【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 upy 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)。 計(jì)算機(jī)和智能儀器等各種設(shè)備已經(jīng)大量進(jìn)入各個(gè)領(lǐng)域。 尤其在 狹小的空間操作 時(shí) ，經(jīng)常要面對(duì)功能眾多、大小不等、量程各異的儀表盤，這些儀表盤不僅占用空間，而且不夠直觀，在情況緊急時(shí)，容易造成 工作人員的誤操作或反應(yīng)滯后，給操作帶來(lái)不必要的麻煩。 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 。 設(shè)計(jì)的意義 本設(shè)計(jì) 提出一種進(jìn)行交流電頻率、電壓測(cè)量的方法，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的操作空間。使操作人員更加直觀的進(jìn)行系統(tǒng)供電頻率、電壓的監(jiān)測(cè)，而不用先找位置，再進(jìn)行各種儀表體積、量程的對(duì)比確認(rèn)，最后才進(jìn)行觀測(cè) 參數(shù) 的讀取，簡(jiǎn)化了 操作員操作 過(guò)程，節(jié)省了 操作 時(shí)間。 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 。 這種測(cè)量裝置硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 測(cè)量 誤差小、價(jià)格低， 具有很高的實(shí)用價(jià)值 ，可以作為 測(cè)試儀器使用，也可以作為監(jiān)測(cè)裝置的一部分。 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 ： 該設(shè)計(jì)主要 用 單片機(jī)設(shè)計(jì) 電壓頻率測(cè)量系統(tǒng)，來(lái) 完成 對(duì)電壓頻率測(cè)量 的基本功能，包括 顯示 功能，傳感器數(shù)據(jù)采集及處理功能和單片機(jī)系統(tǒng)與上位機(jī)通信的功能。 ① 提出系統(tǒng)的硬件方案和方案論證優(yōu)化； ② 根據(jù)要求完成單片機(jī)的基本系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說(shuō)明書(shū) 2 ③ 完成對(duì) 電壓、頻率等 信號(hào)的檢測(cè)和接口電路的設(shè)計(jì)； ④ 完成 顯示 電路的設(shè)計(jì)； ⑤ 完成軟件需求的系統(tǒng)分析。 技術(shù)指標(biāo) ① 電壓范圍： 0250V； ② 頻率范圍 ： 09999HZ； ③ 檢測(cè)周期：≥１０次／秒； ④ 測(cè)量精度： 電壓 ≤177。 1V，頻率 ≤177。 1 HZ。 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。更好的達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 頻率的測(cè)量原理 交變信號(hào)或脈沖信號(hào)的頻率是指在單位時(shí)間內(nèi)由信號(hào)所產(chǎn)生的交變次數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)，即 fX=N/t。可以看出測(cè)量 fX必須將 N或 t兩個(gè) 量 之一作為閘門或基準(zhǔn)，對(duì)另一個(gè)量進(jìn)行測(cè)量。對(duì) fX的測(cè)量是由電路提供標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào)即 t=TZ， TZ通常為 1s 或它的十倍百倍等，然后對(duì) TZ內(nèi)的被測(cè)信號(hào)變化的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到 NX，即可得到 fX=NX/Tz。對(duì)于低頻信號(hào)，如果利用電子計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻，由于177。 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。 1 誤差引起的測(cè)頻誤差可達(dá) 10%。所以，為了提高測(cè)量低頻時(shí)的準(zhǔn)確度， 數(shù)字電路中 采用的是測(cè)周法，即 TX=l/fX=t/N。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，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。 利用 51 系列單片機(jī)，采用上述測(cè)量原理，標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)可由單片機(jī)內(nèi)的定時(shí) /計(jì)數(shù)器提供，只需采用簡(jiǎn)單的程序控制就可測(cè)得對(duì)應(yīng)的經(jīng)過(guò)信號(hào)預(yù)處理的 fX或 TX。 根據(jù)單片機(jī) AT89C52 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T0方式 1 結(jié)構(gòu)圖 (如圖 )可 知， T0計(jì)數(shù)脈沖控制電路中，有一個(gè)方式電子開(kāi)關(guān)，當(dāng) C/T=0 時(shí)，方式電子開(kāi)關(guān)打在上面，以振蕩器的十二分頻信號(hào)作為 T1的計(jì)數(shù)信號(hào)，此時(shí)作為定時(shí)器用； C/T=1 時(shí)，方式電子開(kāi)關(guān)打在下面，此時(shí)以 T0 ()引腳上的輸人脈沖作為 T0的計(jì)數(shù)脈沖，此時(shí)可對(duì)外界脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。 C/T 的狀態(tài)可由 T0的方式寄存器 TMOD 進(jìn)行設(shè)置。定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T1與之相類似。 圖 2. 1 AT89C52 定時(shí) /計(jì)數(shù)器基本組成 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說(shuō)明書(shū) 4 周期測(cè)量法 測(cè)周期法又稱計(jì)時(shí)法 ，適用于低頻信號(hào)。 是利 用周期和頻率之間互為倒數(shù)的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量周期性矩形脈沖信號(hào)一個(gè)或多個(gè)周期的時(shí)間，取其一個(gè)周期的倒數(shù)即為該脈沖信號(hào)的頻率。測(cè)周法測(cè)量頻率時(shí)序圖如圖 所示。 圖 2. 2 測(cè)周法測(cè)量頻率時(shí)序圖 將單片機(jī)的 端口作為脈沖信號(hào)的輸入端，利用中斷方式，當(dāng)外部中斷INT0 檢測(cè)到第一個(gè)脈沖下降沿時(shí)，開(kāi)啟定時(shí)器 T1，緊接著當(dāng)檢測(cè)到第二個(gè)脈沖下降沿時(shí)，關(guān)閉定時(shí)器 T1，此時(shí)定時(shí)器內(nèi)部累積的時(shí)間即為該脈沖的周期，取其倒數(shù)則可得到其頻率。而實(shí)際設(shè)計(jì)中，考慮到為了提高測(cè)量精度 和保證測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)刷新，可根據(jù)不同的頻率范圍選擇適當(dāng)?shù)闹芷跀?shù) M，然后取其平均值來(lái)減少測(cè)量誤差。設(shè)計(jì)軟件流程圖如圖 所示。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說(shuō)明書(shū) 5 中斷初始化檢測(cè)到第一個(gè)下降沿T 1 計(jì)時(shí)開(kāi)啟檢測(cè)到第 M 個(gè)下降沿T 1 計(jì)時(shí)關(guān)閉數(shù)據(jù)處理 f = M / T 1數(shù)碼管顯示開(kāi)始結(jié)束T 1 累積計(jì)時(shí)NY 圖 2. 3 周期測(cè)量法流程圖 多周期同步 測(cè)量 法綜合運(yùn)用了計(jì)數(shù)法和測(cè)周法，進(jìn)一步提高了測(cè)量精度， 充分利用 了 單片機(jī)內(nèi)部的中斷源，使被測(cè)信號(hào)與單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)同步，實(shí)現(xiàn)了同步測(cè)量。 多周期同步法 適用于中頻信號(hào) 。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)。當(dāng)單片機(jī)給出閘門關(guān)閉信號(hào)后，計(jì)數(shù)器并不立即停止計(jì)數(shù)而是等到被測(cè)信號(hào)上升沿到來(lái)的時(shí)刻才真正結(jié)束計(jì)數(shù)，完成一次測(cè)量過(guò)程 (見(jiàn)圖 )?？梢钥闯?，實(shí)際閘門與參考閘門并不嚴(yán)格相等，但最大差值不超過(guò)被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期。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 。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說(shuō)明書(shū) 6 輸入電路顯示控制電路時(shí)基閘門 A閘門 B計(jì)數(shù)器 A計(jì)數(shù)器 B運(yùn)算器f xf 0 圖 2. 4 多周期同步法測(cè)頻原理圖 同步法測(cè)量頻率時(shí)序圖如圖 所示。 圖 2. 5 同步法測(cè)量頻率時(shí)序圖 將單片機(jī)的 和 端口同時(shí)作為脈沖信號(hào)的輸入端，單片機(jī)工作于中斷模式，當(dāng)外部中斷 0檢測(cè)到被測(cè)脈沖（ 口）其中一個(gè)下降沿時(shí)，同時(shí)去開(kāi)啟計(jì)數(shù)器 T0和定時(shí)器 T1，使 T0 對(duì)被測(cè)脈沖（ 口）進(jìn)行累積計(jì)數(shù)， T1 進(jìn)行內(nèi)部累積計(jì)時(shí)，并且關(guān)閉當(dāng)前外部中斷響應(yīng)模式，此時(shí)做到了測(cè)量開(kāi)始的同步。直至設(shè)定的計(jì)數(shù)時(shí)間 t1 到，然后再重新打開(kāi)外部中斷，而此時(shí)并不會(huì)立即 關(guān)閉計(jì)數(shù)器 T0 和定時(shí)器 T1，而是要等到被測(cè)脈沖的下一個(gè)下降沿到來(lái)觸發(fā)外部中斷0 響應(yīng)后，再去同時(shí)關(guān)閉計(jì)數(shù)器 T0 和定時(shí)器 T1，此時(shí)做到了測(cè)量結(jié)束的同步。最后分別取出計(jì)數(shù)器 T0 中的計(jì)數(shù)值 N和定時(shí)器 T1 的內(nèi)部計(jì)時(shí)時(shí)間 T1 代入公式f=N/T1 進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，送數(shù)碼管顯示被測(cè)脈沖頻率。定時(shí)器 T1 中的設(shè)定計(jì)數(shù)時(shí)間 t1 主要用來(lái)完成對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)刷新周期的控制，即每一次測(cè)量過(guò)程中對(duì)脈沖采集時(shí)間的設(shè)定，為了保證測(cè)量和顯示的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新，一般 t1 取 到 1S 為佳。設(shè)計(jì)軟件流程圖如圖 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)。充分利用單片機(jī)內(nèi)的兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器。一個(gè)作為定時(shí)器，給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào) TX；另一個(gè)作為計(jì)數(shù)器，對(duì) fX的變化次數(shù)直接進(jìn)行計(jì)數(shù)得 Nx，得 fx=Nx/Tz。 測(cè)量原理如圖 所示。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說(shuō)明書(shū) 8 脈沖形成 閘門 計(jì)數(shù)器時(shí)基信號(hào)發(fā)生器門控電路 圖 2. 7 直接測(cè)頻率 測(cè)頻原理圖 計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率是利用單片機(jī)內(nèi)部?jī)蓚€(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T0 和 T1，使一個(gè)工作在定時(shí) 模式，另一個(gè)工作在計(jì)數(shù)模式下完成測(cè)量功能的。計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率時(shí)序如圖 所示。 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。 設(shè)計(jì)軟件流程圖如圖 所示： 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說(shuō)明書(shū) 9 開(kāi)始T 0 、 T 1 初始化啟動(dòng) T 0 、 T 1T 1 定時(shí) 1 sT 0 、 T 1 停止工作f = M數(shù)碼管顯示結(jié)束T 0 累積計(jì)數(shù) MYN 圖 2. 9 直接測(cè)頻法原理框圖 在計(jì)數(shù)器工作方 式下，加至外部引腳的待測(cè)信號(hào)發(fā)生從 0 到 1 的跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加 1，這樣在定時(shí)閘門信號(hào)的控制下可以用來(lái)測(cè)量待測(cè)信號(hào)的頻率。將 51 單片機(jī)內(nèi)的兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器分別定義為： T0 為計(jì)數(shù)器， T1 為定時(shí)器，均采用方式1，即方式控制字 TMOD 為 51H。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 。定時(shí)計(jì)數(shù)沒(méi)有溢出的最大計(jì)數(shù)值為 65535。 電壓測(cè)量 方法 A/D 轉(zhuǎn)換法 所謂 A/D 轉(zhuǎn)換法就是 將被測(cè)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)阻抗匹配 ,變成單片機(jī)可測(cè)量的電壓范圍 ,后經(jīng) 模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)得相應(yīng)的電壓值 。 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。并行比較型和逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器屬于這一類。而間接型 A/D 轉(zhuǎn)換器先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成中間量（如時(shí)間、頻率等），然后再將中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換速度比較慢。雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器則屬于間接型 A/D 轉(zhuǎn)換器。 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。雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器，具有高精度、抗干擾性好的、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，但轉(zhuǎn)換速度低。 A/D 轉(zhuǎn)換器 +7C+6C+5C+4C+3C+2C?+1C7F6F5F4F3F2F1FRR / 2R E FV1 5/1 3 R E FVR E FVIuRRRRR2)2(1)2(0)2()M S B(L S B )(0D1D2