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有效值检波器

2011年春季西南交通大学大学生电子设计竞赛

设计报告

有效值检波器

2011年5月27日

有效值检波器

引言

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

单片机因为体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，被广泛应用于仪器仪表中。

目前市场上的便携式仪表大多都是以单片机为核心。

LCD1602为工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。

（16列2行）单片机加LCD1602液晶显示器，基本可以满足本次单片机控制的数显频率计的设计与制作。

ADC0832是NS（NationalSemiconductor）公司生产的串行接口8位A/D转换器，通过三线接口与单片机连接，功耗低，性能价格比较高，适宜在袖珍式的智能仪器仪表中使用。

ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

芯片具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。

独立的芯片使能输入，使多器件连接和处理器控制变得更加方便。

通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

一.方案认证

1.单片机部分：

考虑到电子设计竞赛的内容和设计的目的，决定选取STC89C52。

此单片机虽然属于低端机型，但足以满足设计的要求。

选取其它的高端机型有些浪费。

所以使用STC89C52。

2.显示部分：

此次电子设计大赛要求地显示部分能够完成数字和常用字符的显示。

若用数码管则只能显示0-F，不能显示其它的字符及符号。

所以不能用数码管。

而选用LCD1602恰好符合要求。

所以应用LCD1602。

3.A/D转换部分：

ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

芯片具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。

独立的芯片使能输入，使多器件连接和处理器控制变得更加方便。

通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

所以应用ADC0832。

二、硬件电路的设计

1.工作原理及系统框图

此次课程设计的要求如下：

一方面，单片机要通过I/O中接收输入信号，另一方面要通过I/O口控制液晶的初始化、显示方式以及要显示的字符。

因此，设计必须以单片机为核心，显示器为外围设备。

硬件上，单片机通过电路板电路与液晶显示电路相连；软件上，单片机要下载完整的程序对二者进行适时的控制。

单片机控制的数显频率计电路系统框图

从图中可以看出，单片机控制的有效值检波器的主要功能模块分为4类：

●液晶显示：

是指在单片机的控制下，液晶模块显示被测信号的频率与有效值。

●电源模块：

为单片机和液晶显示器提供工作电源。

●A/D模块：

将交流电压由模拟量转换为数字量。

●放大模块：

将微小交流电压量放大。

单片机电路主要是通过编写程序来控制硬件电路。

因此，可以通过改变程序，提高测量精度。

2.各部分电路设计

2.1单片机控制电路

单片机控制电路由STC89C52单片机、晶振时序电路、复位电路构成。

2.2.1单片机STC89C52

STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，STC89C52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

本次设计主要用到单片机4个I/O口中的3个，其中P3口及P1.0-P1.2与液晶显示器相接，18、19脚外界晶振电容为单片机提供时序。

2.2.2晶振时序电路

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

2.2.3复位电路

常见的复位电路有两种：

上电复位电路和开关复位电路，可根据电路的需要选择复位电路。

2.3液晶显示电路

字符型液晶显示模块LCD1602是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，其引脚功能如下表所示。

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

VSS

电源地

DataI/O

VDD

电源正极

DataI/O

液晶显示偏压信号

DataI/O

数据/命令选择端（H/L）

DataI/O

R/W

读写选择端（H/L）

DataI/O

使能信号

DataI/O

BLA

背光源正极

DataI/O

BLK

背光源负极

读状态：

输入:

RS=L,RW=H,E=H输出：

D0～D7=状态字

写指令：

输入:

RS=L,RW=L,D0～D7=指令码，E=高脉冲输出：

无

读数据：

输入:

RS=H,RW=H,E=H输出：

D0～D7=数据

写数据：

输入:

RS=H,RW=L,D0～D7=数据，E=高脉冲输出：

无

根据1602液晶显示器的读写时序操作，编写相应的单片机驱动程序，便可以实现液晶显示器的显示输出。

2.4A/D转换电路

ADC0832有DIP和SOIC两种封装，DIP封装的ADC0832引脚排列如图所示。

各引脚说明如下：

CS——片选端，低电平有效。

CH0，CH1——两路模拟信号输入端。

DI——两路模拟输入选择输入端。

DO——模数转换结果串行输出端。

ADC0832引脚图

CLK——串行时钟输入端。

Vcc/REF——正电源端和基准电压输入端。

GND——电源地。

2.4电压放大及整流电路

在本设计中，采用LM324运放组成放大电路，对微量交流电压信号进行放大。

同时，对交流信号全波整流。

三、系统的软件设计

软件调试主要是编写相应的程序，在电路仿真软件上仿真，直至到预期效果。

1.程序框图

主程序及各子程序的框图见图。

主程序框图LCD程序流程图

2.程序清单

根据程序流程图，编写相应的子程序和主程序。

程序清单见附录3。

四、测试数据

1.同一频率在不同电压时的测量。

40mV

100mV

500mV

20Hz

0.0%

50Hz

0.0%

100Hz

100

0.0%

107

101

100

101

200Hz

199

0.5%

204

200

199

0.5%

199

0.5%

500Hz

526

5.2%

499

0.2%

499

0.2%

499

0.2%

498

0.4%

1kHz

1004

0.4%

998

0.2%

998

0.2%

999

0.1%

998

0.2%

2kHz

1995

0.2%

1997

0.1%

1993

0.3%

1995

0.2%

1998

0.1%

5kHz

4990

0.2%

4999

0.1%

4986

0.3%

4990

0.2%

4983

0.4%

10k

9976

0.2%

9986

0.1%

9992

0.1%

9982

0.1%

9975

0.2%

20k

19987

0.6%

19978

0.7%

19994

0.1%

19986

0.6%

19955

100k

99967

0.1%

99936

0.1%

99967

0.1%

99957

0.1%

99849

0.1%

误差平均在0.2%以内。

2.同一电压在不同频率时的测量。

10Hz

100Hz

1000Hz

10KHz

50KHz

50mV

50.8

1.4%

50.8

1.4%

50.4

1.4%

100mV

106.4

6.4%

106

104

16%

200mV

213

6.5%

210

204

201

0.5%

189

5.5%

500mV

502

0.4%

500

458

8.2%

1.03

1.02

1.01

0.92

2.1

0.5%

2.04

2.01

0.5%

1.94

1.85

7.5%

5.08

1.6%

5.00

4.92

1.6%

4.76

2.8%

4.52

9.6%

20V

18.5

0.7%

误差平均在3%以内。

五．心得体会

在这次电子设计竞赛中我们使用了STC89C52单片机。

这让我对于单片机有了更多的了解。

同时在找资料的过程中学到了许多单片机课本上没有讲到的知识。

在这次电子设计竞赛过程中，我们通过在原有的输入系统进行了改进，使之测量频率和电压有效值精度更高，使之成为一个更加适用，功能更加完备的属于自己的一个系统。

在这个过程中让我对于C语言的编写有了更深入的体会。

在这次电子设计竞赛中，虽然花费了大量的时间和精力，但我却学到了许多在理论课程中无法学到的知识。

最重要的是让我懂得了合作的重要性，学会了如何与人更好的合作。

六、参考文献

[2]　李广弟.单片机基础［Ｍ］.北京：

北京航空航天大学出版社，1994

[3]　阎石.数字电子技术基础（第三版）.北京：

高等教育出版社，1989

1版

[6]张毅刚等编著.《单片机原理及应用》.北京：

高等教育出版社.2004年1月第1版

附录1电路简图

附录2元器件清单

元器件

描述

数量

STC89C52

单片机

液晶显示器

LCD1602

按键开关

电阻

100

电容

342uF

晶振

11.0592MHz

ADC0832

电路板

10mm铜柱

10mm

LM324

电位器

103，104

拨码开关

6合1

指示灯

红色

二极管

IN4007

附录3程序清单：

#include//包含单片机寄存器的头文件

#include//包含_nop_（）函数定义的头文件

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

sbitCS=P1^2;//将CS位定义为P3.4引脚

sbitCLK=P1^0;//将CLK位定义为P1.0引脚

sbitDIO=P1^1;//将DIO位定义为P1.1引脚

unsignedcharcodedigit[10]={"0123456789"};//定义字符数组显示数字

unsignedcharcodeStr[]="Volt=";//说明显示的是电压

//以下是对液晶模块的操作程序

sbitRS=P2^0;//寄存器选择位，将RS位定义为P2.0引脚

sbitRW=P2^1;//读写选择位，将RW位定义为P2.1引脚

sbitE=P2^2;//使能信号位，将E位定义为P2.2引脚

sbitBF=P0^7;//忙碌标志位，，将BF位定义为P0.7引脚

//频率

ucharcodetable1[]="Freq=Hz";

unsignedcharcode

table2[]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39};

bitflag;//定义标志位，确定是否到了1s

unsignedlongx;

ucharT0count;//从T0的计数单元中读取计数的数值

uchartimecount;

voiddelay（uintz）

{

uintx,y;

for（x=z;x>0;x--）

for（y=110;y>0;y--）;

}

voidwrite_date（uchardate）//写数据

{

P0=0xFF;

delay（5）;

RS=1;

E=0;

P0=date;

delay（5）;

E=1;

delay（5）;

E=0;

}

voidwrite_com（ucharcom）

{

P0=0xFF;

delay（5）;

RS=0;

E=0;

P0=com;

delay（5）;

E=1;

delay（5）;

E=0;

}

voidinit（）//写位

{

ucharnum;

E=0;write_com（0x80+0x40）;

for（num=0;num<16;num++）

{

write_date（table1[num]）;

delay（5）;

}

voidLcdPos（ucharxPos,ucharyPos）

//设置第（xPos,yPos）个字符的DDRAM地址

{unsignedchartmp;

xPos&=0x0f;//x位置范围是0~15

yPos&=0x01;//y位置范围是0~1

if（yPos==0）//显示第一行

tmp=xPos;

else

tmp=xPos+0x40;

tmp|=0x80;

write_com（tmp）;

}

voidwrite_char（ucharc,ucharxPos,ucharyPos）

{

LcdPos（xPos,yPos）;

write_date（c）;

}

voiddelay1ms（）//函数功能：

延时1ms

{

unsignedchari,j;

for（i=0;i<10;i++）

for（j=0;j<33;j++）;

}

voiddelaynms（unsignedcharn）//函数功能：

延时若干毫秒，入口参数：

{

unsignedchari;

for（i=0;i

delay1ms（）;

}

bitBusyTest（void）//函数功能：

判断液晶模块的忙碌状态

{

bitresult;

RS=0;//根据规定，RS为低电平，RW为高电平时，可以读状态

RW=1;

E=1;//E=1，才允许读写

_nop_（）;//空操作

_nop_（）;

_nop_（）;//空操作四个机器周期，给硬件反应时间

result=BF;//将忙碌标志电平赋给result

E=0;//将E恢复低电平

returnresult;

}

//函数功能：

将模式设置指令或显示地址写入液晶模块

voidWriteInstruction（unsignedchardictate）

{

while（BusyTest（）==1）;//如果忙就等待

RS=0;//根据规定，RS和R/W同时为低电平时，可以写入指令

RW=0;

E=0;//E置低电平（根据表8-6，写指令时，E为高脉冲，

_nop_（）;

_nop_（）;//空操作两个机器周期，给硬件反应时间

P0=dictate;//将数据送入P0口，即写入指令或地址

_nop_（）;

_nop_（）;//空操作四个机器周期，给硬件反应时间

E=1;//E置高电平

_nop_（）;

_nop_（）;//空操作四个机器周期，给硬件反应时间

E=0;//当E由高电平跳变成低电平时，液晶模块开始执行命令

}

voidWriteAddress（unsignedcharx）//函数功能：

指定字符显示的实际地址

{

WriteInstruction（x|0x80）;//显示位置的确定方法规定为"80H+地址码x"

}

voidWriteData（unsignedchary）//函数功能：

将数据（字符的标准ASCII码）写入液晶模块

{

while（BusyTest（）==1）;

RS=1;//RS为高电平，RW为低电平时，可以写入数据

RW=0;

E=0;//E置低电平（根据表8-6，写指令时，E为高脉冲，

P0=y;//将数据送入P0口，即将数据写入液晶模块

_nop_（）;

_nop_（）;//空操作四个机器周期，给硬件反应时间

E=1;//E置高电平

_nop_（）;

_nop_（）;//空操作四个机器周期，给硬件反应时间

E=0;//当E由高电平跳变成低电平时，液晶模块开始执行命令

}

voidLcdInitiate（void）//函数功能：

对LCD的显示模式进行初始化设置

{

delaynms（15）;//延时15ms，首次写指令时应给LCD一段较长的反应时间

WriteInstruction（0x38）;//显示模式设置：

16×2显示，5×7点阵，8位数据接口