【正文】 見整流濾波電 路 ....................................................................................... 36 基于單片機的電壓頻率監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 圖 3. 18 電源電路 ....................................................................................................... 36 圖 3. 19 串口通信電路 ............................................................................................... 37 圖 3. 20 九針串口引腳功能圖 ................................................................................... 38 圖 3. 21 MAX232 的引腳圖 .......................................................................................... 39 圖 4. 1 系統(tǒng)總流程圖 .................................................................................................. 40 圖 4. 2 頻率測量子流程圖 .......................................................................................... 41 圖 4. 3 A/D 轉(zhuǎn)換子流程圖 .......................................................................................... 42 圖 4. 4 顯示流程圖 ..................................................................................................... 44 圖 5. 1 原理波形圖 ..................................................................................................... 48 圖 5. 2 量化時延原理 ................................................................................................. 49 表目錄 表 并行比較型 AD 轉(zhuǎn)換器的輸入輸出關(guān)系 ....................................................... 11 表 P3 口的第二功能 ............................................................................................. 20 表 X25045 指令及其含義 ..................................................................................... 28 表 X25045 狀態(tài)寄存器 ......................................................................................... 28 表 LCD 接口說明表 ................................................................................................ 30 表 RAM 地址映像表 ............................................................................................ 32 表 LCD 接口時序表 .............................................................................................. 34 表 RS232C 接口信號表 ....................................................................................... 38 表 相對誤差 ........................................................................................................... 47 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 I 摘要 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)字化也將成為未來的發(fā)展趨勢。 因此利用 交流電頻率、電壓測量的 技術(shù)， 設(shè)計出電壓頻率監(jiān) 測系統(tǒng)，可以 簡化系統(tǒng)的操作 空間 ， 提高工作效。 設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、 測量誤差小 ， 具有很高的實用價值 。 計算機和智能儀器等各種設(shè)備已經(jīng)大量進入各個領(lǐng)域。 因此利用 交流電頻率、電壓測量的 技術(shù) ， 設(shè)計出電壓頻率檢測系統(tǒng)，可以 簡化系統(tǒng)的操作 空間 ， 提高工作效率 。使操作人員更加直觀的進行系統(tǒng)供電頻率、電壓的監(jiān)測，而不用先找位置，再進行各種儀表體積、量程的對比確認，最后才進行觀測 參數(shù) 的讀取，簡化了 操作員操作 過程，節(jié)省了 操作 時間。 這種測量裝置硬件結(jié)構(gòu)簡單、 測量 誤差小、價格低， 具有很高的實用價值 ，可以作為 測試儀器使用，也可以作為監(jiān)測裝置的一部分。 ① 提出系統(tǒng)的硬件方案和方案論證優(yōu)化； ② 根據(jù)要求完成單片機的基本系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計； 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 2 ③ 完成對 電壓、頻率等 信號的檢測和接口電路的設(shè)計； ④ 完成 顯示 電路的設(shè)計； ⑤ 完成軟件需求的系統(tǒng)分析。 1V，頻率 ≤177。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 3 第 二 章 系統(tǒng)概述 電壓 /頻率的測量 方法 對于單片機為核心構(gòu)成的檢測儀器，測量電壓、頻率時有多種方法， 一般根據(jù)不同的要求，采用不同的測量方法，這樣可以提高測量的準確度。 頻率的測量原理 交變信號或脈沖信號的頻率是指在單位時間內(nèi)由信號所產(chǎn)生的交變次數(shù)或脈沖個數(shù)，即 fX=N/t。對 fX的測量是由電路提供標(biāo)準閘門信號即 t=TZ， TZ通常為 1s 或它的十倍百倍等，然后對 TZ內(nèi)的被測信號變化的次數(shù)進行計數(shù)，得到 NX，即可得到 fX=NX/Tz。 1 誤差所引起的測頻誤差將會大 到不可允許的程度，例如， fX=10Hz,T=1s,則由177。所以，為了提高測量低頻時的準確度， 數(shù)字電路中 采用的是測周法，即 TX=l/fX=t/N。 利用 51 系列單片機，采用上述測量原理，標(biāo)準閘門信號或標(biāo)準時基信號可由單片機內(nèi)的定時 /計數(shù)器提供，只需采用簡單的程序控制就可測得對應(yīng)的經(jīng)過信號預(yù)處理的 fX或 TX。 C/T 的狀態(tài)可由 T0的方式寄存器 TMOD 進行設(shè)置。 圖 2. 1 AT89C52 定時 /計數(shù)器基本組成 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 4 周期測量法 測周期法又稱計時法 ，適用于低頻信號。測周法測量頻率時序圖如圖 所示。而實際設(shè)計中，考慮到為了提高測量精度 和保證測量數(shù)據(jù)的實時刷新，可根據(jù)不同的頻率范圍選擇適當(dāng)?shù)闹芷跀?shù) M，然后取其平均值來減少測量誤差。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 5 中斷初始化檢測到第一個下降沿T 1 計時開啟檢測到第 M 個下降沿T 1 計時關(guān)閉數(shù)據(jù)處理 f = M / T 1數(shù)碼管顯示開始結(jié)束T 1 累積計時NY 圖 2. 3 周期測量法流程圖 多周期同步 測量 法綜合運用了計數(shù)法和測周法，進一步提高了測量精度， 充分利用 了 單片機內(nèi)部的中斷源，使被測信號與單片機內(nèi)部時鐘信號同步，實現(xiàn)了同步測量。其特點是標(biāo)準頻率信號不是用來填充待測信號的周期，而是與待測信號分別輸入到兩個 計數(shù)器進行同步計數(shù)?？梢钥闯?，實際閘門與參考閘門并不嚴格相等，但最大差值不超過被測信號的一個周期。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 6 輸入電路顯示控制電路時基閘門 A閘門 B計數(shù)器 A計數(shù)器 B運算器f xf 0 圖 2. 4 多周期同步法測頻原理圖 同步法測量頻率時序圖如圖 所示。直至設(shè)定的計數(shù)時間 t1 到，然后再重新打開外部中斷，而此時并不會立即 關(guān)閉計數(shù)器 T0 和定時器 T1，而是要等到被測脈沖的下一個下降沿到來觸發(fā)外部中斷0 響應(yīng)后，再去同時關(guān)閉計數(shù)器 T0 和定時器 T1，此時做到了測量結(jié)束的同步。定時器 T1 中的設(shè)定計數(shù)時間 t1 主要用來完成對測量數(shù)據(jù)刷新周期的控制，即每一次測量過程中對脈沖采集時間的設(shè)定，為了保證測量和顯示的數(shù)據(jù)實時刷新，一般 t1 取 到 1S 為佳。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 7 開始中斷初始化開啟檢測到下降沿0INT關(guān)開啟 T 0 計數(shù)開啟 T 1 計數(shù)0INTt 1 設(shè)定時間到重新開啟檢測到下一個下降沿關(guān)閉 T 0 計數(shù)關(guān)閉 T 1 計數(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 計數(shù) 、 T 1 計時0IN TYN 圖 2. 6 多周期同步測量法的流程圖 直接測頻法 適用于高頻信號。一個作為定時器，給出標(biāo)準閘門信號 TX；另一個作為計數(shù)器，對 fX的變化次數(shù)直接進行計數(shù)得 Nx，得 fx=Nx/Tz。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 8 脈沖形成 閘門 計數(shù)器時基信號發(fā)生器門控電路 圖 2. 7 直接測頻率 測頻原理圖 計數(shù)法測量頻率是利用單片機內(nèi)部兩個定時器 /計數(shù)器 T0 和 T1，使一個工作在定時 模式，另一個工作在計數(shù)模式下完成測量功能的。 圖 2. 8 計數(shù)法設(shè)計軟件流程圖 用定時器 T1 來產(chǎn)生一個 1S 的時鐘基準，同時計數(shù)器 T0 對由 口輸入的周期性矩形脈沖信號的下降沿進行累積計數(shù)，再將累積計數(shù)值 M送數(shù)碼管顯示。將 51 單片機內(nèi)的兩個定時 /計數(shù)器分別定義為： T0 為計數(shù)器， T1 為定時器，均采用方式1，即方式控制字 TMOD 為 51H。定時計數(shù)沒有溢出的最大計數(shù)值為 65535。 直接型 A/D 轉(zhuǎn)換器可直接將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這類轉(zhuǎn)換器工作速 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 10 度快。而間接型 A/D 轉(zhuǎn)換器先將模擬信號轉(zhuǎn)換成中間量（如時間、頻率等），然后再將中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換速度比較慢。 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器，在精度、轉(zhuǎn)換速度和價格上都適中，是最常用的 A/D 轉(zhuǎn)換器件。 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 )(0D1D2DC P電 壓 比 較 器寄 存 器代碼轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)R3 V7Q0 7C0 1C6Q5Q4Q3Q2Q1Q1 DC 11 5/ER F 1 5/1 D1 D1 DC 1C 1C 11 D1 D1 DC 1C 1C 1?????? 圖 2. 10 三位并行 A/D 轉(zhuǎn)換器 原理圖 3 位并行比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器原理電路如圖 所示。圖中的八個電阻將參考電壓 VREF 分成八個等級，其中七個等級的電壓分別作為七個比較器 C1~C7 的參考電壓，其數(shù)值分別為 VREF/1 3VREF/1 …13 VREF/15。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。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 11 經(jīng)代碼轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò) (優(yōu)先編碼器 )輸出數(shù)字量 D2D1D0。 設(shè) uI 變化范圍是 0~VREF，輸出 3 位數(shù)字量為 D D D0， 3 位并行比較型A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出關(guān)系如 表 所示。如不考慮上述器件的延遲，可認為輸出的數(shù)字量是與 uI 輸入時刻同時獲得的。 表 并行比較型 AD 轉(zhuǎn)換