基于单片机的电压频率监测系统设计毕业设计.docx

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基于单片机的电压频率监测系统设计毕业设计

基于单片机的电压频率监测系统设计

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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，设计出电压频率监测系统，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监测。

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；

第一章绪论

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，设计出电压频率检测系统，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、电压的监测，而不用先找位置，再进行各种仪表体积、量程的对比确认，最后才进行观测参数的读取，简化了操作员操作过程，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.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。

2.设计实现的主要功能

提出系统的硬件方案和方案论证优化；

根据要求完成单片机的基本系统功能结构设计；

完成对电压、频率等信号的检测和接口电路的设计；

完成显示电路的设计；

完成软件需求的系统分析。

3.设计的主要技术指标

电压范围：

0-250V；

频率范围：

0-9999HZ；

检测周期：

≥１０次／秒；

测量精度：

电压≤±1V，频率≤±1HZ。

第二章系统概述

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频率的测量原理

交变信号或脉冲信号的频率是指在单位时间内由信号所产生的交变次数或脉冲个数，即fX=N/t。

可以看出测量fX必须将N或t两个量之一作为闸门或基准，对另一个量进行测量。

对fX的测量是由电路提供标准闸门信号即t=TZ，TZ通常为1s或它的十倍百倍等，然后对TZ内的被测信号变化的次数进行计数，得到NX，即可得到fX=NX/Tz。

对于低频信号，如果利用电子计数器直接测频，由于±1误差所引起的测频误差将会大到不可允许的程度，例如，fX=10Hz,T=1s,则由±1误差引起的测频误差可达10%。

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，即TX=l/fX=t/N。

由电路提供标准时基信号TS，将被测信号的周期作为闸门，将测量转化为对标准时基信号进行计数TX=nXTS。

利用51系列单片机，采用上述测量原理，标准闸门信号或标准时基信号可由单片机内的定时/计数器提供，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。

根据单片机AT89C52定时器/计数器T0方式1结构图（如图2.1）可知，T0计数脉冲控制电路中，有一个方式电子开关，当C/T=0时，方式电子开关打在上面，以振荡器的十二分频信号作为T1的计数信号，此时作为定时器用；C/T=1时，方式电子开关打在下面，此时以T0（P3.5）引脚上的输人脉冲作为T0的计数脉冲，此时可对外界脉冲进行计数。

C/T的状态可由T0的方式寄存器TMOD进行设置。

定时/计数器T1与之相类似。

图2.1AT89C52定时/计数器基本组成

2.1.1.1周期测量法

测周期法又称计时法，适用于低频信号。

是利用周期和频率之间互为倒数的关系，通过测量周期性矩形脉冲信号一个或多个周期的时间，取其一个周期的倒数即为该脉冲信号的频率。

测周法测量频率时序图如图2.2所示。

图2.2测周法测量频率时序图

将单片机的P3.2端口作为脉冲信号的输入端，利用中断方式，当外部中断INT0检测到第一个脉冲下降沿时，开启定时器T1，紧接着当检测到第二个脉冲下降沿时，关闭定时器T1，此时定时器内部累积的时间即为该脉冲的周期，取其倒数则可得到其频率。

而实际设计中，考虑到为了提高测量精度和保证测量数据的实时刷新，可根据不同的频率范围选择适当的周期数M，然后取其平均值来减少测量误差。

设计软件流程图如图2.3所示。

图2.3周期测量法流程图

多周期同步测量法综合运用了计数法和测周法，进一步提高了测量精度，充分利用了单片机内部的中断源，使被测信号与单片机内部时钟信号同步，实现了同步测量。

多周期同步法适用于中频信号。

其特点是标准频率信号不是用来填充待测信号的周期，而是与待测信号分别输入到两个计数器进行同步计数。

当单片机给出闸门关闭信号后，计数器并不立即停止计数而是等到被测信号上升沿到来的时刻才真正结束计数，完成一次测量过程（见图2.4）。

可以看出，实际闸门与参考闸门并不严格相等，但最大差值不超过被测信号的一个周期。

设对被测信号的计数值为Nx，对时基信号的计数值为N0，时基信号的频率为f0，则被测信号的频率为:

fx=Nx/N0f0。

图2.4多周期同步法测频原理图

同步法测量频率时序图如图2.5所示。

图2.5同步法测量频率时序图

将单片机的P3.2和P3.4端口同时作为脉冲信号的输入端，单片机工作于中断模式，当外部中断0检测到被测脉冲（P3.2口）其中一个下降沿时，同时去开启计数器T0和定时器T1，使T0对被测脉冲（P3.4口）进行累积计数，T1进行内部累积计时，并且关闭当前外部中断响应模式，此时做到了测量开始的同步。

直至设定的计数时间t1到，然后再重新打开外部中断，而此时并不会立即关闭计数器T0和定时器T1，而是要等到被测脉冲的下一个下降沿到来触发外部中断0响应后，再去同时关闭计数器T0和定时器T1，此时做到了测量结束的同步。

最后分别取出计数器T0中的计数值N和定时器T1的内部计时时间T1代入公式f=N/T1进行数据运算，送数码管显示被测脉冲频率。

定时器T1中的设定计数时间t1主要用来完成对测量数据刷新周期的控制，即每一次测量过程中对脉冲采集时间的设定，为了保证测量和显示的数据实时刷新，一般t1取0.5S到1S为佳。

设计软件流程图如图2.6所示。

图2.6多周期同步测量法的流程图

2.1.1.2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2.7所示。

图2.7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2.8所示。

图2.8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2.9所示：

图2.9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。

2.1.2电压测量方法

2.1.2.1A/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。

1.并行比较型A/D转换器

图2.10三位并行A/D转换器原理图

3位并行比较型A/D转换器原理电路如图2.10所示。

它由电阻分压器、电压比较器、寄存器及编码器组成。

图中的八个电阻将参考电压VREF分成八个等级，其中七个等级的电压分别作为七个比较器C1~C7的参考电压，其数值分别为VREF/15、3VREF/15、…13VREF/15。

输入电压为uI，它的大小决定各比较器的输出状态，例如，当0≤uI＜（VREF/15）时，C1~C7的输出状态都为0；当（3VREF/15）＜uI＜（5VREF/15）时，比较器C1和C2的输出C01=C02=1,其余各比较器输出状态都为0。

根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。

比较器的输出状态由D触发器存储，CP作用后，触发器的输出状态Q7~Q1与对应的比较器的输出状态C07~C01相同。

经代码转换网络（优先编码器）输出数字量D2D1D0。

优先编码器优先级别最高是Q7，最低是Q1。

设uI变化范围是0~VREF，输出3位数字量为D2、D1、D0，3位并行比较型A/D转换器的输入、输出关系如表2.1所示。

通过观察此表，可确定代码转换网络输出、输入之间的逻辑关系

D2=Q4

D1=Q6

在并行AD转换器中，输入电压uI同时加到所有比较器的输出端，从uI加入经比较器、D触发器和编码器的延迟后，可得到稳定的输出。

如不考虑上述器件的延迟，可认为输出的数字量是与uI输入时刻同时获得的。

并行A/D转换器的优点是转换时间短，可小到几十纳秒，但所用的元器件较多，如一个n位转换器，所用的比较器的个数为2n-1个。

表2.1并行比较型AD转换器的输入输出关系

模拟量输出

比较器输出状态

数字输出

C07C06CO5CO4CO3CO2CO1

D2D1D0

0≤uI

0000000

000

VREF/15≤uI<3VREF/15

0000001

001

3VREF/15≤uI<5VREF/15

0000011

010

5VREF/15≤uI<7VREF/15

0000111

011

7VREF/15≤uI<9VREF/15

0001111

100

9VREF/15uI<11VREF/15

0011111

101

11VREF/15uI<13VREF/15

0111111

110

13VREF/15≤uI

1111111

111

单片集成并行比较型AD转换器产品很多，如AD公司的AD9012（8位）、AD9002（8位）和AD9020（10位）等。

2.逐次逼近型A/D转换器的工作原理

图2.11逐次逼近型A/D转换器的工作原理图

逐次逼近转换过程和用天平称物重非常相似。

天平称重物过程是，从最重的砝码开始试放，与被称物体进行比较，若物体重于砝码，则该砝码保留，否则移去。

再加上第二个次重砝码，由物体的重量是否大于砝码的重量决定第二个砝码是留下还是移去。

照此一直加到最小一个砝码为止。

将所有留下的砝码重量相加，就得此物体的重量。

仿照这一思路，逐次逼近型A/D转换器，就是将输入模拟信号与不同的参考电压作多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量对应值。

对2.11的电路，它由启动脉冲启动后，在第一个时钟脉冲作用下，控制电路使时序产生器的最高位置1，其他位置0，其输出经数据寄存器将1000……0，送入D/A转换器。

输入电压首先与D/A转换器输出电压（VREF/2）相比较，如v1≥VREF/2，比较器输出为1，若v1

比较结果存于数据寄存器的Dn-1位。

然后在第二个CP作用下，移位寄存器的次高位置1，其他低位置0。

如最高位已存1，则此时v0=（3/4）VREF。

于是v1再与（3/4）VREF相比较，如v1≥（3/4）VREF，则次高位Dn-2存1，否则Dn-2=0；如最高位为0，则v0=VREF/4，与v0比较，如v1≥VREF/4，则Dn-2位存1，否则存0……。

以此类推，逐次比较得到输出数字量。

3.双积分型A/D转换器

双积分型A/D转换器属于间接型A/D转换器，它是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，例如时间T；然后再对中间变量量化编码，得出转换结果，这种AD转换器多称为电压-时间变换型（简称VT型）。

图2.12给出的是VT型双积分式AD转换器的原理图。

图2.12双积分型AD转换器的框图

转换开始前，先将计数器清零，并接通S0使电容C完全放电。

转换开始，断开S0。

整个转换过程分两阶段进行。

第一阶段，令开关S1置于输入信号Ui一侧。

积分器对Ui进行固定时间T1的积分。

积分结束时积分器的输出电压为：

（7.4）

可见积分器的输出UO1与UI成正比。

这一过程称为转换电路对输入模拟电压的采样过程。

在采样开始时，逻辑控制电路将计数门打开，计数器计数。

当计数器达到满量程N时，计数器由全“1”复“0”，这个时间正好等于固定的积分时间T1。

计数器复“0”时，同时给出一个溢出脉冲（即进位脉冲）使控制逻辑电路发出信号，令开关S1转换至参考电压-VREF一侧，采样阶段结束。

第二阶段称为定速率积分过程，将UO1转换为成比例的时间间隔。

采样阶段结束时，一方面因参考电压-VREF的极性与UI相反，积分器向相反方向积分。

计数器由0开始计数，经过T2时间，积分器输出电压回升为零，过零比较器输出低电平，关闭计数门，计数器停止计数，同时通过逻辑控制电路使开关S1与uI相接，重复第一步。

如图2.13所示。

因此得到：

即

式表明，反向积分时间T2与输入模拟电压成正比。

在T2期间计数门G2打开，标准频率为fCP的时钟通过G2，计数器对UG计数，计数结果为D，由于

T1=N1TCP

T2=DTCP

则计数的脉冲数为

计数器中的数值就是AD转换器转换后数字量，至此即完成了VT转换。

若输入电压UI1

，它们之间也都满足固定的比例关系，如图2.13所示。

图2.13双积分AD转换器波形图

双积分型A/D转换器若与逐次逼近型A/D转换器相比较，因有积分器的存在，积分器的输出只对输入信号的平均值有所响应，所以，它突出优点是工作性能比较稳定且抗干扰能力强；由式以上分析可以看出，只要两次积分过程中积分器的时间常数相等，计数器的计数结果与RC无关，所以，该电路对RC精度的要求不高，而且电路的结构也比较简单。

双积分型A/D转换器属于低速型AD转换器，一次转换时间在1~2ms，而逐次比较型A/D转换器可达到1s。

不过在工业控制系统中的许多场合，毫秒级的转换时间已经足足有余，双积分型A/D转换器的优点正好有了用武之地。

2.1.2.2V/F转换法

V/F转换法是将被测电压加到V/F转换器上,然后对输出的频率进行测量,后经单片机内部程序的换算转换为电压值。

有良好的精度、线性和积分输入特点，此外它的应用电路简单，外围元件要求不高，适应环境能力强，转速不低于一般的双积分A/D器件，且价格低，因此V/F转换技术广泛用于非快速A/D过程中。

电压/频率（V/F）转换器能把输入信号电压转换成相应的频率信号，即它的输出信号频率与输入信号电压值成比例，故又称为电压控制（压控）振荡器（VCO）。

从工作原理上看，压控振荡器大致可以分为三种类型：

施密特触发器型、电容交叉充放电型和定时型。

1.施密特触发器型压控振荡器

若将反相器输出的施密特触发器的输出电压经RC积分电路反馈到输入端，就能构成多谐振荡器。

如果改用一个由输入电压VI控制的电流源对输入端的电容反复充、放电，如图2.14a所示，则充、放电时间将随输入电压而改变。

这样就可以用输入电压控制振荡频率。

（a）电路结构（b）电压波形

图2.14施密特触发器型压控振荡器的原理性电路和电压波形

由图2.14b的电压波形可以看出，当充、放电电流I0增大时，充电时间T1和放电时间T2随之减小，故振荡周期缩短、震荡频率增加。

如果电容充和放电的电流相等，则电容两端的电压VA将是对称的三角波。

2.电容交叉充、放电型压控振荡器

图2.15是用CMOS电路构成的电容交叉充、放电型压控振荡器的原理图。

G1和G2用作电容充、放电的转换控制开关，而G1和G2的输出状态由触发器的状态来决定。

图2.15电容交叉充、放电型压控振荡器的原理图

电路的工作过程如下：

设接通电源后触发器处于Q=0的状态，则Tp1和TN2导通而TN1和Tp2截止，电流I0经Tp1和TN2自左向右地向电容Cex1充电。

随着充电过程的进行VA逐渐升高。

当VA升至G3的阈值电压VTH时，触发器状态翻转为Q=1，于是Tp1和TN2截止而TN1和Tp2导通。

电流I0转而经TN1和Tp2自右向左地向电容Cex1充电。

随着充电过程的进行VB逐渐升高。

当VB升至G4的阈值电压VTH以后，触发器又翻转为Q=0的状态，Cex1重新自左向右地充电。

如此周而复始，在输出端Vo就得到了矩形输出脉冲。

3.定时器型压控振荡器

现以LM331为例介绍定时器型压控振荡器的基本原理。

图2.16是LM331的电路结构简化图。

电路由两部分组成，一部分是用触发器、电压比较器（C1和C2）和放电管T3构成的定时电路，另一部分是用基准电压源、电压跟随器A和镜像电流源构成的电流源及开关控制电路。

图2.16LM331的电路结构框图

下面具体分析一下它的工作过程。

刚接通电源时CL和CT两个电容上没有电压，若输入控制电压VI为大于零的某个值，则比较器C1的输出为1而比较器C2的输出为0，触发器被置成Q=1状态。

Q端的高电平使T2导通，Vo=0。

同时镜像电流源输出端开关S接到引脚1一边，电流I0向CL开始充电。

而

端的低电平使T3截止，所以CT也同时开始充电。

当CT上的电压VcT上升到2/3Vcc时，则触发器被置成Q=0，T2截止，Vo=1。

同时开关S转接到地，CL开始向RL放电。

而

变为高电平后使T3导通，CT通过T3迅速放电至VCT≈0，并使比较器C2的输出为0。

当CL放电到VCL≤VI时，比较器C1输出为1，重新将触发器置成Q=1，于是VO又跳变成低电平，CL和CT开始充电，重复上面的过程。

如此反复，便在VO端得到矩形输出脉冲。

2.2系统方案选择

根据前面电压、频率的测量原理，以及本设计的技术指标，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