交流电压与频率测试仪 精品.docx

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摘要

随着信息化、数字化在各行各业的迅猛发展，工业系统中的信息化、数字化也将成为未来的发展趋势。

尤其在狭小的空间操作时，经常要面对功能众多、大小不等、量程各异的仪表盘，这些仪表盘不仅占用空间，而且不够直观，容易造成工作人员的误操作或反应滞后，给操作带来不必要的麻烦。

因此利用交流电频率、电压测量的技术，设计出电压频率测试系统，可以简化系统的操作空间，提高工作效。

本设计以单片机AT89C52为核心，结合外围信号放大、整形电路,通过对输出波形的计数和对模拟电压的采样、量化得到交流电频率和电压的数字量，将所得数据通过串行接口发送到上位机进行直观显示，很好的实现了对系统电压频率的测量。

设计结构简单、测量误差小，具有很高的实用价值。

关键词：

单片机；频率；电压；采样；AT89C52；AD0809；

Abstract

Withdigitalinformatizationintherapiddevelopmentofallwalksoflife,industrialsystemofinformatization,digitalwillalsobecomethefuturetrendofdevelopment.Especiallyinthenarrowspacewhenoperating,oftenfacemanyfunctions,sizes,differentrangeinstrumentpanel.Theseinstrumentpanelnotonlyoccupyaspace,andnotenoughintuitive,easytocausetheworkingstaffoftheincorrectoperationorreactionlag,giveoperatingcauseunnecessarytrouble.SousingACfrequencyandvoltagemeasurementtechnology,designthevoltagefrequencymonitoringsystem,maysimplifysystemoperationspace,improveworkefficiency.

ThisdesigntakingsinglechipcomputerAT89C52asacore，combiningtheperipherysignaltoenlargeandtheshapingcircuit,throughtotheoutputwaveformsofthecountandthesimulatedvoltagesampling,thequantitativegetacfrequencyandvoltagethedigitalquantity.Thesedataaresenttotheuppercomputerbyaseriesportandvisualdisplay，realizingthemonitoringofthefrequencyandvoltage.Designissimpleinstructure,measurementerrorsmall,hashighpracticalvalue.

Keywords：

singlechipcomputer；frequency；voltage；sampling；AT89C52；AD0809；

目录

1绪论1

1.1问题的提出1

1.2设计的意义1

1.3设计的主要内容1

1.3.1本设计的主要内容1

1.3.2设计实现的主要功能1

1.3.3设计的主要技术指标2

2系统概述3

2.1电压/频率的测量方法3

2.1.1直接测频法3

2.1.2A/D转换法5

2.2系统方案选择5

2.3系统总体框图5

3系统硬件电路的设计7

3.1单片机处理控制电路7

3.2频率信号预处理电路8

3.2.1降压电路8

3.2.2放大电路9

3.2.3整形电路9

3.3A/D转换电路10

3.4晶振电路部分11

3.5LCD显示电路12

3.5.1LCD选型12

3.5.2接口说明13

3.6电源电路的设计14

3.7串口通信电路15

4系统控制软件设计19

4.1系统软件框图19

4.2频率测量子流程图20

4.3A/D转换子流程图21

4.4显示子程序22

总结体会25

致谢27

参考文献28

外文资料29

中文翻译30

1绪论

1.1问题的提出

随着信息化、数字化在各行各业的迅猛发展，工业系统中的信息化、数字化也将成为未来的发展趋势。

计算机和智能仪器等各种设备已经大量进入各个领域。

尤其在狭小的空间操作时，经常要面对功能众多、大小不等、量程各异的仪表盘，这些仪表盘不仅占用空间，而且不够直观，在情况紧急时，容易造成工作人员的误操作或反应滞后，给操作带来不必要的麻烦。

因此利用交流电频率、电压测量的技术，设计出电压频率测试仪系统，可以简化系统的操作空间，提高工作效率。

1.2设计的意义

本设计提出一种进行交流电频率、电压测量的方法，以简化系统的操作空间。

使操作人员更加直观的进行系统供电频率、电压的测量，节省了操作时间。

电压和频率是反映电能质量的两个主要指标，本设计中介绍了电压、频率的测量原理以及如何利用单片机实现电压、频率的测量和将所得测量数据通过串行接口发送到上位机进行直观显示。

这种测量装置硬件结构简单、测量误差小、价格低，具有很高的实用价值，可以作为测试仪器使用，也可以作为监测装置的一部分。

1.3设计的主要内容

1.3.1本设计的主要内容

该设计主要用单片机设计电压频率测量系统，来完成对电压频率测量的基本功能，包括显示功能，传感器数据采集及处理功能和单片机系统与上位机通信的功能。

1.3.2设计实现的主要功能

①提出系统的硬件方案和方案论证优化；

②根据要求完成单片机的基本系统功能结构设计；

③完成对电压、频率等信号的检测和接口电路的设计；

④完成显示电路的设计；

⑤完成软件需求的系统分析。

1.3.3设计的主要技术指标

①电压范围：

500V,50V,5V；

②频率范围：

0-1000HZ；

③测量精度：

电压误差5%,频率误差1%

④设计控制电源电压5V，误差5%。

2系统概述

2.1电压/频率的测量方法

对于单片机为核心构成的检测仪器，测量电压、频率时有多种方法，一般根据不同的要求，采用不同的测量方法，这样可以提高测量的准确度。

更好的达到设计要求。

2.1.1直接测频法

适用于高频信号。

充分利用单片机内的两个定时/计数器。

一个作为定时器，给出标准闸门信号TX；另一个作为计数器，对fX的变化次数直接进行计数得Nx，得fx=Nx/Tz。

测量原理如图2.1所示。

图2.1直接测频率测频原理图

计数法测量频率是利用单片机内部两个定时器/计数器T0和T1，使一个工作在定时模式，另一个工作在计数模式下完成测量功能的。

计数法测量频率时序如图2.2所示。

图2.2计数法设计软件流程图

用定时器T1来产生一个1S的时钟基准，同时计数器T0对由P3.4口输入的周期性矩形脉冲信号的下降沿进行累积计数，再将累积计数值M送数码管显示。

设计软件流程图如图2.3所示：

图2.3直接测频法原理框图

在计数器工作方式下，加至外部引脚的待测信号发生从0到1的跳变时计数器加1，这样在定时闸门信号的控制下可以用来测量待测信号的频率。

将51单片机内的两个定时/计数器分别定义为：

T0为计数器，T1为定时器，均采用方式1，即方式控制字TMOD为#51H。

外部输入在每个机器周期被采样一次，检测一次从到的跳变需要个机器周期，所以最大计数频率为0.5MHz。

定时计数没有溢出的最大计数值为65535。

2.1.2A/D转换法

所谓A/D转换法就是将被测电压信号经过阻抗匹配,变成单片机可测量的电压范围,后经模数转换测得相应的电压值。

直接型A/D转换器可直接将模拟信号转换成数字信号，这类转换器工作速

度快。

并行比较型和逐次比较型A/D转换器属于这一类。

而间接型A/D转换器先将模拟信号转换成中间量（如时间、频率等），然后再将中间量转换成数字信号，转换速度比较慢。

双积分型A/D转换器则属于间接型A/D转换器。

逐次逼近型A/D转换器，在精度、转换速度和价格上都适中，是最常用的A/D转换器件。

双积分A/D转换器，具有高精度、抗干扰性好的、价格低廉等特点，但转换速度低。

2.2系统方案选择

根据本设计的技术指标，综合考虑电压、频率测量精度以及外测量范围、反应时间等等，频率测量选择用直接测频率法来测量，采用这种方法测量简单而且可以保证测量的准确度。

而对于电压测量则采用A/D转换法，用逐次型A/D转换器将模拟量转为数字量再将数字量送入单片机的方法来进行测量，这样可以达到更好达到测量的精度要求，同时也很好的利用了单片机的资源。

显示用LCD来显示，能更直观的显示电压、频率的值。

2.3系统总体框图

本设计以单片机AT89C52为核心，结合外围信号放大、整形电路,通过对输出波形的计数和对模拟电压的采样、量化得到交流电频率和电压的数字量，将所得数据通过串行接口发送到上位机进行直观显示，很好的实现了对系统电压频率的监测。

测量系统的硬件电路主要包含降压稳压电路、信号预处理电路、A／D转换电路以及单片机AT89C52处理控制电路、串口输出电路几部分构成，测量系统框图如图2.4所示。

图2.4电压、频率检测系统框图

系统电路的工作原理简述如下：

交流电压经过隔离变压器隔离降压、限流变为A/D转换器和单片机能接受电压范围，然后分成两路电压输入信号。

一路输入用于频率测量，输入信号经离散器件的分压、稳压处理，通过放大、滤波和整形电路，将输入的正弦波信号转换成5V的方波信号，然后送到单片机。

单片机接收外部脉冲，启动定时／计数器对方波信号进行定时计数，从而计算得出相应的频率值；另外一路输入用于电压测量值，输入信号经过分压被送到A／D转换部分，经过A/D转换芯片的转换，将输入的模拟量转换成数字量送到单片机P0口，得到量化电压值；同时，串口电路部分则负责将得到的频率值、电压值发送至上位机，从而，上位机对频率值和电压值进行直观的显示。

这样可以很好的实现本设计所要求的功能。

3系统硬件电路的设计

3.1单片机处理控制电路

测量电路选用AT89C52作为频率计的信号处理核心。

AT89系列单片机是美国ATMEL公司近年来推出的一种新型高性能低价位，低电压，低功耗的8位CMOS微型计算机。

它的显著优点是：

⑴内含FLASH存储器，这在系统的开发过程中，可随意进行程序修改，既便错误编程之后仍可以重新编程，故不存在废品且大大缩短了程序的开发周期；同时在系统工作过程中能有效地保存数据信息。

⑵采用静态时钟方式，节省电能，这对于降低便携式产品的功耗十分有利。

⑶由于它是以8031核构成的，所以它与MSC-51系列单片机相兼容，这对于熟悉MSC-51系列的广大用户来说，用AT89系列单片机取代51系列进行系统设计是轻而易举的。

图3.1AT89C52单片机引脚图

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8K×8的可反复擦写的FLASH只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理