毕业设计（论文）-基于单片机的低电网电压频率监测系统设计.doc

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摘要 II

Abstract III

第一章绪论 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

1.4抗干扰设计 2

第二章系统概述 3

2.1电压/频率的测量方法 3

2.1.1频率的测量原理 3

2.1.1.直接测频法 3

2.1.2.2电压-时间变化型（V/F）转换法（间接测量法） 6

2.3系统总体框图 7

第三章系统硬件电路的设计 9

3.1单片机处理控制电路 9

3.2频率信号预处理电路 10

3.2.1降压电路 10

3.2.2放大电路 10

3.2.3整形电路 11

3.4A/D转换电路 12

3.5看门狗电路部分 14

3.6数码管显示电路 15

3.7电源电路的设计 18

3.8串口通信电路 20

第四章系统控制软件设计 23

4.1系统软件框图 23

4.2频率测量子流程图 24

4.3A/D转换子流程图 25

4.4显示子程序 26

4.5延时子程序 27

4.5PROTEUS仿真实验 28

第五章误差分析 29

5.1“±1”误差 29

5.2时基稳定误差 29

5.3周期测量法的误差 29

5.4多周期同步法的误差 30

5.5进一步提高频率测量精度的方案 31

参考文献 33

总结体会 34

致谢 35

附录 36

摘要

在电力系统当中，信号频率在测量系统和技术研究以及工业运用中占有很大的比重，电网频率（F）在电能的运输以及生产的过程中占到举足轻重的地位，同时也为电力测量的指标参数。

电力系统频率的变化直接反应了电力负荷的变化。

那么提高电网系统中低压的频率检测，将会提高运行效率与监控效率。

本设计以51单片机AT89C52的芯片为硬件的核心，并以A/D转换为核心，采用的A/D转换芯片为AD0809芯片，将采集到的数据在数码管上显示，能过实现低压电网频率的实事监控。

该设计利用数字检测系统来得到电流以及电压的相位差，并利用单片机获取频率并在数码管上显示，本文设计的装置有以下特点：

时间响应短、对外抗干扰能力好、精度较高的特点，本设计中将频率测量运用在低电压电网中，把测得的频率数值送入显示电路里进行显示。

本文从频率计的原理出发，介绍了基于单片机的数字频率计的设计方案，最后在PROTEUS软件中进行元器件搭载并进行仿真得到结果。

关键词：

51单片机；低压电频率；PROTEUS软件;AT89C52；A/D转换

Abstract

Inthepowersystem,Thesignalfrequencyhasalargeproportioninthemeasurementsystemandtechnologyresearchandindustrialapplication,thepowerfrequency（F）toplayadecisiverolepositioninthetransportofelectricenergyandtheprocessofproduction,butalsoforthemeasurementofpowerparameters.Thechangeofpowersystemfrequencydirectlyreflectsthechangeofpowerload.Howtoimprovethedetectionfrequencyoflowvoltagepowersystem,willimprovetheoperationefficiencyandefficiencymonitoring.Thisdesignisbasedon51single-chipAT89C52chipasthecoreofthehardware,andA/Dconversionasthecore,usingtheA/DconversionchipAD0809chip,thecollecteddatawillbedisplayedonthedigitaltube,torealizethepracticalmonitoringlowvoltagepowergridfrequency.Thedesignistheuseofdigitaldetectionsystemtoobtainthecurrentandvoltageofthephasedifference,andtheuseofsingle-chipfrequencyacquisitionanddisplayinthedigitaltube,thedevicehasthefollowingcharacteristics:

shortresponsetime,foreigninterferenceability,highprecision,thisdesignwillusefrequencymeasurementinlowvoltagepowergrid,Fromtheprincipleoffrequencymeter,thispaperpresentsadesignschemeofdigitalfrequencymeterbasedonmcu,intheendPROTEUSsoftwarecomponentsandthesimulationobtainedresults.

Keywords：

51singlechipcomputer；Lowvoltagefrequency；PROTEUSsoftware；AT89C52；ADTransformation

IV

第一章绪论

1.1问题的提出

信号作为最基本的参数，信号频率需要测评的范围也越来越大，在电力系统中，电网所需要的频率和变电站所输送的电力以及电力调度是供发电质量的重要指标，它也是电力测试中的重要参数。

我们知道频率的变化会引起电网电力负荷的变化，如何对电网频率有效的监控将对电力的传输以及电能的生产显得非常重要。

现在的社会是信息化社会，身边无时无刻不存在信息的交换，那么在信息化、数字化迅猛发展的情况下，工业系统（industrialsystem）中的信息化（informatization）和数字化（digital）也将带来巨大的发展。

微处理器、智能设备以及终端设备已经大量运用大工业系统中。

1.2设计的意义

现在的社会寸土寸金，很多设备都在一些狭小的区域内，然而在这些区域内要经常面对功能多、设备大小不均、量程不同的仪器表盘。

这些表盘占用空间，数据不易读取。

在紧急情况下容易产生较大的误差以及系统间的延时滞后情形，给工业操作带来了不小的困难，因此改变工业系统中的设备势在必行。

本设计将交流电的频率（F）和交流电的测量技术运用到电压频率的检测系统当中，这样可以大大提高设备间的工作效率

本设中电压（V）和频率（F）是反映电能质量的重要参数指标，在电网系统中，电压和频率的准确测量将直接影响单片机准确测量低电压频率的精确值。

从单片机采集到的频率可通过串口发送到电脑串口调试助手显示，这样能过只管的观察出他们之间的变换，或者直接通过单片机的LED数码管显示。

系统频率的变换，反应了电网符合的变化，因此如何对电网频率的进行高精度、快速的测量，在电力系统中的生产和调度显得尤其重要，也成为调整电网符合的重要参数之一。

1.3设计的主要内容

1.本设计的主要内容：

用单片机来测量电网中低电压的频率，完成采集频率以及控制误差的最基本的功能，通过单片机LED数码管观察所测的数据。

2.设计实现的主要功能

①制定相关的单片机硬件方案并对这些方案进行相关的优化；

②完成单片机各模块之间的关系；

③在51单片机测量频率等信号以及电路之间的设计；

④完成显示电路的设计；

⑤完成软件需求的系统分析。

3.设计的主要技术指标

①电压范围：

0-250V；

②频率范围：

0-5000HZ；

③检测周期：

≥20次／秒；

该设计主要是设计一个低电压电网中频率监控的数字频率计，它主要由以下几部分构成：

整形电路、控制电路以及显示电路这三部分构成了单片机测频率的核心部分，剩下的为测评的方法，本文主要使用的是测周法。

1.4抗干扰设计

系统的硬件部分采取的抗干扰措施如下：

1、为达到较好的抗噪声效果，在系统中将晶振，复位电路等容易产生噪声的元器件间隙拉小些，元器件经电容退耦后紧靠MCU单片机，并不要在晶振下方走信号线。

以保证拥有较好的抗电磁干扰能力。

2、电源输入接100K电容以及10~100uF电解电容进行退耦。

第二章系统概述

2.1电压/频率的测量方法

本设计中检测仪器以51单片机的AT89C52为测量核心，89C51这款芯片是一款高性能但是功耗很低的基于CMOS工业制造的8位微处理器，它有4K字节的存储器，根据相关知识，测量频率的方法比较多，在下文会重点介绍频率的测量发放。

2.1.1频率的测量原理

单片机应用系统当中，时常要对一个连续的脉冲信号进行测量。

然而工业测量中可能会测量转速、速度等直观的物理量，因为频率比较抽象，所以在单片机当中是由传感器转换成脉冲电信号，然后离散化。

对低电压频率的测量可直接用电子计数器直接测频，但是这种测量方法会带来±2误差，这些误差会导致测量结果的不准确，会给工业控制带来不可预测的危险。

所以，为了提高测量低频时的准确度，数字电路中采用的是测周法，所谓的测周法：

根据给定的的脉冲个数和它们之间的时间关系，测周法的公式：

TX=l/fX=t/N（2-1）

系统电路提供的标准时基信号为TS，闸门为被测信号的周期，标准世纪信号的计数公式为TX=nXTS。

利用AT89C52系列单片机，只需采用简单的程序控制就可测得对应的经过信号预处理的fX或TX。

C/T=1时，是将定时器/计数器设置为计数器模式，如果C/T位置为0的时候，那么定时器/计数器将被设置为定时器的模式。

图2.1AT89C52定时/计数器基本组成

2.1.1直接测频法

直接测频法较适用于中高频信号，它利用单片机内部给定的两个定时器和计数器来测量相关的频率，如果闸门信号的值为TX；单片机的两个定时器/计数器另一个作为计数器，记fX的变化次数为Nx，得公式fx=Nx/Tz。

测量原理如图2.7所示。

图2.2直接测频率测频原理图

计数法充分的利用单片机内部的两个定时器、计数器T0与T1,如下图其中T0被作为计数器，T1被作为定时器，其中T1的时基时间为1S，计数法测量频率时序如图2.8所示。

图2.3计数法设计软件流程图

同时利用计数器T0对P3.4口输入周期脉冲信号，当周期性脉冲信号的下降沿计数器T0将循环计数，再将累积计数值M送到单片机的数码管显示。

设计软件流程图如图2.9所示：

图2.4直接测频法原理框图

根据上面的原理图可以看到计数器的工作方式，当外部引脚的输入信号由低电平跳转到高电平，那么计数器T0的值将会自动加1，输入信号的频率能够在闸门信号的特殊控制下被测量。

定义51单片机的T0、T1如下：

T0为计数器，T1为定时器，TMOD寄存器中的工作方式控制位的值设为M1M0为01，那么就将T0、T1的工作方式均设为了1，因为外部输入的脉冲信号在每2个时钟中期内采集一次数据，所以脉冲信号所需