【導讀】基于單片機的電壓頻率監(jiān)測系統(tǒng)設計

　　

【正文】 源輸出端開關 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 也同時開始充電。 當 CT 上的電壓 VcT 上升到 2/3Vcc 時，則觸發(fā)器被置成 Q=0， T2 截止， Vo=1。同時開關 S 轉接到地， CL 開始向 RL 放電。而 Q 變?yōu)楦唠娖胶笫?T3 導通， CT 通過 T3 迅速放電至 VCT≈ 0，并使 比較器 C2 的輸出為 0。當 CL 放電到 VCL≤ VI 時，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，重復上面的過程。如此反復，便在 VO 端得到矩形輸出脈沖。 蘭州理工大學畢業(yè)論文說明書 17 系統(tǒng) 方案選擇 根據前面電壓、頻率的測量原理，以及本設計的技術指標，綜合考慮電壓、頻率測量精度 以及外測量范圍、反應時間等等， 頻率測量選 擇 用 直接測頻率 法來測量 ， 采用這種方法測量簡單而且可以保證測量的準確度。而對于 電壓 測量則 采用 A/D 轉換法， 用逐次型 A/D 轉換器將模擬量轉為數字量再將數字量送入單片機的方法來進行測量， 這樣可以達到更好 達到測量的精度要求 ， 同時也很好的利用了單片機的資源。 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 本設計以單片機 AT89C52 為核心，結合外圍信號放大、整形電路 ,通過對輸出波形的計數和對模擬電壓的采樣、量化得到交流電頻率和電壓的數字量，將所得數據通過串行接口發(fā)送到上位機進行直觀顯示，很好的實現了對系統(tǒng)電壓頻率的監(jiān)測。 測量系統(tǒng)的硬件電路主要包含 降壓穩(wěn) 壓 電路 、 信號預處理電路 、 A／ D轉換 電路 以及 單片機 AT89C52 處理控制電路 、串口輸出 電路幾 部分構成，測量系統(tǒng)框圖如圖 所示。 分壓穩(wěn)壓電路波形轉換電路輸入交流電壓隔離降壓單片機處理控制電路分壓穩(wěn)壓電路A / D 轉換電路串口輸出顯示電路 圖 2. 17 電壓 、 頻率檢測系統(tǒng) 框圖 系統(tǒng)電路的工作原理簡述如下：交流電壓經過隔離 變壓器 隔離降壓、限流 變?yōu)?A/D 轉換器和單片機能接受電壓范圍，然后 分成兩路電壓輸入信號。一路輸入用于頻率測量，輸入信號經離散器件的分壓、穩(wěn)壓處理， 通過放大、 濾波和 整形電路， 將輸入 的正弦波信號轉換成 5 V 的方波信號，然后送到單片機 。 單片機蘭州理工大學畢業(yè)論文說明書 18 接收外部脈沖，啟動定時／計數器對方波信號進行定時計數， 從而 計算得出 相應的 頻率值；另外一路輸入用于電壓測量值，輸入信號經過分壓被送到 A／ D 轉換部分，經過 A/D 轉換 芯片的轉換，將輸入的模擬量轉換成數字量送到單片機 P0口 ，得到量化電壓值；同時，串口電路部分則負責將得到的頻率值、電壓值發(fā)送至上位機，從而，上位機對頻率值和電壓值進行直觀的顯示。 這樣可以很好的實現本設計所要求的功能。 蘭州理工大學畢業(yè)論文說明書 19 第 三 章 系統(tǒng)硬件電路的 設計 單片機處理控制電路 測量電路選用 AT89C52 作為頻率計的信號處理核心。 AT89 系列單片機是美國 ATMEL 公司近年來推出的一種新型高性能低價位，低電壓，低功耗的 8位 CMOS 微型計算機。它的顯著優(yōu)點是：⑴內含 FLASH 存儲器，這在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，可隨意進行程序修改，既便錯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；同時在系統(tǒng)工作過程中能有效地保存數據信息。⑵采用靜態(tài)時鐘方式，節(jié)省電能，這對于降低便攜式產品的功耗十分有利。⑶由于它是以 8031 核構成的，所以它與 MSC51 系 列單片機相兼容，這對于熟悉 MSC51 系列的廣大用戶來說，用 AT89 系列單片機取代 51 系列進行系統(tǒng)設計是輕而易舉的。 圖 3. 1 AT89C52 單片機引腳圖 AT89C52 是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位 單片機 ，片內含 8K 8 的可反復擦寫的 FLASH 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機存取數據存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司 的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，片內置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元， AT89C52 單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應用。 引腳說明： VCC：電源電壓 GND:地 蘭州理工大學畢業(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，每個引腳能驅動 8 個 TTL 邏輯門電路。當對 0 端口寫入 1 時，可以作為高阻抗輸入端使用。 當 P0 口訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，它還可設定成地址數據總線復用的形式。在這種模式下， P0 口具有內部上拉電阻。 在 EPROM 編程時， P0 口接收指令字節(jié)，同時輸 出指令字節(jié)在程序校驗時。程序校驗時需要外接上拉電阻。 P1 口： P1 口是一帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P1 口的輸出緩沖能接受或輸出 4 個 TTL 邏輯門電路。當對 P1 口寫 1 時，它們被內部的上拉電阻拉升為高電平，此時可以作為輸入端使用。當作為輸入端使用時， P1 口因為內部存在上拉電阻，所以當外部被拉低時會輸出一個低電流（ IIL）。 P2 口： P2 是一帶有內部上拉電阻的 8 位雙向的 I/O 端口。 P2 口的輸出緩沖能驅動 4 個 TTL 邏輯門電路。當向 P2 口寫 1 時，通過內部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可以用作輸入口。作為輸入口 ，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（ IIL）。 P2 口在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數據存儲器（例如 MOVX ＠ DPTR）時， P2 口送出高 8 位地址數據。在這種情況下， P2 口使用強大的內部上拉電阻功能當輸出 1 時。當利用 8 位地址線訪問外部數據存儲器時（例MOVX ＠ R1） ,P2 口輸出特殊功能寄存器的內容。 當 EPROM 編程或校驗時， P2 口同時接收高 8 位地址和一些控制信號。 P3 口： P3 是一帶有內部上拉電阻的 8 位雙向的 I/O 端口。 P3 口的輸出緩沖能驅動 4 個 TTL 邏輯門電路。當向 P3 口寫 1 時，通過內部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可以用作輸入口。作為輸入口，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（ IIL）。 P3 口同時具有 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（定時器 0） T1（定時器 1） 蘭州理工大學畢業(yè)論文說明書 21 WR （外部數據存儲器寫選通） RD（外部數據存儲器都選通） RST:復位輸入。當振蕩器工作時， RST 引腳出現兩個機器周期的高電平將使單片機復位。 ALE/PROG :當訪問外部存儲器時，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)。當在 Flash 編程時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，可以用作外部時鐘或定時目的。但也要注意，每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。 PSEN ：程序存儲允許時外部程序存儲器的讀選通信號。當 AT89C52 執(zhí)行外部程序存儲器的指令時，每個機器周期 PSEN 兩次有效，除了當訪問外部數據存儲器時， PSEN 將跳過兩個信號。 EA /VPP:外部訪問允許。為了使單片機能夠 有效的傳送外部數據存儲器從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，復位時 EA 端會自動內部鎖存。 當執(zhí)行內部編程指令時， EA應該接到 VCC 端。 XTAL1：振蕩器反相放大器以及內部時鐘電路的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 頻率 信號預處理電路 單片機是數字信號處理工具。輸入單片機的信號必需是離散的數字信號或者是脈沖信號。因此檢測來的正弦信號必需經過預處理 變?yōu)閱纹瑱C能接受的，且是采集簡便，計算工作量較少的信號。首先將信號通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號，同時也進行線性放大、使之變?yōu)橐徊ㄐ握?guī)、幅值適當的正弦信號，然后經過整形電路變?yōu)榉讲ㄐ盘栠M入單片機。由單片機來處理后送到顯示器進行直觀顯示。頻率信號的預處理電路如圖 所示。 圖 3. 2 頻率信號預處理電路 蘭州理工大學畢業(yè)論文說明書 22 降壓 電路 交流電要經過變壓器件降壓后才可以通過放大、整形電路將信號送入 單片機進行處理。本設計因為要將信號送入 ADC0809 進行 A/D 轉換， 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，本電路中用的變壓器的變比系數為： 21 LLn? ，所以根據變比系數 設定好電感值就 做到 達到 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、寬頻帶運放 OP37，并采用 負 反饋電路， 由負反饋放大電路的 原理 可知放大倍數 n=R4/R5=10。所以此電路將信號的放大倍數為 10 倍。OP37 最高工作頻率可達 63MHz(見圖 所示 )。 圖 3. 4 小信號放大電路 整形電路 波形變換和波形整形電路實現把正弦波樣的正負交替的信號波形變換成可以被單片機接受的 TTL/COMS 兼容信號。 本設計采用 555 構成的施密特觸發(fā)器作為整形電路。 整形電路將正弦波轉化為 5V 的方波信號，供單片機進行頻率測量。 電路如圖 所示。 蘭州理工大學畢業(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，有著極為廣泛的應用 。圖 是 555 構成的基本的施密特觸發(fā) 器 電路對不同信號的整形、變換波形。 ab c 圖 3. 6 施密特觸發(fā) 器對波形整形的原理圖 555 可以看成 一個 RS 觸發(fā)器，它的位置電平 VT≤ 1/3VDD，而其復位電平VT+≥ 2/3VDD(閥值電平 )。因此，設置 R1=R2=10kΩ，使得 6 腳的偏置電壓在1/2VDD 介于兩個閥值電平之間。 如圖 所示，當輸入的正弦波電壓的瞬時的電壓低于 1/3VDD 時， 555 置位，輸出呈 高電平；而當瞬時電壓高于 2/3VDD 復位，輸出呈低電平。在輸出端得到規(guī)則的矩形脈沖，對波形進行了變換和整形。 脈沖信號再傳輸過程中前后沿產生了振顫或震蕩，使用施密特觸發(fā)器，可以進行整形，如圖 、 。 蘭州理工大學畢業(yè)論文說明書 24 A/D 轉 換電路 單片機本身只能識別和處理一種離散的數字信號，而在實際的控制系統(tǒng)中，需要監(jiān)測和控制的是一些電壓、電流等隨時間連續(xù)變化的電物理量，所以為了實現單片機對一個應用系統(tǒng)的控制和檢測， A／ D轉換電路是必不可少的設計環(huán)節(jié)。 本設計 A/D 轉換器采用 主次逼近型 8 位 A/D 轉換芯片 ADC0809， 芯片的管腳圖如圖 所示。 圖 3. 7 ADC0809 芯片管腳圖 ADC0809 是美國國家半導體公司生產的 CMOS 工藝 8 通道， 8 位逐次逼近式 A/D 轉換器 。它由一個 8 路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個 A/D 轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成（見圖 1）。多路開關可選通 8 個模擬通道，允許8 路模擬量分時輸入，共用 A/D 轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D轉換完的數字量，當 OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數據。 它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號， 只選通 8 路模擬輸入信號中的一個進行 A/D 轉換。是目前國內應用最廣泛的 8 位通用 A/D 芯片 1．主要特性 1） 8 路輸入通道， 8 位 A／ D 轉換器，即分辨率為 8 位。 2）具有轉換起?？刂贫?。 3）轉換時間為 100μs(時鐘為 640kHz時 )， 128μs（時鐘為 500kHz時） 4）單個＋ 5V 電源供電 5）模擬輸入電壓范圍 0～＋ 5V，不需零點和滿刻度校準。 6）工作溫度范圍為 40～＋ 85 攝氏度 7）低功耗，約 15mW。 2．內部結構 蘭州理工大學畢業(yè)論文說明書 25 ADC0809 是 CMOS 單片型逐次逼近式 A／ D 轉換器，內部結構如圖 所示，它由 8 路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、 8 位開關樹型 A/D 轉換器、逐次逼近 測量結果。 圖 3. 8 ADC0809 內部結構 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：