【導(dǎo)讀】基于單片機(jī)的電壓頻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　

【正文】 源輸出端開關(guān) S 接到引腳 1 一邊，電流 I0 向 CL 開始充電。而 Q 端的低電平使 T3 截止，所以 CT 也同時(shí)開始充電。 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。同時(shí)開關(guān) S 轉(zhuǎn)接到地， CL 開始向 RL 放電。而 Q 變?yōu)楦唠娖胶笫?T3 導(dǎo)通， CT 通過 T3 迅速放電至 VCT≈ 0，并使 比較器 C2 的輸出為 0。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 開始充電，重復(fù)上面的過程。如此反復(fù)，便在 VO 端得到矩形輸出脈沖。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 17 系統(tǒng) 方案選擇 根據(jù)前面電壓、頻率的測(cè)量原理，以及本設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，綜合考慮電壓、頻率測(cè)量精度 以及外測(cè)量范圍、反應(yīng)時(shí)間等等， 頻率測(cè)量選 擇 用 直接測(cè)頻率 法來測(cè)量 ， 采用這種方法測(cè)量簡(jiǎn)單而且可以保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。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。 顯示用 LCD 來顯示， 能 更直觀的顯示電壓、頻率的值。 系統(tǒng) 總體 框 圖 本設(shè)計(jì)以單片機(jī) AT89C52 為核心，結(jié)合外圍信號(hào)放大、整形電路 ,通過對(duì)輸出波形的計(jì)數(shù)和對(duì)模擬電壓的采樣、量化得到交流電頻率和電壓的數(shù)字量，將所得數(shù)據(jù)通過串行接口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行直觀顯示，很好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)電壓頻率的監(jiān)測(cè)。 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。 分壓穩(wěn)壓電路波形轉(zhuǎn)換電路輸入交流電壓隔離降壓?jiǎn)纹瑱C(jī)處理控制電路分壓穩(wěn)壓電路A / D 轉(zhuǎn)換電路串口輸出顯示電路 圖 2. 17 電壓 、 頻率檢測(cè)系統(tǒng) 框圖 系統(tǒng)電路的工作原理簡(jiǎn)述如下：交流電壓經(jīng)過隔離 變壓器 隔離降壓、限流 變?yōu)?A/D 轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)能接受電壓范圍，然后 分成兩路電壓輸入信號(hào)。一路輸入用于頻率測(cè)量，輸入信號(hào)經(jīng)離散器件的分壓、穩(wěn)壓處理， 通過放大、 濾波和 整形電路， 將輸入 的正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成 5 V 的方波信號(hào)，然后送到單片機(jī) 。 單片機(jī)蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 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)過分壓被送到 A／ D 轉(zhuǎn)換部分，經(jīng)過 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。 這樣可以很好的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)所要求的功能。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 19 第 三 章 系統(tǒng)硬件電路的 設(shè)計(jì) 單片機(jī)處理控制電路 測(cè)量電路選用 AT89C52 作為頻率計(jì)的信號(hào)處理核心。 AT89 系列單片機(jī)是美國 ATMEL 公司近年來推出的一種新型高性能低價(jià)位，低電壓，低功耗的 8位 CMOS 微型計(jì)算機(jī)。它的顯著優(yōu)點(diǎn)是：⑴內(nèi)含 FLASH 存儲(chǔ)器，這在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，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發(fā)周期；同時(shí)在系統(tǒng)工作過程中能有效地保存數(shù)據(jù)信息。⑵采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，節(jié)省電能，這對(duì)于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有利。⑶由于它是以 8031 核構(gòu)成的，所以它與 MSC51 系 列單片機(jī)相兼容，這對(duì)于熟悉 MSC51 系列的廣大用戶來說，用 AT89 系列單片機(jī)取代 51 系列進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)是輕而易舉的。 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。 引腳說明： VCC：電源電壓 GND:地 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 20 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，作為輸出口用時(shí)，每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門電路。當(dāng)對(duì) 0 端口寫入 1 時(shí)，可以作為高阻抗輸入端使用。 當(dāng) P0 口訪問外部程序存儲(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。在這種模式下， P0 口具有內(nèi)部上拉電阻。 在 EPROM 編程時(shí)， P0 口接收指令字節(jié)，同時(shí)輸 出指令字節(jié)在程序校驗(yàn)時(shí)。程序校驗(yàn)時(shí)需要外接上拉電阻。 P1 口： P1 口是一帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P1 口的輸出緩沖能接受或輸出 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。當(dāng)對(duì) P1 口寫 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。當(dāng)作為輸入端使用時(shí)， P1 口因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，所以當(dāng)外部被拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)低電流（ IIL）。 P2 口： P2 是一帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向的 I/O 端口。 P2 口的輸出緩沖能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。當(dāng)向 P2 口寫 1 時(shí)，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可以用作輸入口。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）。 P2 口在訪問外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如 MOVX ＠ DPTR）時(shí)， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。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)。當(dāng)利用 8 位地址線訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)（例MOVX ＠ R1） ,P2 口輸出特殊功能寄存器的內(nèi)容。 當(dāng) EPROM 編程或校驗(yàn)時(shí)， P2 口同時(shí)接收高 8 位地址和一些控制信號(hào)。 P3 口： P3 是一帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向的 I/O 端口。 P3 口的輸出緩沖能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。當(dāng)向 P3 口寫 1 時(shí)，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可以用作輸入口。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）。 P3 口同時(shí)具有 AT89C51 的多種特殊功能，具體如下表 所示 。 表 P3 口的第二功能 端口引腳 第二功能 RXD (串行輸入口 ) TXD（串行輸出口） 0INT (外部中斷 0) 1INT （外部中斷 1） T0（定時(shí)器 0） T1（定時(shí)器 1） 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 21 WR （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都選通） RST:復(fù)位輸入。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。 ALE/PROG :當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許是一輸出脈沖，用以鎖存地址的低 8 位字節(jié)。當(dāng)在 Flash 編程時(shí)還可以作為編程脈沖輸出（ PROG ）。 一般情況下， ALE 是以晶振頻率的 1/6 輸出，可以用作外部時(shí)鐘或定時(shí)目的。但也要注意，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè) ALE 脈沖。 PSEN ：程序存儲(chǔ)允許時(shí)外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。當(dāng) AT89C52 執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的指令時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期 PSEN 兩次有效，除了當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， PSEN 將跳過兩個(gè)信號(hào)。 EA /VPP:外部訪問允許。為了使單片機(jī)能夠 有效的傳送外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器從0000H 到 FFFH 單元的指令， EA必須同 GND 相連接。需要主要的是，如果加密位 1 被編程，復(fù)位時(shí) EA 端會(huì)自動(dòng)內(nèi)部鎖存。 當(dāng)執(zhí)行內(nèi)部編程指令時(shí)， EA應(yīng)該接到 VCC 端。 XTAL1：振蕩器反相放大器以及內(nèi)部時(shí)鐘電路的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 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。輸入單片機(jī)的信號(hào)必需是離散的數(shù)字信號(hào)或者是脈沖信號(hào)。因此檢測(cè)來的正弦信號(hào)必需經(jīng)過預(yù)處理 變?yōu)閱纹瑱C(jī)能接受的，且是采集簡(jiǎn)便，計(jì)算工作量較少的信號(hào)。首先將信號(hào)通過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)過整形電路變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)進(jìn)入單片機(jī)。由單片機(jī)來處理后送到顯示器進(jìn)行直觀顯示。頻率信號(hào)的預(yù)處理電路如圖 所示。 圖 3. 2 頻率信號(hào)預(yù)處理電路 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 22 降壓 電路 交流電要經(jīng)過變壓器件降壓后才可以通過放大、整形電路將信號(hào)送入 單片機(jī)進(jìn)行處理。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。 圖 3. 3 降壓電路 放大電路 此電路采用高速、寬頻帶運(yùn)放 OP37，并采用 負(fù) 反饋電路， 由負(fù)反饋放大電路的 原理 可知放大倍數(shù) n=R4/R5=10。所以此電路將信號(hào)的放大倍數(shù)為 10 倍。OP37 最高工作頻率可達(dá) 63MHz(見圖 所示 )。 圖 3. 4 小信號(hào)放大電路 整形電路 波形變換和波形整形電路實(shí)現(xiàn)把正弦波樣的正負(fù)交替的信號(hào)波形變換成可以被單片機(jī)接受的 TTL/COMS 兼容信號(hào)。 本設(shè)計(jì)采用 555 構(gòu)成的施密特觸發(fā)器作為整形電路。 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。 電路如圖 所示。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 23 圖 3. 5 整形電路 施密特觸發(fā)器用于波形變換和整形，有著極為廣泛的應(yīng)用 。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。 ab c 圖 3. 6 施密特觸發(fā) 器對(duì)波形整形的原理圖 555 可以看成 一個(gè) RS 觸發(fā)器，它的位置電平 VT≤ 1/3VDD，而其復(fù)位電平VT+≥ 2/3VDD(閥值電平 )。因此，設(shè)置 R1=R2=10kΩ，使得 6 腳的偏置電壓在1/2VDD 介于兩個(gè)閥值電平之間。 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。在輸出端得到規(guī)則的矩形脈沖，對(duì)波形進(jìn)行了變換和整形。 脈沖信號(hào)再傳輸過程中前后沿產(chǎn)生了振顫或震蕩，使用施密特觸發(fā)器，可以進(jìn)行整形，如圖 、 。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 24 A/D 轉(zhuǎn) 換電路 單片機(jī)本身只能識(shí)別和處理一種離散的數(shù)字信號(hào)，而在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，需要監(jiān)測(cè)和控制的是一些電壓、電流等隨時(shí)間連續(xù)變化的電物理量，所以為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的控制和檢測(cè)， A／ D轉(zhuǎn)換電路是必不可少的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。 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。 圖 3. 7 ADC0809 芯片管腳圖 ADC0809 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 CMOS 工藝 8 通道， 8 位逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器 。它由一個(gè) 8 路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成（見圖 1）。多路開關(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。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng) OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)， 只選通 8 路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。是目前國內(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。 2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。 3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μs(時(shí)鐘為 640kHz時(shí) )， 128μs（時(shí)鐘為 500kHz時(shí)） 4）單個(gè)＋ 5V 電源供電 5）模擬輸入電壓范圍 0～＋ 5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。 6）工作溫度范圍為 40～＋ 85 攝氏度 7）低功耗，約 15mW。 2．內(nèi)部結(jié)構(gòu) 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 25 ADC0809 是 CMOS 單片型逐次逼近式 A／ D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示，它由 8 路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、 8 位開關(guān)樹型 A/D 轉(zhuǎn)換器、逐次逼近 測(cè)量結(jié)果。 圖 3. 8 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 3．外部特性（引腳功能） ADC0809 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖 所示。下面說明各引腳功能。 IN0～ IN7： 8 路模擬量輸入端。 21～ 28：