交流电压与频率测试仪毕业设计论文Word下载.docx
《交流电压与频率测试仪毕业设计论文Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《交流电压与频率测试仪毕业设计论文Word下载.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
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位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
3.2频率信号预处理电路
单片机是数字信号处理工具。
输入单片机的信号必需是离散的数字信号或者是脉冲信号。
因此检测来的正弦信号必需经过预处理变为单片机能接受的，且是采集简便，计算工作量较少的信号。
首先将信号通过滤波器滤去高频干扰和低频漂移信号，同时也进行线性放大、使之变为一波形正规、幅值适当的正弦信号，然后经过整形电路变为方波信号进入单片机。
由单片机来处理后送到显示器进行直观显示。
频率信号的预处理电路如图3.2所示。
图3.2频率信号预处理电路
3.2.1降压电路
交流电要经过变压器件降压后才可以通过放大、整形电路将信号送入单片机进行处理。
本设计因为要将信号送入ADC0809进行A/D转换，而ADC0809的模拟输入电压范围为0～＋5V所以要将交流电压降到5V内，本电路中用的变压器的变比系数为：
，所以根据变比系数设定好电感值就做到达到线性降压，电路如图3.3所示。
图3.3降压电路
3.2.2放大电路
此电路采用高速、宽频带运放OP37，并采用负反馈电路，由负反馈放大电路的原理可知放大倍数n=R4/R5=10。
所以此电路将信号的放大倍数为10倍。
OP37最高工作频率可达63MHz（见图3.4所示）。
图3.4小信号放大电路
3.2.3整形电路
波形变换和波形整形电路实现把正弦波样的正负交替的信号波形变换成可以被单片机接受的TTL/COMS兼容信号。
本设计采用555构成的施密特触发器作为整形电路。
整形电路将正弦波转化为5V的方波信号，供单片机进行频率测量。
电路如图3.5所示。
图3.5整形电路
施密特触发器用于波形变换和整形，有着极为广泛的应用。
图3.6是555构成的基本的施密特触发器电路对不同信号的整形、变换波形。
图3.6施密特触发器对波形整形的原理图
555可以看成一个R-S触发器，它的位置电平VT-≤1/3VDD，而其复位电平VT+≥2/3VDD（阀值电平）。
因此，设置R1=R2=10kΩ，使得2、6脚的偏置电压在1/2VDD介于两个阀值电平之间。
如图3.4a所示，当输入的正弦波电压的瞬时的电压低于1/3VDD时，555置位，输出呈高电平；
而当瞬时电压高于2/3VDD复位，输出呈低电平。
在输出端得到规则的矩形脉冲，对波形进行了变换和整形。
脉冲信号再传输过程中前后沿产生了振颤或震荡，使用施密特触发器，可以进行整形，如图3.6c、3.6d。
3.3A/D转换电路
单片机本身只能识别和处理一种离散的数字信号，而在实际的控制系统中，需要监测和控制的是一些电压、电流等随时间连续变化的电物理量，所以为了实现单片机对一个应用系统的控制和检测，A／D转换电路是必不可少的设计环节。
本设计A/D转换器采用主次逼近型8位A/D转换芯片ADC0809，芯片的管脚图如图3.7所示。
图3.7ADC0809芯片管脚图
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。
它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成（见图1）。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片
3.4晶振电路部分
AT89C52芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。
反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。
电容C1和C2通常取30pF左右，可以稳定频率并对振荡频率有微调作用。
在本设计中选用的是12MH的石英晶振和33pF的电容。
电路如图3.8所示。
图3.8晶振电路
3.5LCD显示电路
系统的显示电路如下图3.9所示。
图3.9显示电路
3.5.1LCD选型
液晶显示器件（LCD）独具的低压、微功耗特性使他在单片机系统中特得到了广泛的应用，常用的液晶显示模块分为数显液晶模块、点阵字符液晶模块和点阵图形液晶模块，其中图形液晶模块在我国应用较为广泛，因为汉字不能象西文字符那样用字符模块即可显示，要想显示汉字必须用图形模块。
LM041L的字符型液晶显示器如图3.10所示。
图3.10LCD管脚图
3.5.2接口说明
LM041L的字符型液晶显示器各引脚的功能如表3.1所示。
表3.1LCD接口说明表
管脚号
管脚
电平
说明
1
VSS
0V
逻辑电源地
2
VDD
5.0V
3
VEE
LCD驱动电源
4
RS
H/L
数据\指令选择：
高电平：
数据D0-D7将送入显示RAM；
低电平：
数据D0-D7将送入指令寄存器执行
5
R/W
读\写选择：
高电平：
读数据；
写数据
6
E
读写使能，高电平有效，下降沿锁定数据
7
DB0
数据输入输出引脚
8
DB1
9
DB2
10
DB3
11
DB4
12
DB5
13
DB6
14
DB7
3.6电源电路的设计
直流电源电路一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成。
如图3.11所示。
图3.11直流稳压电源基本组成框图
电源变压器的作用是将电网220V的交流电压变成整流电路所需要的电压U1。
整流电路的作用是将交流电压U1变换成脉动的直流U2，它主要有半波整流、全波整流方式，可以由整流二极管构成整流桥堆来执行，常见的整流二极管有IN4007、IN5148等，桥堆有RS210等。
滤波电路作用是将脉动直流U2滤除纹波，变成纹波小的U3，常见的电路有RC滤波、KL滤波、∏型滤波等，常用的选RC滤波电路。
其中它们的关系为：
其中，n分别为变压器的变比。
每只二极管或桥堆所承受的最大反向电压
对于桥式整流电路，每只二极管的平均电流
RC滤波电路中，C的选择应适应下式，即RC放电时间常数应满足：
RC=（3～5）T/2
式中T为输入交流信号周期；
R整流滤波电路的等效负载电阻。
稳压的作用是将滤波电路输出电压经稳压后，输出较和稳定的电压。
常见的稳压电路有三端稳压器、串联式稳压电路等。
常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波、倍压整流滤波电路如图3.12所示。
图3.12常见整流滤波电路
电源原理如图3.13所示。
图3.13电源电路
原理说明：
首先交流电通过整流变压器把220V的交流电变成5V的交流电，然后通过整流桥，将交流变成直流，然后通过电容滤波，使电压变得平稳，然后通过集成稳压器LW7812和LW7912，最后得到±
5V稳定电压。
3.7串口通信电路
51单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和计算机之间可以方便地进行串口通讯。
进行串行通讯时要满足一定的条件，比如计算机的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们采用了专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。
我们采用了三线制连接串口，也就是说和计算机的9针串口只连接其中的3根线：
第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。
这是最简单的连接方法，但是对我们来说已经足够使用了，电路如下图所示，MAX232的第10脚和单片机的11脚连接，第9脚和单片机的10脚连接，第15脚和单片机的20脚连接。
图3.14串口通信电路
串行通信是指数据按位顺序传送的通信。
串行数据传送的特点是：
通信线路简单，最多只需一对传输线即可实现通信，成本低但速度慢，其通信线路既能传送数据信息，又能传送联络控制信息；
它对信息的传送格式有固定要求，具体分为异步和同步两种信息格式．与此相应有异步通信和同步通信两种方式；
在串行通信中，对信息的逻辑定义与TTL不兼容，需要进行逻辑电平转换：
计算机与外界的数据传送大多是串行的，其传送的距离可以从几米到几千公里。
单片机中使用的串行通信通常都是异步方式的。
MCS-51内部的串行口，大大扩展了MSC-51的应用范围。
利用串行口可以实现MSC-51之间的点对点的串行通信、多机通信以及MSC-51与PC机间的单机或多机通信。
MSC-51串行口的输入、输出均为TTL电平。
这种以TTL电平串行输出数据的方式，抗干扰能力差，传输距离短。
为了提高串行通信的可靠性，增大串行通信的距离，一般采用标准串行接口，如RS-232C、RS-422A、RS-485等标准来实现串行通信。
RS-232C是异步通信中应用最广的标准串行接口，它定义了数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的串行接口标准，主要包括了有关串行数据的电气和机械方面的规定。
目前的PC机都配有标准的RS-232接口，RS-232C标准规定了25针连接器，但在实际应用中并不一定用到RS-232C的全部信号线，所以，PC机配置的都是9针“D”型连接器。
图为RS-232C的“D”型9针插口的引脚定义。
在通常的异步串行通信中只使用其中三个引脚，即引脚2（接收RXD）、引脚3（发送TXD）、引脚5（信号地SG）．各引脚功能如图3.15所示．
图3.15九针串口引脚功能图
PC机的RS-232C接口信号
表3.2RS-232C接口信号表
引脚号
符号
方向
功能
1
DCD
输入
数据载体检测
2
TXD
输出
发送数据
3
RXD
接收数据
4
DTR
数据终端准备好
5
GND
信号地
6
DSR
数据通信设备准备好
7
RTS
请求发送
8
CTS
清除发送
9
RI
振铃指示
RS-232主要用来定义各电路数据终端之间的电气性能。
RS-232接口总线适用于设备之间的通信距离不大于15米，传输速度最大为20Kbit/s。
由于TTL电平和RS-232C电平互不兼容，所以两者对接时，必须进行电平转换。
RS-232C与TTL电平转换最常用的芯片是MC1488、MC1489和MAX232等，各个生产的此类芯片虽然不一样，但原理相似。
以美国MAXIM公司的产品MAX232为例，它是RS-232C双工发送器/接收器接口电路芯片，其外部引脚如图3.18所示。
RS-232规定了自己的电气标准，由于它是在TTL电路之前研制的，因此它的电平不是+5V和地，而是采用负逻辑，即逻辑“0”：
+5V~-5V，逻辑“1”：
-5V~-15V。
因此RS-232不能和TTL电平直接相连，必须进行电平转换。
本设计选用MAX232。
MAX232的引脚图如图3.16所示。
图3.16MAX232的引脚图
管脚说明如下：
1C0+、C0-、C1+、C1-是外接电容端；
②R1IN、R2IN是2路RS-232C电平信号接收输入端；
③RlOUT、R2OUT是2路转换后的TTL电平接收信号输出端，送8051的RXD接收端；
④TlIN、T2IN是2路TTL电平发送输入端，接8051的TXD发送端；
⑤TlOUT、T2OUT是2路转换后的发送RS-232C电平信号输出端，接传输线；
⑥V+经电容接电源+5V；
⑦V-经电容接地。
这种连接的传输介质一般采用双绞线，通信距离一般不超过15m，传输率小于20kB/s。
PC机有两个标准的RS-232串行口，其电平采用的是EIA电平，而单片机的
串行通信是由T）（D（发送数据）和R如（接收数据）来进行全双工通信的，它们的电平是TTL电平，为了Pc机与单片机之间能可靠地进行串行通信，需要用电平转换芯片。
由于MCl488和MCl489需要±
12V，+5v电源供电，故采用MAXIM公司生产的低功耗．单电源的MAX232芯片，因为它自身带有电源电压变换器。
可以把+SV电源变换成RS一232输出电平所需的±
IOV电压，能实现RS一232的技术指标，并只需要+5V的电源，为串行通信带来了较好的性能和低廉的价格。
4系统控制软件设计
4.1系统软件框图
系统软件设计采用模块化设计方法。
整个系统由初始化模块、显示模块和信号频率测量模块和电压测量模块等各种功能模块组成。
上电后，进入系统初始化模块，系统软件开始运行。
在执行过程中，根据运行流程分别调用各个功能模块完成频率的多周
升级会员 