基于STC15的一种自动量程及带存储功能数字电压表的研究与设计

车沛强，江华丽

(福建师范大学闽南科技学院，福建泉州 362332)

数字万用表是采用数字化测量技术，把连续的量(输入电压)转换成不连续、离散的数字化形式并加以显示的仪表[1]。在测量时先把被测量通过不同的转换器转换成直流电压，然后再利用数字电压表进行电压测量，从而得到被测量的数值[2-7]。作为现代电子测量中最基础与核心的一种测量仪器，人们对其测量精度和功能的要求也越来越高。数字电压表的量程自动切换[8]功能，既能省去频繁的操作，又能兼顾强弱信号的测量，避免量程选择不当而造成测量精度的下降甚至损坏仪表。在需要记录随时间变化的测量值，比如测量RC电路电容充放电的电压时，使用具备存储数据功能的电压表，更能得心应手。基于以上功能要求，本文提出了以集成多路输入通道ADC、EEPROM[9-13]的STC15F2K60S2单片机作为主控器，结合运放LMV358的设计。

1 原理分析

以可以测量220 V市电经整流滤波后的电压值约311 V作为测量范围的上限，设计数字电压表的电压测量范围为0～400 V，分为以下四档：0～400 mV、0.4～4 V、4～40 V、40～400 V。STC15单片机内部集成一个8路10位高速的ADC(A/D转换器)，8个输入通道(输入通道0至输入通道7)通过程序对其ADC控制寄存器ADC_CONTR进行控制，选择其中一个输入通道将转换后的测量电压送入ADC进行测量，并读取测量后的数据，经相应的倍率换算，在屏幕上显示出最终的测量电压值。

设计接入单片机ADC2引脚的4.1 V稳压电路作为ADC的输入参考电压，则可测量的电压范围为0～4 V(4.0～4.1 V用作超量程判断的条件)。为确保ADC的输入电压范围在0.4～4 V之间，对于0～400 mV的测量电压，先经10倍电压放大后，接入ADC的输入通道7进行测量，0.4～4 V的输入电压，直接接入ADC的输入通道6进行测量，4～40 V的输入电压，经10倍衰减后，接入ADC的输入通道5进行测量，40～400 V的输入电压，经100倍衰减后，接入ADC的输入通道4进行测量。至此，实现了电压表的四个量程档。单片机通过控制其内部的ADC控制寄存器，循环选择及读取这四个输入通道的电压值进行判断，确保选择的当前输入通道ADC的输入电压值在0.4～4 V之间，从而实现电压表的量程自动转换。

利用单片机内置的EEPROM，实现掉电存储测量数据的功能，并通过程序，提供用户定义测量数据存储的数量、存储的时间间隔等参数的功能。

2 硬件设计

2.1 主控芯片的选择

本设计采用增强型STC15F2K60S2作为主控芯片，其主要特点是单时钟/机器周期(1T)的单片机，内部集成高精度时钟及复位电位，并带有8路高速10位A/D转换器及可擦写10万次以上1K字节容量的EEPROM[14]。选用此芯片，无需外接ADC、时钟、复位等电路，将极大简化设计。10位A/D转换的数据，需要2个字节的存储空间，1 K字节容量的EEPROM，可同时存储500个测量数据。

2.2 电压表的分辨率

图1 总体结构框图

分辨率也称灵敏度，指数字万用表测量结果的最小量化单位，即可以看到被测信号的微小变化[15]。

单片机自带的ADC是10位的，ADC的参考电压使用的是4.1 V，如此可得最小的分辨率为4.1 V/210，约为4.0 mV。若电压表的量程档是0～400 mV，4.0 mV这个灵敏度数值太大，灵敏度低，无法准确测出小电压。因此，在使用量程档0～400 mV时，先将输入电压放大10倍后，再送入ADC进行测量。此举可将此电压档的分辨率提高至0.4 mV。系统总体结构如图1所示。

输入电压，经外围的放大、跟随或衰减电路后，一一对应接入ADC的输入通道7至输入通道4。以上四个输入通道分别对应电压表的量程关系如表1所示。

表1 电压表量程与输入通道对应关系表

在图1中，ADC输入通道7前的10倍电压放大电路及输入通道6前的跟随器，均由运放LMV358实现。衰减10倍与100倍的电路，由电阻分压来实现。

LMV358实现10倍电压放大功能的电路，如图2所示，跟随器电路如图3所示。10倍与100倍的衰减电路，如图4所示。4.1 V的稳压电路，可用4.1 V的稳压二极管HZ4C1实现，如图5所示。

图2 LMV358同相10倍放大电路

图3 跟随器电路

图4 电阻构成的衰减电路

图5 4.1 V稳压电路

3 系统软件设计

3.1 自动量程转换程序设计

量程转换的判断条件为：单片机在当前选中的输入通道读取的数值是否在0.4～4之间。因此，转换过程如下所述。系统上电后，单片机先选择输入通道4，即电压表的最高量程档(40～400 V)进行测量判断，分以下几种情况说明。

(1)读取的数据超过4.0，则说明输入电压超过400 V，系统发出报警声音，显示屏显示溢出标识。

(2)读取的数据在0.4～4之间，则将读取的数据乘以100后，显示在屏幕上，即当前测得的电压值(电压单位为伏特)。

(3)读取的数据小于0.4，说明当前的输入通道对应的量程过高，输入的电压小于40 V，则单片机降低一档量程，选择输入通道6。

(4)降低一档量程后，若读取的数值还是小于0.4，则继续降低量程档直至最小量程档。若读取的数值大于4，则升级一档量程直至最高量程档。

如上所述，单片机循环切换不同的输入通道，即切换不同的量程档，确保读取的数值在0.4～4之间。在400 mV档，若读取的数值仍小于0.4，则继续保持此量程档。在400 V档时，若读取的数据仍大于4，亦继续保持在此量程档，同时发出警告标识。量程转换流程如图6所示。

图6 自动量程转换程序流程图

图6中的f1至f4为电压表的四个量程档标识符，对应的关系如表2所示。

表2 f1至f4对应量程关系表

3.2 存储数据程序设计

功能要求：设置两个按键K1、K2，用户通过这两个按键，可实现数据存储时间间隔的设置。有两种选择：以1 s为最小时间单位，或是以0.1 s为最小时间单位，然后设置要存储的数据个数。用户设置完成后，将用户的设置值及数据测量值，按用户设置的要求，存储到单片机的EEPROM里。在测量完成后，通过此两按键，可将存储在EEPROM里的测量数据，包括用户的设置，显示在屏幕上。

程序设计思路：单片机上电复位后，循环扫描K1与K2是否被按下。K1用于先清空EEPROM内的数据，及结合K2完成用户对存储要求的设置。在启动存储功能后，将用户设置的数据及测量数据存储到EEPROM里。K2用于读取EEPROM里的数据，并显示在屏幕上。实现此功能的流程图如图7所示。

图7 数据存储及读取程序流程图

图8 主程序流程图

3.3 主程序流程

主程序先完成相关变量、定时器参数等的定义设置后，再循环调用子程序，具体流程如图8所示。

4 结语

本文以增加型单片机STC15F2K60S2为核心，配合运放LMV358及外围电路，由单片机控制，实现数字电压表的量程自动转换功能。单片机自带多路输入ADC等模块，简化了电路设计，并通过程序设计，能依据用户的设定，将测量数据存储到单片机自带的EEPROM内，实现数据掉电不丢失且查阅的功能。若外围加上其它的相关转换电路，此数字电压表还可进一步扩展，使其具有更多的功能。