复位；显示电路由LCD12864组成，其可以工作于串行工作方式，也可以工作于并行工作方式。为了节约单片机的I/O资源，本设计选择串行工作方式。LCD12864中引脚PSB为并/串行接口选择端，低电平为串行工作方式，因此接地；5引脚为串行数据口SID与单片机P2.7连接；6引脚CLK为时钟输入端由单片机P2.6产生时钟脉冲用于同步数据传输[3]。具体电路如图2所示。3.2信号变换与采集电路设计
TLC2543模拟量输入范围为0～5 V，为了使测量电压范围增大，利用信号变换电路将-10 V～10 V的电压经过偏置调节和差动放大使输出的电压信号在0～5 V，以适合A/D转换器的要求。其中集成运放为OP07，它的输入失调电压和输入噪声相对较小，通用性很强具有较高的性价比。电路的前半部分是一个加法电路，实现-10 V～10 V到0 V～-10 V的平移，后半部分用来实现电压的比例转换，即0 V～-10 V到0 V～5 V的转换[4]。
图2时钟、复位与显示电路
TLC2543为12位串行A/D转换器，采样率为66Kbps，线性误差为1LSB，支持11路模拟信号的输入，其中13、14引脚REF-、REF+分别为负向基准电压和正向基准电压，与地和5 V电源相接；15引脚为片选端CS低电平有效，由单片机的P1.3控制；16、17引脚为串行数据输出端OUT、输入端IN，由单片机的P1.2和P1.1控制；18引脚为输入输出时钟的控制端CLK，与单片机的P1.0相接，用来同步数据的传输。由于本设计对TLC2543的转换结束的判断采用等待延时工作方式，所以19引脚转换结束EOC没有使用[5]。具体电路如图3所示。
3.3无线收发电路设计
NRF24L01是工作在2.4 GHz～2.5 GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片，传输最高速率为2 Mbps，与TLC2543的采样速率相匹配。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。NRF24L01集成了所有与RF协议相关的高速信号处理部分，其SPI接口可利用单片机的输入/输出口模拟，内部有FIFO便于与各种高低速处理器兼容[6]。该收发器件的供电电压为1.9～3.6 V，本设计利用滑动变阻器的分压获得3.3V的供电电压；CE为发送或接收模式选择由单片机P2.5控制；SCN为SPI片选端连接至单片机的P2.2；SCK为SPI时钟与单片机P2.4连接；MOSI、MISO分别为SPI从机输入和从机输出由单片机的P2.1和P2.3分别控制；IRQ为可屏蔽中断输出与单片机的P2.0连接。具体电路如图4所示。
从机电路的设计与主机相同，其区别在于从机无需信号变换电路和A/D转换电路，只是通过无线收发模块接收主机采集的12位二进制数。4主机程序设计
主机主程序是控制单片机系统按预定操作方式运转的程序，它负责组织调用各子程序模块。其工作过程为：系统上电后，STC89C52进入监控状态，同时完成对各个端口的初始化工作。选择A/D转换器的通道并启动转换，TLC2543为12位A/D转换器，NRF24L01分高8位和低8位两次发送。同时将采集到的数据经过标度变换由LCD实时显示，具体流程图如图5所示。
从机程序设计与主机类似，只是用来接收数据并通过标度变换显示数据，且标度变换的算法与主机一致。
5系统调试及存在问题分析
5.1信号变换电路调试
由信号变换电路原理图可知，理想输入与输出电压的关系为：
UOUT=R9R7R6（5R4+ViR3）（1）
当R4=R6=R9=5K，R3=R7=10K可化简为下式：
UOUT=52（1+Vi10）（2）
用含有±5 V、±12 V以及0～+12 V、0～-12 V的可调稳压源搭建电路使OP07正常工作[7]。用四位半数字万用表VC8245测量在正常工作情况下实际输入对应的输出并与理想输出对照，得出的结果如表1所示。
5.2调试过程中问题分析
1） A/D转换器TLC2543转换结果有误
单片机对于TLC2543的读写操作必须严格按照其操作时序，否则会出现时序混乱，导致A/D转换器不能正常工作[9]。
2）集成运算放大器不能正常工作
对于固定增益低频放大器，单级一般不超过40 dB；固定增益高频放大器（10 MHz），单级一般不超过20 dB；单级放大器设计增益过高是放大器工作不稳定的重要原因。一般运放的最高输出电压要低于其供电电压1.5 V～2.5 V，轨对轨运放的最高输出电压接近其供电电压。由于检测的电压变化频率较低，可以不用考虑压摆率。
3）如何扩大电压的测量范围
采用电阻分压可以提高电压的测量范围，但当负载变换时，电阻上的压降也会变化，所以不稳定。而集成运放OP07的高电源电压范围为±3 V至±22 V，可通过提高OP07的电源电压以扩大信号变换电路的测量范围。
6结论
无线电压监测仪的设计向着既可以测量直流，也可以测量交流的宽电压范围的方向发展。如需进一步完善无线电压监测仪的设计，对于TLC2543的操作可采用中断工作方式，使数据采集系统更稳定；由于TLC2543为11通道A/D转换器，可以实现多通道的电压监测，在其输入端添加滤波电路使系统更稳定；如果设计不考虑成本的情况下，利用支持-5 V～5 V差分输入的24位串行A/D转换器ADS1256可以提高数据的采集精度并可以简化电路，但要扩大信号的采集范围，必须采用信号变换电路；利用内置Wi-Fi的网络处理器CC3200，采用互联网和云平台合作。
参考文献
[1]吴卓葵，谢晓玲. 基于单片机和C#的电压监测系统设计[J]. 自动化与仪器仪表，2014，（4）：71-73.
[2]张勋，虎兴林，赵杨，等.基于ZigBee的UUV电池电压无线监测系统设计[J].电源技术，2014，38（12）：2289-2291.
[3]倪健华，谈恩民，姚普粮.基于ATT7022E与STM32多功能电力监测仪设计[J].国外电子测量技术，2015，34（5）：48-51.
[4]田秀玲.基于DSP的内燃机数据采集与分析系统的研究[D].长春：吉林大学，2006.
[5]颜秉勇，张鹏浩，赵贺，等.基于Consensus滤波器的新型电压监测仪的设计[J].计算机测量与控制，2015，23（5）：1813-1819.
[6]宋丽青，刘冲，张志新，等.无线传感装置的太阳能供电系统研究[J].现代电子技术，2014，37（14） ：156-159.
[7]董大偉.一种高精度基准源电路[J].电子技术应用，2014，41（6）：45-46，60.
[8]刘炽锋，郑耀华，刘斌，等.一种高性能的功放控制器设计 [J].电子技术应用，2015，41（5）：53-56.
[9]王琪，章文晋，李建宏.基于单片机的时序测试系统设计[J].电子测量技术，2015，38（4） ：74-77.
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