電壓是電子與電力系統中最基本的測量元素之一[1-2],快速準確地獲取電壓值一直是數據采集與電子測量儀器研究的重要內容之一[3]。傳統的指針式電壓表具有精度低、可視距離近、功能單一等缺陷，已不適應高速信息化的發展需要。目前市場上廣泛使用的數字電壓表智能化程度低，測量電壓時需手動切換量程，當量程選擇不當時會出現測量精度下降、乃至燒壞電壓表的極端情況；而高精度的全量程無檔數字電壓表一般都采用了DSP、FPGA或CPLD等復雜電路系統，硬件和軟件實現成本較高[4-5]。為此，筆者設計研制出了一種以單片機為控制主體的智能交流直流電壓數據采集系統，具有體積小、精度高、結構簡單、使用與讀數方便、性價比高、適應范圍寬等優點，有效地彌補了上述各種電壓表系統的缺點和弊端。

1 系統總體方案

　　該電壓數據采集系統主要由電壓衰減器、量程轉換及放大電路、AC/DC轉換電路、A/D轉換電路、主控單片機STC89C52以及LCD顯示電路等5個部分組成，其原理框圖如圖1所示。電壓衰減器和放大器將待測模擬信號電壓值轉換到AC/DC變換器的輸入電壓范圍內，直流電壓經衰減放大后不需作AC/DC轉換；量程轉換電路[6]根據輸入到A/D轉換器的模擬直流電壓大小，由單片機判斷后控制繼電器對衰減放大電路作相應的調整，確保選擇出最佳量程；A/D轉換由單片機啟動，在軟件中對采集到的數據作數字濾波、標度變換和系統誤差校準等處理后，根據電壓類型標志位在LCD上顯示測量值和電壓類型。

2 系統硬件設計

　　2.1 電壓衰減、放大和量程轉換電路

　　電壓衰減放大和量程轉換電路如圖2所示。電阻R1~R5構成衰減系數分別為1、10、100、1 000、10 000的分壓器，將被測輸入電壓Uin衰減至0~200 mV范圍內并送至后端電路放大、 AC/DC轉換(直流電壓不需轉換)、A/D轉換以及由單片機進行采集、處理與顯示。為了降低測量誤差,分壓電阻R1~R5均選用誤差為±0.5%的精密金屬膜電阻。量程的選擇由單片機的P1.0~P1.4口線經反相器74HC04反相后控制SPRAGUE公司的高耐壓、大電流達林頓晶體管集成電路ULN2003的輸入端1 B~5 B，從而驅動電磁繼電器K1~K5的觸點開關吸合或斷開來實現。交流電壓與直流電壓共用同一轉換量程，K1~K5被獨立吸合時對應的量程依次為200 mV、2 V、20 V、200 V、1 000 V（AC 750 V）。若被測電壓高于單片機設定的量程，單片機控制相應的繼電器線圈接通對信號進行衰減，反之則放大，以保證輸入至AC/DC轉換器和A/D轉換器的信號不超過它們的工作電壓范圍。因被測電壓未知，為避免電路被燒壞，初始量程應設定為最高量程。

　　ULN2003芯片內部二極管負極公共端COM接至負載電源+5 V，對各繼電器線圈起反向續流作用。加入反相器74HC04的目的是防止單片機系統通電或復位時，輸入高壓不經分壓直接進入后級弱電系統導致燒毀電路的情況。運放U3接成電壓跟隨器形式,起隔離前后通道的作用，并降低輸出阻抗、提高帶負載能力。其中，R6、R7為限流電阻，防止因量程切換至各量程時造成過大的電流；D1、D2為雙向限幅二極管，起過壓保護作用。運放A4和電阻R8、R9、R10連接成同相比例電路，將衰減成0~200 mV范圍內的信號放大10倍送給后面的AC/DC轉換器AD637J(標稱滿量程為2 V)進行交流/直流轉換(直流不需轉換)。

　　2.2 AC/DC轉換電路

　　AC/DC轉換電路如圖3所示，由兩片單通道單刀雙擲(SPDT)模擬開關MAX14763完成交流/直流電壓通道的切換功能,一片高性能真有效值TRMS(True Root Mean Square)轉換器AD637K完成交直流電壓轉換功能。

　　MAX14763是MAXIM公司生產的+3.0 V~+5.5 V單電源供電器件，允許通過超出其電源電壓擺幅的±25 V范圍內的雙極性信號。導通電阻和導通漏電流最大值分別為2 Ω、±100 nA，較低的導通電阻和較寬頻帶(-3 dB帶寬為100 MHz)使得其非常適合于數字和模擬信號切換場合的應用。當撥動開關S1閉合時，MAX14763的SEL端為低電平、COM端連接至A1,接通交流電壓通道，對輸入交流電壓進行AC/DC轉換；反之則接通直流電壓通道，讓直流輸入電壓直接進入后級電路。

　　AD637K是ADI公司生產的一款完整的高精度、單芯片均方根直流(RMS-DC)轉換器，可計算任何復雜輸入波形的真有效值TRMS而不必考慮波形參數及失真度的大小，并提供等效直流輸出電壓。即:

　　T為測量時間，VIN(t)為輸入信號波形。可見，波形的真均方根值與信號功率直接相關，因此比平均整流信號更為有用。AD637K的準確度為±(0.25 mV+0.05%RDG)，允許測量有效值200 mV、頻率最高達600 kHz的輸入信號以及有效值1 V以上、頻率最高達8 MHz的輸入信號。AD637K的最高滿量程范圍是有效值7 V， 由于有效值2 V滿量程范圍能夠為峰值輸入(高波峰因素信號)提供更大的動態余量，所以衰減放大電路輸出信號U1應控制在此范圍內。電路中平均電容C1用來設置均值時間，同時決定低頻精度、輸出紋波大小和穩定時間。電位器RW1和RW2分別用來對輸出調零和調幅，以使輸出更準確。

　　2.3 A/D轉換電路

　　A/D轉換電路如圖4所示，其中運放U8和電阻R14~R16構成同相放大電路，對前端輸出的直流電壓U2(≤2 V)2倍放大，將輸入電壓Uin的測量分辨率提高了一倍。MAX187是MAXIM公司推出的串行12位逐次逼近式A/D轉換芯片，采用單+5 V電源工作，內部含有片內時鐘和采樣/保持器，采樣速率達75 kHz。其通過高速3線串行接口與單片機的I/O口線P2.0~P2.2進行連接，接口與SPI、QSPI和Microwire總線協議兼容。SHDN接高電平，REF端對地接4.7 μF的電容，這是其使用內部4.096 V基準電壓方式，AIN端輸入模擬信號的電壓在0~4.096 V范圍內。

　　2.4 LCD顯示電路

　　本系統采用NOKIA公司生產的5110液晶顯示器(LCD)模塊作為顯示單元，完成顯示當前電壓值與電壓類型(交流或直流)的功能，電路如圖5所示。NOKIA 5110與單片機只有5根信號線連接，接口電路簡單。它的通信協議是一個沒有MISO只有MOSI的SPI協議，傳輸速率高達4 Mb/s，可全速寫入顯示數據而無等待時間，可以采用單片機軟件程序模擬。SPI接口寫數據/命令時序(傳送1 B)如圖6所示。

3 系統軟件設計

　　3.1 系統軟件總體流程

　　系統軟件總體流程圖如圖7所示，為便于程序的移植、調用和調試，采用了模塊化程序設計思想對不同特定功能的模塊分別進行編程。單片機上電先進行程序初始化，完成對K1~K5繼電器、MAX187和NOKIA5110的硬件設置，以及單片機內部系統中斷和系統變量的初始化。接著選擇最高量程(將P1.4~P1.0口線狀態置為01111)，啟動A/D轉換對待測信號進行采樣和作數據處理計算，并判斷量程是否合適。超量程閾值和欠量程閾值分別取為4 000和400，對應ADC輸入電壓分別為4 V和0.4 V。若當前量程合適，則對處理后的數字量作標度變換和誤差校準后得到被測電壓值，并在LCD上顯示電壓類型、有效值和單位等信息。反之，則進行量程切換，找到一個新的最佳量程，下次測量就在新選擇的量程下進行。在判決時，若量程為最低檔時仍為欠量程，則維持原量程不變化；若量程為最高檔時仍為超量程，則必須采取相應的過載處置措施。

　　3.2 采樣數據的數字濾波

　　對A/D采樣后數據進行處理時，先后運用了程序判斷濾波法和滑動平均濾波法，前者用來剔除掉因隨機干擾、誤檢測或系統不穩定等偶然因素引起的尖脈沖干擾信號，后者用以抑制數據中可能出現的周期性干擾成分如無線電波引起的高頻干擾。程序判斷濾波算法是根據實踐經驗判斷，確定出相鄰采樣允許的最大偏差值DT(這里取值為8)，當每次檢測到新值時判斷：如果本次值與前次值之差的絕對值小于或等于DT，則本次采樣值有效；相反則放棄本次值，取前次值代替本次值。如下式所示：

　　在排除脈沖干擾后，利用滑動平均濾波算法對數據作進一步處理。其把連續N個采樣值(這里N=10)看成一個長度為N的隊列，每采樣到一個新值放入隊尾，并扔掉原來隊首的一個數據，然后對隊列中的N個數據作算術平均運算，獲得新的濾波結果D=Dn，此數據用來閾值甄別和作標度變換。

　　3.3 系統誤差的校準算法

　　由于系統電路的基準誤差、放大器的零點漂移與偏移、增益誤差和非線性等非理想特性會引起系統誤差，為了提高測量精度，采取了以下算法進行誤差校準和補償。設等精度測量得到M組電壓樣本數據(Xi,Yi)，其中：i=1,…，M, Xi和Yi分別為標度變換后電壓值(測量值)和實際值(由高精度電壓基準源產生)。利用最小二乘法把測得數據作Y=aX+b線性擬合，根據樣本數據偏差的加權平方和最小原則[7]，得系數a、b的數學表達式如下：

　　將各校正點數據(Xi,Yi)(這里M取值為6)代入上兩式得到系數a、b的值，并存入單片機的內存單元中。在正式測量時，根據測量值X和誤差校正方程Y=aX+b求出校正值Y，從而消除系統誤差。由于量程不同時系統誤差也不一樣，因此需要在各量程分別進行上面的處理，以獲得不同量程的最佳校準效果。

4 主要技術指標

　　系統主要技術指標如下： (1)量程：200 mV、2 V、20 V、

　　200 V、1 000 V(AC750V)；(2)分辨率：50 μV、0.5 mV、5 mV、50 mV、0.5 V(對應各量程);(3)準確度：200 mV檔：0.005%×讀數+0.002 5%×滿度(DC)、 0.05%×讀數+0.05%×滿度

　　(AC);其他檔：0.005%×讀數+0.001%×滿度(DC)、0.05%×讀數+0.025%×滿度(AC)；(4)工作電源：DC±5 V。

　　本文設計實現了一種基于單片機的具有量程自動轉換功能的交直流電壓數據采集系統，測量電壓動態范圍寬，為高精度電壓數據采集和智能電壓表的研究提供了一種性價比較高的解決方案。實際運行結果表明：該系統精度高、誤差小、靈敏度高、工作穩定、性能可靠，可以廣泛應用于電力系統、計量檢測、國防工業、家用電器、科技與工業生產、鐵路設備等需要電壓測量與獲取的各個領域。此外，設計時采用的一些硬件和軟件設計方法和思路，也為同類數據采集系統和智能儀器儀表的設計與研制提供了參考。

參考文獻

　　[1] 鄧森洋，張力，陳祝．一種基于0.18 μm工藝低壓高精度帶隙基準電壓源設計[J]．成都信息工程學院學報，2013，28(2):144-148．

　　[2] 周水斌，陳小橋，楊敏．基于AD7710的6位半電壓表頭的研制[J]．儀表技術與傳感器，2004(5)：32-34．

　　[3] 沙占友．新型數字電壓表原理與應用[M]．北京：機械工業出版社，2006．

　　[4] 梁化，張玘，劉國福，等．基于雙MCU的高精度直流電壓測量[J]．計量技術，2008(5)：21-22．

　　[5] 候麗萍， 王晉紅． 智能數字電壓表在電工測量中的應用[J]．電力學報，2003，18(2)：156-165．

　　[6] 黃利君．自動量程轉換電路設計[J]．西安石油學院學報(自然科學版)，2003，18(2)：63-66．

　　[7] 李紅．數值分析(第2版)[M]．武漢：華中科技大學出版社，2010．