【正文】 是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的 8 位通用 A/D 芯片 1．主要特性 1） 8 路輸入通道， 8 位 A／ D 轉(zhuǎn)換器，即分辨率為 8 位。 整形電路將正弦波轉(zhuǎn)化為 5V 的方波信號(hào)，供單片機(jī)進(jìn)行頻率測(cè)量。 當(dāng)執(zhí)行內(nèi)部編程指令時(shí)， EA應(yīng)該接到 VCC 端。 P3 口： P3 是一帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向的 I/O 端口。 當(dāng) P0 口訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，它還可設(shè)定成地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用的形式。而對(duì)于 電壓 測(cè)量則 采用 A/D 轉(zhuǎn)換法， 用逐次型 A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量再將數(shù)字量送入單片機(jī)的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量， 這樣可以達(dá)到更好 達(dá)到測(cè)量的精度要求 ， 同時(shí)也很好的利用了單片機(jī)的資源。當(dāng) VB升至 G4 的閾值電壓 VTH以后，觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)為 Q=0 的狀態(tài)， Cex1 重新自左向右地充電。 V/F 轉(zhuǎn)換 法 V/F 轉(zhuǎn)換 法是 將被測(cè)電壓加到 V/F 轉(zhuǎn) 換器上 ,然后對(duì)輸出的頻率進(jìn)行測(cè)量 ,后經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部程序的換算轉(zhuǎn)換為電壓值。在采樣開(kāi)始時(shí)，邏輯控制電路將計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。輸入電壓首先與 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出電壓（ VREF/2）相比較，如v1≥VREF/2，比較器輸出為 1，若 v1 VREF/2，則為 0。根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。 圖 2. 8 計(jì)數(shù)法設(shè)計(jì)軟件流程圖 用定時(shí)器 T1 來(lái)產(chǎn)生一個(gè) 1S 的時(shí)鐘基準(zhǔn)，同時(shí)計(jì)數(shù)器 T0 對(duì)由 口輸入的周期性矩形脈沖信號(hào)的下降沿進(jìn)行累積計(jì)數(shù)，再將累積計(jì)數(shù)值 M送數(shù)碼管顯示。其特點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)不是用來(lái)填充待測(cè)信號(hào)的周期，而是與待測(cè)信號(hào)分別輸入到兩個(gè) 計(jì)數(shù)器進(jìn)行同步計(jì)數(shù)。 1 誤差所引起的測(cè)頻誤差將會(huì)大 到不可允許的程度，例如， fX=10Hz,T=1s,則由177。 因此利用 交流電頻率、電壓測(cè)量的 技術(shù) ， 設(shè)計(jì)出電壓頻率檢測(cè)系統(tǒng)，可以 簡(jiǎn)化系統(tǒng)的操作 空間 ， 提高工作效率 。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；頻率；電壓；采樣； AT89C52； AD0809； 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) II Abstract With digital informatization in the rapid development of all walks of life, industrial system of informatization, digital will also bee the future trend of development. Especially in the narrow space when operating, often face many functions, sizes, different range instrument panel. These instrument panel not only occupy a space, and not enough intuitive, easy to cause the working staff of the incorrect operation or reaction lag, give operating cause unnecessary trouble. So using AC frequency and voltage measurement technology, design the voltage frequency monitoring system, may simplify system operation space, improve work efficiency. This design taking single chip puter AT89C52 as a core， bining the periphery signal to enlarge and the shaping circuit, through to the output waveforms of the count and the simulated voltage sampling, the quantitative get ac frequency and voltage the digital quantity. These data are sent to the upper puter by a series port and visual display， realizing the monitoring of the frequency and voltage. Design is simple in structure, measurement error small, has high practical value. Keywords： single chip puter； frequency； voltage； sampling； AT89C52；AD0809； 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說(shuō)明書(shū) 1 第 一 章 緒論 問(wèn)題的提出 隨 著 信息化 、數(shù)字化在各行各業(yè)的迅猛發(fā)展， 工業(yè) 系統(tǒng)中的信息化、數(shù)字化也將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。可以看出測(cè)量 fX必須將 N或 t兩個(gè) 量 之一作為閘門(mén)或基準(zhǔn)，對(duì)另一個(gè)量進(jìn)行測(cè)量。設(shè)計(jì)軟件流程圖如圖 所示。 測(cè)量原理如圖 所示。它由電阻分壓器、電壓比較器、寄存器及編碼器組成。將所有留下的砝碼重量相加，就得此物體的重量。積分器對(duì) Ui 進(jìn)行固定時(shí)間 T1的積分。1OU1OUouOOC PIUiu= 圖 2. 13 雙積分 AD 轉(zhuǎn)換器波形圖 雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器若與逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器相比較，因有積分器的存在，積分器的輸 出只對(duì)輸入信號(hào)的平均值有所響應(yīng)，所以，它突出優(yōu)點(diǎn)是工作性能比較穩(wěn)定且抗干擾能力強(qiáng)；由式以上分析可以看出，只要兩次積分過(guò)程中積分器的時(shí)間常數(shù)相等，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果與 RC 無(wú)關(guān)，所以，該電路對(duì) RC 精度的要求不高，而且電路的結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單。當(dāng) VA 升至 G3 的閾值電壓 VTH 時(shí)，觸發(fā)器狀態(tài)翻蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說(shuō)明書(shū) 16 轉(zhuǎn)為 Q=1，于是 Tp1 和 TN2 截止而 TN1 和 Tp2 導(dǎo)通。當(dāng) CL 放電到 VCL≤ VI 時(shí)，比較器 C1 輸出為 1，重新將觸發(fā)器置成 Q=1，于是 VO 又跳變成低電平， CL 和CT 開(kāi)始充電，重復(fù)上面的過(guò)程。 圖 3. 1 AT89C52 單片機(jī)引腳圖 AT89C52 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位 單片機(jī) ，片內(nèi)含 8K 8 的可反復(fù)擦寫(xiě)的 FLASH 只讀程序存儲(chǔ)器和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司 的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元， AT89C52 單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。在這種情況下， P2 口使用強(qiáng)大的內(nèi)部上拉電阻功能當(dāng)輸出 1 時(shí)。 EA /VPP:外部訪問(wèn)允許。OP37 最高工作頻率可達(dá) 63MHz(見(jiàn)圖 所示 )。多路開(kāi)關(guān)可選通 8 個(gè)模擬通道，允許8 路模擬量分時(shí)輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 6）工作溫度范圍為 40～＋ 85 攝氏度 7）低功耗，約 15mW。圖 是 555 構(gòu)成的基本的施密特觸發(fā) 器 電路對(duì)不同信號(hào)的整形、變換波形。 頻率 信號(hào)預(yù)處理電路 單片機(jī)是數(shù)字信號(hào)處理工具。作為輸入口，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出電流（ IIL）。程序校驗(yàn)時(shí)需要外接上拉電阻。 測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路主要包含 降壓穩(wěn) 壓 電路 、 信號(hào)預(yù)處理電路 、 A／ D轉(zhuǎn)換 電路 以及 單片機(jī) AT89C52 處理控制電路 、串口輸出 電路幾 部分構(gòu)成，測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖 所示。圖 是 LM331的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖。從工 作原理上看，壓控振蕩器大致可以分為三種類(lèi)型：施密特觸發(fā)器型、電容交叉充放電型和定時(shí)型。 第二階段稱為定速率積分過(guò)程，將 UO1 轉(zhuǎn)換為成比例的時(shí)間間隔。如最高位已存 1，則此時(shí) v0=（ 3/4） VREF。優(yōu)先編碼器優(yōu)先級(jí)別最高是Q7，最低是 Q1。外部輸入在每個(gè)機(jī)器周期被采樣一次，檢測(cè)一次從到的跳變需要個(gè)機(jī)器周期，所以最大計(jì)數(shù)頻率為 。設(shè)對(duì)被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)值為 Nx，對(duì)時(shí)基信號(hào)的計(jì)數(shù)值為 N0，時(shí)基信號(hào)的頻率為 f0，則被測(cè)信號(hào)的頻率為 : fx=Nx/N0f0 。由電路提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào) TS，將被測(cè)信號(hào)的周期作為閘門(mén)，將測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù) TX=nXTS。 電壓和頻率是反映電能質(zhì)量的兩個(gè)主要指標(biāo)，本設(shè)計(jì)中介紹了電壓、頻率的測(cè)量原理以及如何利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電壓、頻率的 測(cè)量和 將所得 測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)串行接口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行直觀顯示 。 因此利用 交流電頻率、電壓測(cè)量的 技術(shù)， 設(shè)計(jì)出電壓頻率監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)，可以 簡(jiǎn)化系統(tǒng)的操作 空間 ， 提高工作效。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說(shuō)明書(shū) 3 第 二 章 系統(tǒng)概述 電壓 /頻率的測(cè)量 方法 對(duì)于單片機(jī)為核心構(gòu)成的檢測(cè)儀器，測(cè)量電壓、頻率時(shí)有多種方法， 一般根據(jù)不同的要求，采用不同的測(cè)量方法，這樣可以提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。測(cè)周法測(cè)量頻率時(shí)序圖如圖 所示。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說(shuō)明書(shū) 7 開(kāi)始中斷初始化開(kāi)啟檢測(cè)到下降沿0INT關(guān)開(kāi)啟 T 0 計(jì)數(shù)開(kāi)啟 T 1 計(jì)數(shù)0INTt 1 設(shè)定時(shí)間到重新開(kāi)啟檢測(cè)到下一個(gè)下降沿關(guān)閉 T 0 計(jì)數(shù)關(guān)閉 T 1 計(jì)數(shù)取 T 0 、 T 1 內(nèi)部數(shù)據(jù)處理 f = N / T 1數(shù)碼管顯示結(jié)束T 0 計(jì)數(shù) 、 T 1 計(jì)時(shí)0IN TYN 圖 2. 6 多周期同步測(cè)量法的流程圖 直接測(cè)頻法 適用于高頻信號(hào)。 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器，在精度、轉(zhuǎn)換速度和價(jià)格上都適中，是最常用的 A/D 轉(zhuǎn)換器件。天平稱重物過(guò)程是，從最重的砝碼開(kāi)始試放，與被稱物體進(jìn)行比較，若物體重于砝碼，則該砝碼保留，否則移去。轉(zhuǎn)換開(kāi)始，斷開(kāi) S0。 tt1T2T1t 2t39。G1 和 G2 用作電容充、放電的轉(zhuǎn)換控制開(kāi)關(guān)，而 G1 和 G2 的輸出狀態(tài)由觸發(fā)器的狀態(tài)來(lái)決定。 當(dāng) CT 上的電壓 VcT 上升到 2/3Vcc 時(shí)，則觸發(fā)器被置成 Q=0， T2 截止， Vo=1。它的顯著優(yōu)點(diǎn)是：⑴內(nèi)含 FLASH 存儲(chǔ)器，這在系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可隨意進(jìn)行程序修改，既便錯(cuò)誤編程之后仍可以重新編程，故不存在廢品且大大縮短了程序的開(kāi)發(fā)周期；同時(shí)在系統(tǒng)工作過(guò)程中能有效地保存數(shù)據(jù)信息。當(dāng)向 P2 口寫(xiě) 1 時(shí)，通過(guò)內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可以用作輸入口。但也要注意，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。本設(shè)計(jì)因?yàn)橐獙⑿盘?hào)送入 ADC0809 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換， 而 ADC0809 的模擬輸入電壓范圍 為 0～＋ 5V 所以要將交流電壓降到 5V 內(nèi)，本電路中用的變壓器的變比系數(shù)為： 21 LLn? ，所以根據(jù)變比系數(shù) 設(shè)定好電感值就 做到 達(dá)到 線性降壓 ， 電路如圖 所示。 本設(shè)計(jì) A/D 轉(zhuǎn)換器采用 主次逼近型 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809， 芯片的管腳圖如圖 所示。下面說(shuō)明各引腳功能。 如圖 所示，當(dāng)輸入的正弦波電壓的瞬時(shí)的電壓低于 1/3VDD 時(shí)， 555 置位，輸出呈 高電平；而當(dāng)瞬時(shí)電壓高于 2/3VDD 復(fù)位，輸出呈低電平。首先將信號(hào)通過(guò)濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號(hào)，同時(shí)也進(jìn)行線性放大、使之變?yōu)橐徊ㄐ握?guī)、幅值適當(dāng)?shù)恼倚盘?hào)，然后經(jīng)過(guò)整形電路變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)進(jìn)入單片機(jī)。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。當(dāng)對(duì) P1 口寫(xiě) 1 時(shí)，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉升為高電平，此時(shí)可以作為輸入端使用。 單片機(jī)蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說(shuō)明書(shū) 18 接收外部脈沖，啟動(dòng)定時(shí)／計(jì)數(shù)器對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)， 從而 計(jì)算得出 相應(yīng)的 頻率值；另外一路輸入用于電壓測(cè)量值，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)分壓被送到 A／ D 轉(zhuǎn)換部分，經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換 芯片的轉(zhuǎn)換，將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送到單片機(jī) P0口 ，得到量化電壓值；同時(shí)，串口電路部分則負(fù)責(zé)將得到的頻率值、電壓值發(fā)送至上位機(jī)，從而，上位機(jī)對(duì)頻率值和電壓值進(jìn)行直觀的顯示。剛接通電源時(shí) CL 和 CT 兩個(gè)電容上沒(méi)有電壓，若輸入控制電壓 VI 為大于 零的某個(gè)值，則比較器 C1 的輸出為 1 而比較器C2 的輸出為 0，觸發(fā)器被置成 Q=1 狀態(tài)。這樣就可以用輸入電壓控制振蕩頻率。如圖 所示。 A/D 轉(zhuǎn)換器 雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器屬于間接型 A/D 轉(zhuǎn)換器，它是把待轉(zhuǎn)換的輸入模擬電壓先轉(zhuǎn)換為一個(gè)中間變量，例如時(shí)間 T；然后再對(duì)中間變量量化編碼，得出轉(zhuǎn)換結(jié)果，這種 AD 轉(zhuǎn)換器多稱為電壓 時(shí)間變換型（簡(jiǎn)稱 VT型）。如不考慮上述器件的延遲，可認(rèn)為輸出的數(shù)字量是與 uI 輸入時(shí)刻同時(shí)獲得的。 直接型 A/D 轉(zhuǎn)換器可直接將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這類(lèi)轉(zhuǎn)換器工作速 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說(shuō)明書(shū) 10 度快。