【正文】 的直流電壓信號進行處理，因而需要對采樣來的小信號交流電進行整流，通過多種處理，最終使處理電路的輸出電壓能被模 /數(shù)轉換芯片有效接收并進行轉換。 通過以上分析，信號處理模塊需要設計整流電路和平波電路。其優(yōu)點是用簡單電路就能獲得高分辨率， 但缺點是由于轉換精度依賴于積分時間，因此轉換速率極低。 特點：精度高，抗干擾能力強。 方案二：采用比較型 A/D 轉換器 比較型 A/D 轉換器分為并行比較型和串行比較型。由于轉換速率極高，n 位的轉換需要 2n1 個比較器，因此電路規(guī)模也極大，價格也高，只適用于視頻 A/D 轉換器等速度特別高的領域。還有分成三步或多步實現(xiàn) A/D 轉換的叫做分級（ Multistep/Subrangling）型 A/D，而從轉換時序角度又可稱為流水線（ Pipelined）型 A/D，現(xiàn)代的分級型 A/D 中還加入了對多次轉換結果作數(shù)字運算而修正特性等功能。 該方案的特點是： 測量速度快 最高可達每秒 100 萬次以上 ，電路比較簡單，但抗干擾能力差。它利用內部的寄存器從高位到低位依次開始逐位試探比較。其原理框圖如圖 所示： 圖 逐次逼近式 A/D 轉換器原理圖 特點：價格便宜，容易購買，但精度較低。采用 ADC0809 作為本設計的模 /數(shù)轉換芯片時，其能達到的電壓轉換精度為 ，電流轉換精度為 ，符合本設計的性能指標要求，且能滿足本設計的功能要求，因而模 /數(shù)轉換模塊選用方案三――逐次逼近型 A/D 轉換器（ ADC0809） 2 。單片機的集成度高、體積小、可靠性好、控制功能強、工作電壓低、功耗低、易擴展、價格低，對于本設計而言，單片機是較理想的控制器。液晶分子是介于固體和液體之間的一種棒狀結構的大分子物質，在自然形態(tài)，具有光學各向異性的特點，在電 磁 場作用下，呈各向同性特點。液晶面板的電極是通過一種 ITO 的金屬化合物蝕刻在上下玻璃基板上。在上下基板間的電壓為 0 時，自然光通過偏振片后，只有與偏振片方向相同的光線得以進入液晶分子的螺旋結構的涂層中，由于螺旋結構的旋光性，將入射光線的方向旋轉 90 度后照射另一端的偏振片上，由于上下偏振片的偏振角度相互垂直，這樣入射光線通過另一端的偏振片完全的射出，光線完全進入觀察 者的眼中，看到的效果就為白色。這樣通過在上下玻璃基板電極間施加不同的交流電壓，即可實現(xiàn)液晶顯示的兩種基本狀態(tài)亮 On 和暗 Off 。 方案二：采用 LED 顯示 數(shù)碼管（ LED）是一種 半導體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。共陽極數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極 COM 的數(shù)碼管。當某一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。共陰數(shù)極碼管在應用時應將公共極 COM 接到地線 GND 上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應字段就點亮。數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 本設計對顯示要求不高，只需要顯示相應的數(shù)值，這兩種方案都能做到，但考慮到 LED 數(shù)碼管價格便宜，控制和編程簡單，故顯示模塊采用方案二實現(xiàn)。 信號處理模塊：整流電路和平波電路。 控制模塊：單片機。 3 硬件電路設計與元件選型 電壓電流采集模塊 電壓采樣 由于被測電壓是電壓較高的交流電，所以應該把它按比例的衰減成一個安全的同特性、不失真的交流小信號，這個過程在前面已經提到， 采用電壓互感器來實現(xiàn)。該器件的原理是電流型電壓互感器，即次級輸出的電流值大小與輸入的電壓成正比，所以次級電路不允許開路使用，使時在次級接入采樣電阻，電阻兩端的電壓就是被測電壓的一個采樣值。它的電阻法采樣如圖 所示： 圖 電流互感器采樣圖 TA141901 型電流互感器中間有一個通孔，應用時將待測電線穿過此孔，它輸出的小信號電流也是與輸入電流成線性比例的，使用時在輸出端串接電阻，即可采樣到電壓。 信號處理模塊電路設計 電壓檢測及處理 此模塊用于采樣被檢測電壓信號，最終的輸出量作為 ADC0809 輸入量進行模/數(shù)轉換，因此需要把模擬量轉換成數(shù)字量。終上所述，可以得到電壓處理模塊的框圖如圖 所示： 待測交流電壓信號 交流電壓小信號 交流輸出 直流輸出 ADC0809 輸入 圖 電壓信號處理原理框圖 電流檢測及處理 此模塊用于采樣被檢測電流信號，最終的輸出量作為 ADC0809 輸入量進行模/數(shù)轉換 ，因而和電壓模塊一樣都需要把模擬量轉換成數(shù)字量。終上所述，可以得到電流處理模塊的框圖如圖 所示： 待測交流電流信號 交流電壓小信號 交流輸出 直流輸出 ADC0809 輸入 圖 電流信號處理原理框圖 根據(jù)以上分析，本模塊需要的關鍵元器件有電壓互感器 TV1013電流互感器 TA14190運算放大器 LF35最大阻值 500 歐電位器等。故在此略去電流模塊電路圖。該模塊的主要功能是將信號處理模塊輸出的 05V 的直流電壓信號進行 A/D 轉換，并將轉換出來的結果送給單片機處理。 ADC0809 的主要特性： （ 1）它是具有 8 路模擬量輸入、 8 位數(shù)字量輸出功能的 A/D 轉換器。 （ 3）模擬輸入電壓范圍為 05V，不需零點和滿刻度校準。 ADC0809 的內部邏輯結構如圖 。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。 引腳結構見圖 ： 圖 ADC0809 引腳圖 ADC0809 主要控制信號引腳的功能如下： IN0－ IN7： 8 條模擬量輸入通道。對應 ALE 上跳沿， A、 B、 C 地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。 START 上升沿時，復位 ADC0809； START 下降沿時啟動芯片，開始進行 A/D 轉換；在 A/D 轉換期間， START 應保持低電平。 A、 B、 C：地址線。其地址狀態(tài)與通道對應關系見表 。 ADC0809 的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。 EOC：轉換結束信號。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標志，又可作為中斷請求信號使用。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的數(shù)據(jù)線直接相連。 OE：輸出允許信號。OE 0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻； OE 1，輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。 Vref：參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。 ADC0809 對輸入模擬量要求： 信號單極性，電壓范圍是 0～ 5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 ALE：地址鎖存允許輸入線，高電平有效。 A、 B 和 C 為地址輸入線，用于選通 IN0－ IN7 上的一路模擬量輸入。 表 ADC0809 通道選擇表 C B A 選擇的通道 0 0 0 IN1 0 0 1 IN2 0 1 0 IN3 0 1 1 IN4 1 0 0 IN5 1 0 1 IN6 1 1 0 IN7 1 1 1 IN8 ST：轉換啟動信號。 EOC 為轉換結束信號。 OE 為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。 D7－ D0 為數(shù)字量輸出線。因 ADC0809 的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為 500KHz。 ADC0809 的工作過程： （ 1）首先確定 ADDA、 ADDB、 ADDC 三位地址，決定選擇哪一路模擬信號； （ 2）使 ALE 端接受一正脈沖信號，使該路模擬信號經選擇開關到達比較器的輸入端； （ 3）使 START 接受一正脈沖信號， START 的上升沿將逐次逼近寄存器復位，下降沿啟動 A/D 轉換； （ 4） EOC 輸出信號變低，指示轉換正在進行； （ 5） A/D 轉換結束， EOC 變?yōu)楦唠娖?，指?A/D 轉換結束。此時 CPU 就可以通過使 OE 信號為高電 平，打開ADC0809 三態(tài)輸出，由 ADC0809 輸出的數(shù)字量傳送到 CPU。 （ 2）初始化時，使 ST 和 OE 信號全為低電平。 （ 4）判斷是否轉換完畢，根據(jù) EOC 信號來判斷。 數(shù) /模轉換模塊電路設計 通過以上學習，本模塊的設計方案如下： ADC0809 的時鐘信號由單片機的 ALE 引腳通過 分頻器送入。 ADC0809 的通道地址選通引腳 A、 B、 C 的控制。因此只要將地址引腳 A 用單片機一個引腳控制，地址引腳 B 和 C 直接接地就可以了，這樣滿足了功能又節(jié)省了單片機的 I/O 口。 ADC0809 通過 EOC 引腳輸出的信號告訴單片機數(shù)據(jù)轉換是否完成。單片機可以通過軟件查詢方式獲取此引腳信號，此引腳也可以通過硬件方式向單片機申請中斷，告訴單片機數(shù)據(jù)轉換已經完成。 ADC0809 的其它控制端 OE、 START、 ALE 等引腳可以用單片機的任一 I/O 端子進行控制。電路圖如圖 所示： 圖 模 /數(shù)轉換模塊電路圖 說明：由于 protues 軟件中沒有集成反相器 SN74F04N 和分頻芯片MC14024BDR2，電路圖中分別用 7405 和 74HC244 代替。單片機的使用方法和編程是本設計的重點和難點。 ATMEL 公司的 89 系列 51 單片機適合本設計選用，如 AT89C51， AT89C52， AT89S51， AT89S52 等等，考慮到AT89S51 和 AT89S52 單片機支持在線編程（ ISP）功能，且后者比前者多一個定時器，這對于編程有很大方便，且兩者價格幾乎相同，故本設計選用 AT89S52單片機。 GND：接地。作為輸出口，每位能驅動8 個 TTL 邏輯電平。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時， P0 口也被 作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復用。在 flash 編程時， P0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。 P1 口： P1 口是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 輸出緩沖器能驅動 4 個 TTL 邏輯電平。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。在flash 編程和校驗時， P1 口接收低 8 位地址字節(jié)。 ： T2EX（定時器 /計數(shù)器 T2 的捕捉 /重載觸發(fā)信號和方向控制）。 ： MISO（在系統(tǒng)編程用）。 P2 口： P2 口是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅動 4 個 TTL 邏輯電平。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。在這種應用中， P2 口使用很強的內部上拉發(fā)送 1。在 flash 編程和校驗時， P2 口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號。對 P3 端口寫“ 1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。 P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，各引腳號第二功能如下： ： RXD（串行輸入）。 ： INT0 外部中斷 0 。 ： T0（定時器 0 外部輸入）。 ： WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 。 RST: 復位輸入?？撮T狗計時完成后， RST 腳輸出 96 個晶振周期的高電平。 DISRTO 默認狀態(tài)下，復位高電平有效。在 flash 編程時，此引腳（ PROG）也用作編程輸入脈沖。然而，特別強調，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， ALE 脈沖將會跳過。這一位置“ 1”， ALE 僅在執(zhí)行 MOVX 或 MOVC 指令時有效。這個 ALE 使能標志位（地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位）的設置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。 當 AT89S52 從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時， PSEN 在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， PSEN 將不被激活。為使能從 0000H 到 FFFFH 的外部程序存儲器讀取指令， EA 必須接 GND。在 flash 編程期間， EA 也接收 12 伏 VPP 電壓。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。片上沒有定義的地址是不能用的。用戶不應該給這些未定義的地址寫入數(shù)據(jù)“ 1”。 定時器 2 寄存器：寄存器 T2CON 和 T2MOD 包含定時器 2 的控制位和狀態(tài)位，寄存器對 RCAP2H 和 RCAP2L 是定時器 2 的捕捉 /自動重載寄存器。 T2CON：定時器 /計數(shù)器