2010 年 第 期 31 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 机械与电子 ○ ○ 科技信息 基于单片机的智能直流电压表设计 上海理工大学光电信息与计算机工程学院 中国 上海 （ 200093) 高 峰 许伟明 设计了一种基于单片机的智能电压表系统 主要由时钟电路 调试接口及复位电路 串行接口电路 模拟量线性隔离电路 这种以单片机为核心的新型智能仪表精度高 , 误差小 、 、 、 性能可靠 价格低廉 、 ， 、 、 能向外输出数字信号并进行数据通信 液晶显 有很好的应 ， ， 【 摘 要 】 示器电路组成 用前景 。 。 关键词 【 单片机 】 ； 智能直流电压表 串行接口 ； ； 液晶显示 Design of Intelligent DC Voltmeter Based on Single-Chip Microcomputer GAO Feng XU Wei－ming （College of Optical and Electronic Information Engineering , University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai ，200093，China） 【Abstract】An intelligent DC voltmeter system is designed based on single -chip microcomputer. It comprises of clock circuit,debug interface ， reset circuit, serial interface circuit, analog variable linear isolation circuit and LCD circuit. This appliance based on single-chip microcomputer has high accuracy, small error, reliable performance, and low price. It also can output digital signal and have data communicatin. So it will has a good prospect of application. 【Key words】Single-Chip Microcomputer; Intelligent DC Voltmeter ；Serial interface；LCD 引言 0 在现代检测技术中 、 精度高 完成计算 与模拟电压表和数字电压表相比 准确方便 机系统 控制技术的迅速发展 势 误差小 、 存储 ， 、 、 ， 。 ， ， 常需用高精度智能式电压表进行现场检测 智能电压表有很多优点 。 读数 能将检测到的数据送入微计算 随着智能化微机测量和 控制和显示等功能 ， 以单片机为核心的智能式电压表已凸显出优 灵敏度高 比如 ， 。 、 。 整体方案设计 1 该智能式直流电压表以 C8051F330D 0~200V 模拟量 线 性 隔 离 转 换 电 路 将 直 流 的单片机输入信号 通过 ， C8051F330D 0~2.0V 并换算为实际电压值送液晶显示器显示 度的时钟信号 口 展与上位机通信的 进入复位状态 串行接口 外部复位电路强制 接口电路为系统提供全速 ；C2 ； 。 ； MCU RS-232 。 ， 的 单片机为核心 通过降压及 的 输 入 电 压 转 换 为 隔 离 的 采样 提供高精 非侵入式的系统调试接 扩 位 时钟电路给 SAR ADC MCU ， 利用 10 SP3223 系统原理框图如图 转换芯片 所示 ， 。 1 一个低电平有效信号将导致 电路如图 所示 3 。 MCU 进入复位状态 .C2 接口和外部复位 串行接口电路 2.3 图 3 图 4 图 1 一般情况下 2 2．1 硬件电路设计 时钟电路 时钟电路如图 12MHz， 频率 ， 快速起振的作用 。 所示 。 2 这样有利于得 到 没 有 误 差 的 波 特 率 ， 石英晶振的频率为典型 值 起 稳 定 振 荡 电 容 ， C1,C2 图 2 2.4 2．2 调试接口及复位电路 有 一 个 线 调 试 接 口 支 持 （C2） 编程 试 Silicon Labs 2 C8051F330D ， Flash 边界扫描和使用安装在最终应用系统中的器件进行在系统调 接口使用一个时钟信号 数据信号 引脚与用户功 引脚提 引脚上加 （C2CK） 。 C2 编程和边界扫描外部 。 C2 （C2D） 能共享 供了使用外部电路强制 ，Flash 进入复位状态的手段 和一个双向的 协议允许 在器件和宿主机之间传递信息 可以进行在系统调试 /RST C2 C2 在 ， ， MCU . /RST 484 单片机要想与 机之间进行串行通信 PC 电平为 电平 工作电压是 3V, 能和 机通信 。 待电工作模式的 计算机命令控制和存储数据上传 SP3223ECY TTL PC 该控制系统选用由 ， 但由于 的 C8051F330D 标 准 电 平 后 才 公司生产的低能耗和具有 实现远程 RS-232 ， SIPEX 芯片[1]完成串行通信电平转换 串行接口电路如图 ， 需要转换为 SP3223ECY EIA/TIA-232 是 SIPEX 和 +3.0~+5.5V 器件可工作于 支持 片 荷泵 , , 可在单 SP3223ECY 据传输率为 120kb/s。 3.3V 模拟量线性隔离电路 。 公司生产的 RS-232 通信协议 ITU-TV.28/V.24 电源下产生 的 235kb/s 时仅需 RS-232 ±5.5V 的数据传输率 的电容 ； 0.1μF 。 4。 双驱动器 , / 双接收器芯 片内有一个高效电 满负载时 ， 有负载时的最小数 电平 。 图 5 

科技信息 机械与电子 ○ ○ SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 2010 年 第 期 31 能有效地阻断现场和数据采集系统之间电的联系 输入输出信号的隔离是必要的 对于模拟 隔离放大器具有极好的抗共模干扰能 但并不切断它 ， ， ， 在单片机应用系统中 ， 量信号一般采用隔离放大器 力 们之间的信号传递 ， 。 由于隔离放大器产品价格昂贵 ， 通光耦构成的电路难以达到精度要求 耦合器在伺服模式设计下运行 [2]， 及温度特性 隔离电路 所以本系统采用由线性光电耦合器 ， 工作原理如图 普通光耦线性区很短 ， LOC11X（X=0,1,2） 且采用普 线性光电 可以补偿发光二极管的非线性时间 构成的线性 LOC11X 而 ， 。 各参数计算如下 伺服增益 （1）K1： 的典型值为 5。 ： 。 K1=I1/IF。 0.007。 正向增益 （2）K2: 。 K2=I2/IF。 K1 0.007。 对于 LOC111， 当 Vcc=2.5V，IF=10mA 时 ， 当 Vcc=15V，IF=10mA 时 ，K2 的典型值为 转移增益 （3）K3： 由于 （4）R1: 最大值为 。 K3= K2/K1。 所以 Vin=I1R1, 输出值为 U1 10mA， R1=2V/(0.004×10mA)=50k。 又由式 可知 K1=I1/IF 因此 I1= K1IF。 K1 取 R1=Vin/( K1IF) 假 的 又由式 K2=I2/IF 的最小值取 可知 :I2=IFK2, 取 则 R2=Vout/(IFK2) 。 其 代入上式可求 10mA,K2 0.004,Vout 实际的电路采用电阻串联电位器 2V, 阻值取 Vin=VA, 设定 2V, 则 Vout=I2R2, 设 最大值为 Vin 0.004, 由于 （5）R2: 的最大值取 为 50k, 中 得 IF R2 10k。 以上的线性度 。 0.1% 本电路经调试可得到 液晶显示电路 本设计采用 如图 NLSF595 安森美公司的 6。 移位寄存器 采用的是 2.5 路 , 。 CMOS 可以直接与控制器连接 压是多少 ， 断器件工作 达 。 0~7.0V。 均 可 允 许 管 脚 电 压 高 于 器件的工作电压 C8051F330D 作 为 液 晶 显 示 器 与 的 接 口 电 NLSF595 [3] 是一个先进 的 漏 极 开 路 输 出 通过专线 。 不论工作电 而 不 会 造 成 损 害 或 中 可 大 输出电压独立于电源电压 所有的管脚具有过压保护功能 制造工艺 0.6μm CMOS 7.0V， 硅片 Vcc ， ， 2.0~5.5V， ， 系统程序设计 3 本 系 统 的 设 计 中 使 用 了 ， C8051F330D ， 的 看 门 狗 只 需 要 编 程 时 在程序段中插入改变看门狗寄存器值的语句就可以保证程序的执行 而在系统死机时则会自动复位 样的干扰源产生干扰信号 干扰的算法 程图如图 ， 由于在实际使用环境中会存在各种各 为了防止干扰对系统的影响采用了各种抗 主程序流 本设计在模拟量的采集过程中采用数字滤波 。 所示 。 ， 。 7 。 小结 4 图 7 还可以增加参数设置 ， 电压表无法比拟的优势 超限报警等功能 工作可靠 必将逐渐取代传统电压表 ， 性能稳定 科 ， ， 。 除可以和 ， PC 机通信外 ． 有传统 ， ● 参考文献 【 】 收发器接口芯片 SP3223E ／ 3243E 的原理及应用 国 [J]. 李泉 海保军 ［1］ 外电子元器件 , .RS-232 ,2004(9):42-44. ［2］ 件 , , ,2003(6):42-44. 小型三色 SPI ［3］ 李树 靖 林 凌 李 刚 .LOC11X 系 列 光 耦 合 器 的 特 性 及 应 用 国 外 电 子 元 器 [J]. 作者简介 高峰 主要研究方向为仪器仪表和智能控制 : （1981—）, ， 。 许伟明 （1953—）， 男 ， 究方向为智能控制 总线 LED 驱动器 NLSF595[J]. 国外电子元器件 ,2003(2):78. 男 上海理工大学光电与计算机工程学院研究生 上海理工大学光电与计算机工程学院副教授 。 责任编辑 常鹏飞 ： ］ ［ , 主要研 ， , R2+RW=47k+ 以单片机为核心的智能电压表功能强大 图 6 ● 上接第 477 （ 解的可能性 。 其中 ，fmax 会出于一种停滞不前的状态 页 ） ， 为群体中最大的适应值 为 每 代 群 体 的 平 均 适 应 ，favg 降低进化走向局部最优 在试题库较大 且分布合理 组卷约束条件较多的情况下 、 传算法和回溯试探法都有较高的组卷成功率 条件的局部满足而导致组卷失败 ， 所以组卷成功率较低 。 ， ， 改进遗 而随机法常常由于约束 ， 度值 4.5.3 ，f' 为待交叉的两个个体中的较大的适应值 自适应变异操作 变异采用段内单位置替换方式变异 ，Pc1=0.9，Pc2=0.6。 结束语 6 即在个体的各个不同题型段 且规定该位被替换后的题号不能与该个体 使变异在进化初 变异概率采用自适应变异概率 ， ， ， 其中 ，fmax 。 为群体中最大的适应值 为待交叉的两个个体中的较大的适应值 ，favg 为 每 代 群 体 的 平 均 适 应 为待变异个体的适 ，f 内随机选择一位进行替换 的其他位题号重复 期和后期都有很好的表现 。 度值 ，f' 应度值 ，fm1=0.1，fm2=0.001 实验结果与分析 5 为 验 证 该 算 法 的 可 行 性 和 有 效 性 环境编制了程序 进行组卷实验 对 ， 《Internet 本实验题库中共 应 用 题 库 ， 道试题 》 700 ASP 传算法参数为 为 分 ： 100 ， 考试时间为 N=50， 分钟 120 。 ， 种群规模 。 最大代数 给定的组卷要求 =500。 利 用 遗 。 总分 ： 智能组卷问题是典型的约束组合优化问题 究了一个基于整数编码的改进遗传算法 了标准遗传算法中经常出现的 性 ， 早熟现象 “ ”， 。 ， 该算法搜索速度快 本文针对该问题 研 能避免 具有很好的性能和实用 ， ， 本文作者创新点 提出了一种基于改进遗传算法的组卷方法 用分段实数编码方法和自适应遗传算子 从而使得组卷效率更高 ， 。 采 ， 科 参考文献 】 改进的快速遗传算法及其性能研究 [J]. 【 系统工程与电子技术 ，2003，25 高玮 . ［1］ （11）：1428-1430. ［2］ 姚文俊 . 遗传算法及其研究进展 ： ● 计算机与数学工程 [J]. ，2004，32（4）：41-43. 责任编辑 翟成梁 ： ］ ［ 485