基于單片機的電壓頻率監(jiān)測系統設計畢業(yè)設計

1、基于單片機的電壓頻率監(jiān)測系統設計目錄摘要iabstractii第一章 緒論11.1問題的提出11.2 設計的意義11.3 設計的主要內容1第二章 系統概述32.1 電壓/頻率的測量方法32.1.1頻率的測量原理32.1.1.1周期測量法42.1.1.2直接測頻法72.1.2電壓測量方法102.1.2.1 a/d轉換法102.1.2.2 v/f轉換法142.2方案選擇162.3系統框圖17第三章 系統硬件電路的設計173.1 單片機處理控制電路183.2 頻率信號預處理電路203.2.1小信號放大電路203.2.2整形電路213.4 a/d轉換電路223.5 復位電路部分263.6 晶振電路部分

2、283.7 lcd顯示電路293.7.1 lcd選型293.7.2 接口說明303.7.3 指令描述313.7.4 接口時序說明333.8 電源電路的設計353.9 串口通信電路37第四章 系統控制軟件設計414.1系統軟件框圖414.2 頻率測量子流程圖424.3 a/d轉換子流程圖444.4 顯示子程序454.5延時子程序46第五章 誤差分析475.1 1誤差475.2 時基誤差475.3 周期測量法的誤差485.4 多周期同步法的誤差485.5進一步提高頻率測量精度的方案49參考文獻51中英文翻譯52總結體會53致謝55附錄56圖目錄圖2. 1 at89c52定時/計數器基本組成3圖2.

3、 2 測周法測量頻率時序圖4圖2. 3 周期測量法流程圖5圖2. 4 多周期同步法測頻原理圖6圖2. 5 同步法測量頻率時序圖6圖2. 6 多周期同步測量法的流程圖7圖2. 7 直接測頻率測頻原理圖8圖2. 8 計數法設計軟件流程圖8圖2. 9 直接測頻法原理框圖9圖2. 10三位并行a/d轉換器原理圖10圖2. 11逐次逼近型a/d轉換器的工作原理圖12圖2. 12 雙積分型ad轉換器的框圖13圖2. 13 雙積分ad轉換器波形圖14圖2. 14 施密特觸發(fā)器型壓控振蕩器的原理性電路和電壓波形15圖2. 15 電容交叉充、放電型壓控振蕩器的原理圖15圖2. 16 lm331的電路結構框圖16

4、圖2. 17 電壓、頻率檢測系統框圖17圖3. 1 at89c52單片機引腳圖19圖3. 2 頻率信號預處理電路21圖3. 3 降壓電路22圖3. 4 小信號放大電路22圖3. 5整形電路23圖3. 6施密特觸發(fā)器對波形整形的原理圖23圖3. 7 adc0809芯片管腳圖24圖3. 8 adc0809內部結構圖25圖3. 9 x25045引腳圖27圖3. 10 x25045看門狗電路硬件連接圖28圖3. 11 晶振電路29圖3. 12顯示電路29圖3. 13 lcd管腳圖30圖3. 14 讀操作時序33圖3. 15 寫操作時序34圖3. 16直流穩(wěn)壓電源基本組成框圖35圖3. 17 常見整流濾

5、波電路36圖3. 18 電源電路36圖3. 19 串口通信電路37圖3. 20 九針串口引腳功能圖38圖3. 21 max232的引腳圖39圖4. 1系統總流程圖41圖4. 2頻率測量子流程圖43圖4. 3 a/d轉換子流程圖44圖4. 4 顯示流程圖46圖5. 1 原理波形圖49圖5. 2 量化時延原理50表目錄表2.1并行比較型ad轉換器的輸入輸出關系11表3.1 p3口的第二功能20表3.2 x25045指令及其含義28表3.3 x25045狀態(tài)寄存器28表3.4 lcd接口說明表30表3.5 ram地址映像表32表3.5 lcd接口時序表34表3.6 rs-232c接口信號表38表5.

6、1相對誤差49摘要隨著信息化、數字化在各行各業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)系統中的信息化、數字化也將成為未來的發(fā)展趨勢。尤其在狹小的空間操作時，經常要面對功能眾多、大小不等、量程各異的儀表盤，這些儀表盤不僅占用空間，而且不夠直觀，容易造成工作人員的誤操作或反應滯后，給操作帶來不必要的麻煩。因此利用交流電頻率、電壓測量的技術，設計出電壓頻率監(jiān)測系統，可以簡化系統的操作空間，提高工作效。本設計以單片機at89c52為核心，結合外圍信號放大、整形電路,通過對輸出波形的計數和對模擬電壓的采樣、量化得到交流電頻率和電壓的數字量，將所得數據通過串行接口發(fā)送到上位機進行直觀顯示，很好的實現了對系統電壓頻率的監(jiān)測。設計結

7、構簡單、測量誤差小，具有很高的實用價值。關鍵詞：單片機；頻率；電壓；采樣；at89c52；ad0809；abstractwith digital informatization in the rapid development of all walks of life, industrial system of informatization, digital will also become the future trend of development. especially in the narrow space when operating, often face many funct

8、ions, sizes, different range instrument panel. these instrument panel not only occupy a space, and not enough intuitive, easy to cause the working staff of the incorrect operation or reaction lag, give operating cause unnecessary trouble. so using ac frequency and voltage measurement technology, des

9、ign the voltage frequency monitoring system, may simplify system operation space, improve work efficiency.this design taking single chip computer at89c52 as a core，combining the periphery signal to enlarge and the shaping circuit, through to the output waveforms of the count and the simulated voltag

10、e sampling, the quantitative get ac frequency and voltage the digital quantity. these data are sent to the upper computer by a series port and visual display，realizing the monitoring of the frequency and voltage. design is simple in structure, measurement error small, has high practical value.keywor

11、ds：single chip computer；frequency；voltage；sampling；at89c52；ad0809；第一章 緒論1.1問題的提出 隨著信息化、數字化在各行各業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)系統中的信息化、數字化也將成為未來的發(fā)展趨勢。計算機和智能儀器等各種設備已經大量進入各個領域。尤其在狹小的空間操作時，經常要面對功能眾多、大小不等、量程各異的儀表盤，這些儀表盤不僅占用空間，而且不夠直觀，在情況緊急時，容易造成工作人員的誤操作或反應滯后，給操作帶來不必要的麻煩。因此利用交流電頻率、電壓測量的技術，設計出電壓頻率檢測系統，可以簡化系統的操作空間，提高工作效率。1.2 設計的意義

12、本設計提出一種進行交流電頻率、電壓測量的方法，以簡化系統的操作空間。使操作人員更加直觀的進行系統供電頻率、電壓的監(jiān)測，而不用先找位置，再進行各種儀表體積、量程的對比確認，最后才進行觀測參數的讀取，簡化了操作員操作過程，節(jié)省了操作時間。電壓和頻率是反映電能質量的兩個主要指標，本設計中介紹了電壓、頻率的測量原理以及如何利用單片機實現電壓、頻率的測量和將所得測量數據通過串行接口發(fā)送到上位機進行直觀顯示。這種測量裝置硬件結構簡單、測量誤差小、價格低，具有很高的實用價值，可以作為測試儀器使用，也可以作為監(jiān)測裝置的一部分。1.3 設計的主要內容1.本設計的主要內容：該設計主要用單片機設計電壓頻率測量系統，

13、來完成對電壓頻率測量的基本功能，包括顯示功能，傳感器數據采集及處理功能和單片機系統與上位機通信的功能。2.設計實現的主要功能提出系統的硬件方案和方案論證優(yōu)化；根據要求完成單片機的基本系統功能結構設計；完成對電壓、頻率等信號的檢測和接口電路的設計；完成顯示電路的設計；完成軟件需求的系統分析。3.設計的主要技術指標電壓范圍：0-250v；頻率范圍：0-9999hz；檢測周期：次秒；測量精度：電壓1v，頻率1 hz。第二章 系統概述2.1 電壓/頻率的測量方法對于單片機為核心構成的檢測儀器，測量電壓、頻率時有多種方法，一般根據不同的要求，采用不同的測量方法，這樣可以提高測量的準確度。更好的達到設計要

14、求。2.1.1頻率的測量原理交變信號或脈沖信號的頻率是指在單位時間內由信號所產生的交變次數或脈沖個數，即fx=n/t。可以看出測量fx必須將n或t兩個量之一作為閘門或基準，對另一個量進行測量。對fx的測量是由電路提供標準閘門信號即t=tz，tz通常為1s或它的十倍百倍等，然后對tz內的被測信號變化的次數進行計數，得到nx，即可得到fx=nx/tz。對于低頻信號，如果利用電子計數器直接測頻，由于1誤差所引起的測頻誤差將會大到不可允許的程度，例如，fx=10hz,t=1s,則由1誤差引起的測頻誤差可達10%。所以，為了提高測量低頻時的準確度，數字電路中采用的是測周法，即tx=l/fx=t/n。由電

15、路提供標準時基信號ts，將被測信號的周期作為閘門，將測量轉化為對標準時基信號進行計數tx=nxts。利用51系列單片機，采用上述測量原理，標準閘門信號或標準時基信號可由單片機內的定時/計數器提供，只需采用簡單的程序控制就可測得對應的經過信號預處理的fx或tx。根據單片機at89c52定時器/計數器t0方式1結構圖(如圖2.1)可知，t0計數脈沖控制電路中，有一個方式電子開關，當 c/t=0時，方式電子開關打在上面，以振蕩器的十二分頻信號作為t1的計數信號，此時作為定時器用；c/t=1時，方式電子開關打在下面，此時以t0 (p3.5)引腳上的輸人脈沖作為t0的計數脈沖，此時可對外界脈沖進行計數。

16、c/t的狀態(tài)可由t0的方式寄存器tmod進行設置。定時/計數器t1與之相類似。圖2. 1 at89c52定時/計數器基本組成2.1.1.1周期測量法測周期法又稱計時法，適用于低頻信號。是利用周期和頻率之間互為倒數的關系，通過測量周期性矩形脈沖信號一個或多個周期的時間，取其一個周期的倒數即為該脈沖信號的頻率。測周法測量頻率時序圖如圖2.2所示。圖2. 2 測周法測量頻率時序圖將單片機的p3.2端口作為脈沖信號的輸入端，利用中斷方式，當外部中斷int0檢測到第一個脈沖下降沿時，開啟定時器t1，緊接著當檢測到第二個脈沖下降沿時，關閉定時器t1，此時定時器內部累積的時間即為該脈沖的周期，取其倒數則可得

17、到其頻率。而實際設計中，考慮到為了提高測量精度和保證測量數據的實時刷新，可根據不同的頻率范圍選擇適當的周期數m，然后取其平均值來減少測量誤差。設計軟件流程圖如圖2.3所示。圖2. 3 周期測量法流程圖多周期同步測量法綜合運用了計數法和測周法，進一步提高了測量精度，充分利用了單片機內部的中斷源，使被測信號與單片機內部時鐘信號同步，實現了同步測量。多周期同步法適用于中頻信號。其特點是標準頻率信號不是用來填充待測信號的周期，而是與待測信號分別輸入到兩個計數器進行同步計數。當單片機給出閘門關閉信號后，計數器并不立即停止計數而是等到被測信號上升沿到來的時刻才真正結束計數，完成一次測量過程(見圖2.4)。

18、可以看出，實際閘門與參考閘門并不嚴格相等，但最大差值不超過被測信號的一個周期。設對被測信號的計數值為nx，對時基信號的計數值為n0，時基信號的頻率為f0，則被測信號的頻率為: fx=nx/n0f0 。 圖2. 4 多周期同步法測頻原理圖同步法測量頻率時序圖如圖2.5所示。圖2. 5 同步法測量頻率時序圖 將單片機的p3.2和p3.4端口同時作為脈沖信號的輸入端，單片機工作于中斷模式，當外部中斷0檢測到被測脈沖（p3.2口）其中一個下降沿時，同時去開啟計數器t0和定時器t1，使t0對被測脈沖（p3.4口）進行累積計數，t1進行內部累積計時，并且關閉當前外部中斷響應模式，此時做到了測量開始的同步。

19、直至設定的計數時間t1到，然后再重新打開外部中斷，而此時并不會立即關閉計數器t0和定時器t1，而是要等到被測脈沖的下一個下降沿到來觸發(fā)外部中斷0響應后，再去同時關閉計數器t0和定時器t1，此時做到了測量結束的同步。最后分別取出計數器t0中的計數值n和定時器t1的內部計時時間t1代入公式f=n/t1進行數據運算，送數碼管顯示被測脈沖頻率。定時器t1中的設定計數時間t1主要用來完成對測量數據刷新周期的控制，即每一次測量過程中對脈沖采集時間的設定，為了保證測量和顯示的數據實時刷新，一般t1取0.5s到1s為佳。設計軟件流程圖如圖2.6所示。圖2. 6 多周期同步測量法的流程圖2.1.1.2直接測頻法

20、適用于高頻信號。充分利用單片機內的兩個定時/計數器。一個作為定時器，給出標準閘門信號tx；另一個作為計數器，對fx的變化次數直接進行計數得nx，得fx=nx/tz。測量原理如圖2.7所示。圖2. 7 直接測頻率測頻原理圖計數法測量頻率是利用單片機內部兩個定時器/計數器t0和t1，使一個工作在定時模式，另一個工作在計數模式下完成測量功能的。計數法測量頻率時序如圖2.8所示。圖2. 8 計數法設計軟件流程圖用定時器t1來產生一個1s的時鐘基準，同時計數器t0對由p3.4口輸入的周期性矩形脈沖信號的下降沿進行累積計數，再將累積計數值m送數碼管顯示。設計軟件流程圖如圖2.9所示：圖2. 9 直接測頻法

21、原理框圖在計數器工作方式下，加至外部引腳的待測信號發(fā)生從0到1的跳變時計數器加1，這樣在定時閘門信號的控制下可以用來測量待測信號的頻率。將51單片機內的兩個定時/計數器分別定義為：t0為計數器，t1為定時器，均采用方式1，即方式控制字tmod為#51h。外部輸入在每個機器周期被采樣一次，檢測一次從到的跳變需要個機器周期，所以最大計數頻率為0.5mhz。定時計數沒有溢出的最大計數值為65535。2.1.2電壓測量方法 2.1.2.1 a/d轉換法所謂a/d轉換法就是將被測電壓信號經過阻抗匹配,變成單片機可測量的電壓范圍,后經模數轉換測得相應的電壓值。直接型a/d轉換器可直接將模擬信號轉換成數字信

22、號，這類轉換器工作速度快。并行比較型和逐次比較型a/d轉換器屬于這一類。而間接型a/d轉換器先將模擬信號轉換成中間量（如時間、頻率等），然后再將中間量轉換成數字信號，轉換速度比較慢。雙積分型a/d轉換器則屬于間接型a/d轉換器。逐次逼近型a/d轉換器，在精度、轉換速度和價格上都適中，是最常用的a/d轉換器件。雙積分a/d轉換器，具有高精度、抗干擾性好的、價格低廉等特點，但轉換速度低。1.并行比較型a/d轉換器圖2. 10三位并行a/d轉換器原理圖3位并行比較型a/d轉換器原理電路如圖2.10所示。它由電阻分壓器、電壓比較器、寄存器及編碼器組成。圖中的八個電阻將參考電壓vref分成八個等級，其中

23、七個等級的電壓分別作為七個比較器c1c7的參考電壓，其數值分別為vref/15、3vref/15、13vref/15。輸入電壓為ui，它的大小決定各比較器的輸出狀態(tài)，例如，當0 ui（vref/15）時，c1c7的輸出狀態(tài)都為0；當（3vref/15）ui（5vref/15）時，比較器c1和c2的輸出c01=c02=1,其余各比較器輸出狀態(tài)都為0。根據各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關系。比較器的輸出狀態(tài)由d觸發(fā)器存儲，cp作用后，觸發(fā)器的輸出狀態(tài)q7 q1與對應的比較器的輸出狀態(tài)c07 c01相同。經代碼轉換網絡(優(yōu)先編碼器)輸出數字量d2d1d0。優(yōu)先編碼器

24、優(yōu)先級別最高是q7，最低是q1。設ui變化范圍是0vref，輸出3位數字量為d2、d1、d0，3位并行比較型a/d轉換器的輸入、輸出關系如表2.1所示。通過觀察此表，可確定代碼轉換網絡輸出、輸入之間的邏輯關系 d2=q4d1=q6 在并行ad轉換器中，輸入電壓ui同時加到所有比較器的輸出端，從ui加入經比較器、d觸發(fā)器和編碼器的延遲后，可得到穩(wěn)定的輸出。如不考慮上述器件的延遲，可認為輸出的數字量是與ui輸入時刻同時獲得的。并行a/d轉換器的優(yōu)點是轉換時間短，可小到幾十納秒，但所用的元器件較多，如一個n位轉換器，所用的比較器的個數為2n-1個。表2.1并行比較型ad轉換器的輸入輸出關系模擬量輸出

25、 比較器輸出狀態(tài) 數字輸出c07 c06 co5 co4 co3 co2 co1 d2 d1 d00uivref/150 0 0 0 0 0 0 0 0 0vref/15ui3vref/150 0 0 0 0 0 10 0 13vref/15ui5vref/150 0 0 0 0 1 10 1 05vref/15ui7vref/150 0 0 0 1 1 10 1 17vref/15ui9vref/150 0 0 1 1 1 11 0 09vref/15ui11vref/150 0 1 1 1 1 11 0 111vref/15ui13vref/150 1 1 1 1 1 11 1 013vr

26、ef/15uivref1 1 1 1 1 1 11 1 1單片集成并行比較型ad轉換器產品很多，如ad公司的ad9012（8位）、ad9002（8位）和ad9020（10位）等。2. 逐次逼近型a/d轉換器的工作原理圖2. 11逐次逼近型a/d轉換器的工作原理圖逐次逼近轉換過程和用天平稱物重非常相似。天平稱重物過程是，從最重的砝碼開始試放，與被稱物體進行比較，若物體重于砝碼，則該砝碼保留，否則移去。再加上第二個次重砝碼，由物體的重量是否大于砝碼的重量決定第二個砝碼是留下還是移去。照此一直加到最小一個砝碼為止。將所有留下的砝碼重量相加，就得此物體的重量。仿照這一思路，逐次逼近型a/d轉換器，就是

27、將輸入模擬信號與不同的參考電壓作多次比較，使轉換所得的數字量在數值上逐次逼近輸入模擬量對應值。對2.11的電路，它由啟動脈沖啟動后，在第一個時鐘脈沖作用下，控制電路使時序產生器的最高位置1，其他位置0，其輸出經數據寄存器將10000，送入d/a轉換器。輸入電壓首先與d/a轉換器輸出電壓（vref/2）相比較，如v1vref/2，比較器輸出為1，若v1 vref/2，則為0。比較結果存于數據寄存器的dn-1位。然后在第二個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，則此時 v0=（3/4）vref。于是v1再與（3/4）vref相比較，如v1（3/4）vref，則次高位dn

28、-2存1，否則dn-2=0；如最高位為0，則v0=vref/4，與v0比較，如v1vref/4，則 dn-2位存1，否則存0。以此類推，逐次比較得到輸出數字量。3.雙積分型a/d轉換器雙積分型a/d轉換器屬于間接型a/d轉換器，它是把待轉換的輸入模擬電壓先轉換為一個中間變量，例如時間t；然后再對中間變量量化編碼，得出轉換結果，這種ad轉換器多稱為電壓-時間變換型（簡稱vt型）。圖2.12 給出的是vt型雙積分式ad轉換器的原理圖。圖2. 12 雙積分型ad轉換器的框圖轉換開始前，先將計數器清零，并接通s0使電容c完全放電。轉換開始，斷開s0。整個轉換過程分兩階段進行。第一階段，令開關s1置于輸

29、入信號ui一側。積分器對ui進行固定時間t1的積分。積分結束時積分器的輸出電壓為： (7.4)可見積分器的輸出uo1與ui成正比。這一過程稱為轉換電路對輸入模擬電壓的采樣過程。在采樣開始時，邏輯控制電路將計數門打開，計數器計數。當計數器達到滿量程n時，計數器由全“1”復“0”，這個時間正好等于固定的積分時間t1。計數器復“0”時，同時給出一個溢出脈沖（即進位脈沖）使控制邏輯電路發(fā)出信號，令開關s1轉換至參考電壓-vref一側，采樣階段結束。第二階段稱為定速率積分過程，將uo1轉換為成比例的時間間隔。采樣階段結束時，一方面因參考電壓-vref的極性與ui相反，積分器向相反方向積分。計數器由0開始

30、計數，經過t2時間，積分器輸出電壓回升為零，過零比較器輸出低電平，關閉計數門，計數器停止計數，同時通過邏輯控制電路使開關s1與ui相接，重復第一步。如圖2.13所示。因此得到： 即 式表明，反向積分時間t2與輸入模擬電壓成正比。在t2期間計數門g2打開，標準頻率為fcp的時鐘通過g2，計數器對ug計數，計數結果為d，由于 t1=n1tcp t2=dtcp 則計數的脈沖數為 計數器中的數值就是ad轉換器轉換后數字量，至此即完成了vt轉換。若輸入電壓ui1ui，uo1uo1，則，它們之間也都滿足固定的比例關系，如圖2.13所示。圖2. 13 雙積分ad轉換器波形圖雙積分型a/d轉換器若與逐次逼近型

31、a/d轉換器相比較，因有積分器的存在，積分器的輸出只對輸入信號的平均值有所響應，所以，它突出優(yōu)點是工作性能比較穩(wěn)定且抗干擾能力強；由式以上分析可以看出，只要兩次積分過程中積分器的時間常數相等，計數器的計數結果與rc無關，所以，該電路對rc精度的要求不高，而且電路的結構也比較簡單。雙積分型a/d轉換器屬于低速型ad轉換器，一次轉換時間在12ms，而逐次比較型a/d轉換器可達到1ms。不過在工業(yè)控制系統中的許多場合，毫秒級的轉換時間已經足足有余，雙積分型a/d轉換器的優(yōu)點正好有了用武之地。2.1.2.2 v/f轉換法v/f轉換法是將被測電壓加到v/f轉換器上,然后對輸出的頻率進行測量,后經單片機內

32、部程序的換算轉換為電壓值。有良好的精度、線性和積分輸入特點，此外它的應用電路簡單，外圍元件要求不高，適應環(huán)境能力強，轉速不低于一般的雙積分a/d器件，且價格低，因此v/f轉換技術廣泛用于非快速a/d過程中。 電壓/頻率(v/f)轉換器能把輸入信號電壓轉換成相應的頻率信號，即它的輸出信號頻率與輸入信號電壓值成比例，故又稱為電壓控制(壓控)振蕩器(vco)。從工作原理上看，壓控振蕩器大致可以分為三種類型：施密特觸發(fā)器型、電容交叉充放電型和定時型。1.施密特觸發(fā)器型壓控振蕩器若將反相器輸出的施密特觸發(fā)器的輸出電壓經rc積分電路反饋到輸入端，就能構成多諧振蕩器。如果改用一個由輸入電壓vi控制的電流源對

33、輸入端的電容反復充、放電，如圖2.14a所示，則充、放電時間將隨輸入電壓而改變。這樣就可以用輸入電壓控制振蕩頻率。 (a) 電路結構 (b) 電壓波形圖2. 14 施密特觸發(fā)器型壓控振蕩器的原理性電路和電壓波形由圖2.14b的電壓波形可以看出，當充、放電電流i0增大時，充電時間t1和放電時間t2隨之減小，故振蕩周期縮短、震蕩頻率增加。如果電容充和放電的電流相等，則電容兩端的電壓va將是對稱的三角波。2.電容交叉充、放電型壓控振蕩器圖2.15是用cmos電路構成的電容交叉充、放電型壓控振蕩器的原理圖。g1和g2用作電容充、放電的轉換控制開關，而g1和g2的輸出狀態(tài)由觸發(fā)器的狀態(tài)來決定。圖2. 1

34、5 電容交叉充、放電型壓控振蕩器的原理圖電路的工作過程如下：設接通電源后觸發(fā)器處于q=0的狀態(tài)，則tp1和tn2導通而tn1和tp2截止，電流i0經tp1和tn2自左向右地向電容cex1充電。隨著充電過程的進行va逐漸升高。當va升至g3的閾值電壓vth時，觸發(fā)器狀態(tài)翻轉為q=1，于是tp1和tn2截止而tn1和tp2導通。電流i0轉而經tn1和tp2自右向左地向電容cex1充電。隨著充電過程的進行vb逐漸升高。當vb升至g4的閾值電壓vth以后，觸發(fā)器又翻轉為q=0的狀態(tài)，cex1重新自左向右地充電。如此周而復始，在輸出端vo就得到了矩形輸出脈沖。3 .定時器型壓控振蕩器現以lm331為例介

35、紹定時器型壓控振蕩器的基本原理。圖2.16是lm331的電路結構簡化圖。電路由兩部分組成，一部分是用觸發(fā)器、電壓比較器(c1和c2)和放電管t3構成的定時電路，另一部分是用基準電壓源、電壓跟隨器a和鏡像電流源構成的電流源及開關控制電路。圖2. 16 lm331的電路結構框圖下面具體分析一下它的工作過程。剛接通電源時cl和ct兩個電容上沒有電壓，若輸入控制電壓vi為大于零的某個值，則比較器c1的輸出為1而比較器c2的輸出為0，觸發(fā)器被置成q=1狀態(tài)。q端的高電平使t2導通，vo=0。同時鏡像電流源輸出端開關s接到引腳1一邊，電流i0向cl開始充電。而端的低電平使t3截止，所以ct也同時開始充電。

36、當ct上的電壓vct上升到2/3vcc時，則觸發(fā)器被置成q=0，t2截止，vo=1。同時開關s轉接到地，cl開始向rl放電。而變?yōu)楦唠娖胶笫箃3導通，ct通過t3迅速放電至vct0，并使比較器c2的輸出為0。當cl放電到vclvi時，比較器c1輸出為1，重新將觸發(fā)器置成q=1，于是vo又跳變成低電平，cl和ct開始充電，重復上面的過程。如此反復，便在vo端得到矩形輸出脈沖。2.2系統方案選擇根據前面電壓、頻率的測量原理，以及本設計的技術指標，綜合考慮電壓、頻率測量精度以及外測量范圍、反應時間等等，頻率測量選擇用直接測頻率法來測量，采用這種方法測量簡單而且可以保證測量的準確度。而對于電壓測量則采

37、用a/d轉換法，用逐次型a/d轉換器將模擬量轉為數字量再將數字量送入單片機的方法來進行測量，這樣可以達到更好達到測量的精度要求，同時也很好的利用了單片機的資源。顯示用lcd來顯示，能更直觀的顯示電壓、頻率的值。2.3系統總體框圖本設計以單片機at89c52為核心，結合外圍信號放大、整形電路,通過對輸出波形的計數和對模擬電壓的采樣、量化得到交流電頻率和電壓的數字量，將所得數據通過串行接口發(fā)送到上位機進行直觀顯示，很好的實現了對系統電壓頻率的監(jiān)測。測量系統的硬件電路主要包含降壓穩(wěn)壓電路、信號預處理電路、ad轉換電路以及單片機at89c52處理控制電路、串口輸出電路幾部分構成，測量系統框圖如圖2.1

38、7所示。圖2. 17 電壓、頻率檢測系統框圖系統電路的工作原理簡述如下：交流電壓經過隔離變壓器隔離降壓、限流變?yōu)閍/d轉換器和單片機能接受電壓范圍，然后分成兩路電壓輸入信號。一路輸入用于頻率測量，輸入信號經離散器件的分壓、穩(wěn)壓處理，通過放大、濾波和整形電路，將輸入的正弦波信號轉換成5 v的方波信號，然后送到單片機。單片機接收外部脈沖，啟動定時計數器對方波信號進行定時計數，從而計算得出相應的頻率值；另外一路輸入用于電壓測量值，輸入信號經過分壓被送到ad轉換部分，經過a/d轉換芯片的轉換，將輸入的模擬量轉換成數字量送到單片機p0口，得到量化電壓值；同時，串口電路部分則負責將得到的頻率值、電壓值發(fā)送

39、至上位機，從而，上位機對頻率值和電壓值進行直觀的顯示。這樣可以很好的實現本設計所要求的功能。第三章 系統硬件電路的設計3.1 單片機處理控制電路測量電路選用at89c52作為頻率計的信號處理核心。at89系列單片機是美國atmel公司近年來推出的一種新型高性能低價位，低電壓，低功耗的8位cmos微型計算機。它的顯著優(yōu)點是：內含flash存儲器，這在系統的開發(fā)過程中，可隨意進行程序修改，既便錯誤編程之后仍可以重新編程，故不存在廢品且大大縮短了程序的開發(fā)周期；同時在系統工作過程中能有效地保存數據信息。采用靜態(tài)時鐘方式，節(jié)省電能，這對于降低便攜式產品的功耗十分有利。由于它是以8031核構成的，所以它

40、與msc-51系列單片機相兼容，這對于熟悉msc-51系列的廣大用戶來說，用at89系列單片機取代51系列進行系統設計是輕而易舉的。圖3. 1 at89c52單片機引腳圖at89c52是一個低電壓，高性能cmos 8位單片機，片內含8k8的可反復擦寫的flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準mcs-51指令系統，片內置通用8位中央處理器和flash存儲單元，at89c52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應用。引腳說明：vcc：電源電壓gnd:地p0口：p0口是一組8位漏極開路型雙向i/o口，作為輸出口

41、用時，每個引腳能驅動8個ttl邏輯門電路。當對0端口寫入1時，可以作為高阻抗輸入端使用。當p0口訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，它還可設定成地址數據總線復用的形式。在這種模式下，p0口具有內部上拉電阻。在eprom編程時，p0口接收指令字節(jié)，同時輸出指令字節(jié)在程序校驗時。程序校驗時需要外接上拉電阻。p1口：p1口是一帶有內部上拉電阻的8位雙向i/o口。p1口的輸出緩沖能接受或輸出4個ttl邏輯門電路。當對p1口寫1時，它們被內部的上拉電阻拉升為高電平，此時可以作為輸入端使用。當作為輸入端使用時，p1口因為內部存在上拉電阻，所以當外部被拉低時會輸出一個低電流（iil）。p2口：p2是一帶有內部

42、上拉電阻的8位雙向的i/o端口。p2口的輸出緩沖能驅動4個ttl邏輯門電路。當向p2口寫1時，通過內部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可以用作輸入口。作為輸入口，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（iil）。p2口在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數據存儲器（例如movx dptr）時，p2口送出高8位地址數據。在這種情況下，p2口使用強大的內部上拉電阻功能當輸出1時。當利用8位地址線訪問外部數據存儲器時（例movx r1）,p2口輸出特殊功能寄存器的內容。當eprom編程或校驗時，p2口同時接收高8位地址和一些控制信號。p3口：p3是一帶有內部上拉電阻的8位雙向的i/

43、o端口。p3口的輸出緩沖能驅動4個ttl邏輯門電路。當向p3口寫1時，通過內部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可以用作輸入口。作為輸入口，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（iil）。p3口同時具有at89c51的多種特殊功能，具體如下表3.1所示。表3.1 p3口的第二功能端口引腳第二功能p3.0rxd (串行輸入口)p3.1txd（串行輸出口）p3.2 (外部中斷0)p3.3（外部中斷1）p3.4t0（定時器0）p3.5t1（定時器1）p3.6（外部數據存儲器寫選通）p3.7（外部數據存儲器都選通）rst:復位輸入。當振蕩器工作時，rst引腳出現兩個機器周期的高電平將使

44、單片機復位。ale/:當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許是一輸出脈沖，用以鎖存地址的低8位字節(jié)。當在flash編程時還可以作為編程脈沖輸出（）。一般情況下，ale是以晶振頻率的1/6輸出，可以用作外部時鐘或定時目的。但也要注意，每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ale脈沖。：程序存儲允許時外部程序存儲器的讀選通信號。當at89c52執(zhí)行外部程序存儲器的指令時，每個機器周期兩次有效，除了當訪問外部數據存儲器時，將跳過兩個信號。/vpp:外部訪問允許。為了使單片機能夠有效的傳送外部數據存儲器從0000h到fffh單元的指令，必須同gnd相連接。需要主要的是，如果加密位1被編程，復位時ea端會自動內部

45、鎖存。當執(zhí)行內部編程指令時，應該接到vcc端。xtal1：振蕩器反相放大器以及內部時鐘電路的輸入端。xtal2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.2 頻率信號預處理電路單片機是數字信號處理工具。輸入單片機的信號必需是離散的數字信號或者是脈沖信號。因此檢測來的正弦信號必需經過預處理變?yōu)閱纹瑱C能接受的，且是采集簡便，計算工作量較少的信號。首先將信號通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號，同時也進行線性放大、使之變?yōu)橐徊ㄐ握?guī)、幅值適當的正弦信號，然后經過整形電路變?yōu)榉讲ㄐ盘栠M入單片機。由單片機來處理后送到顯示器進行直觀顯示。頻率信號的預處理電路如圖3.2所示。圖3. 2 頻率信號預處理電路3.2.1降壓

46、電路交流電要經過變壓器件降壓后才可以通過放大、整形電路將信號送入單片機進行處理。本設計因為要將信號送入adc0809進行a/d轉換，而adc0809的模擬輸入電壓范圍為05v所以要將交流電壓降到5v內，本電路中用的變壓器的變比系數為：，所以根據變比系數設定好電感值就做到達到線性降壓，電路如圖3.3所示。圖3. 3 降壓電路3.2.2放大電路此電路采用高速、寬頻帶運放op37，并采用負反饋電路，由負反饋放大電路的原理可知放大倍數n=r4/r5=10。所以此電路將信號的放大倍數為10倍。op37最高工作頻率可達63mhz(見圖3.4所示)。圖3. 4 小信號放大電路3.2.3整形電路波形變換和波形

47、整形電路實現把正弦波樣的正負交替的信號波形變換成可以被單片機接受的ttl/coms兼容信號。本設計采用555構成的施密特觸發(fā)器作為整形電路。整形電路將正弦波轉化為5v的方波信號，供單片機進行頻率測量。電路如圖3.5所示。圖3. 5整形電路施密特觸發(fā)器用于波形變換和整形，有著極為廣泛的應用。圖3.6是555構成的基本的施密特觸發(fā)器電路對不同信號的整形、變換波形。圖3. 6施密特觸發(fā)器對波形整形的原理圖555可以看成一個r-s觸發(fā)器，它的位置電平vt-1/3vdd，而其復位電平vt+2/3vdd(閥值電平)。因此，設置r1=r2=10k，使得2、6腳的偏置電壓在1/2vdd介于兩個閥值電平之間。如

48、圖3.4a所示，當輸入的正弦波電壓的瞬時的電壓低于1/3vdd時，555置位，輸出呈高電平；而當瞬時電壓高于2/3vdd復位，輸出呈低電平。在輸出端得到規(guī)則的矩形脈沖，對波形進行了變換和整形。脈沖信號再傳輸過程中前后沿產生了振顫或震蕩，使用施密特觸發(fā)器，可以進行整形，如圖3.6c、3.6d。3.4 a/d轉換電路單片機本身只能識別和處理一種離散的數字信號，而在實際的控制系統中，需要監(jiān)測和控制的是一些電壓、電流等隨時間連續(xù)變化的電物理量，所以為了實現單片機對一個應用系統的控制和檢測，ad轉換電路是必不可少的設計環(huán)節(jié)。本設計a/d轉換器采用主次逼近型8位a/d轉換芯片adc0809，芯片的管腳圖如

49、圖3.7所示。圖3. 7 adc0809芯片管腳圖adc0809是美國國家半導體公司生產的cmos工藝8通道，8位逐次逼近式a/d轉換器。它由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個a/d轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成（見圖1）。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用a/d轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存a/d轉換完的數字量，當oe端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數據。它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行a/d轉換。是目前國內應用最廣泛的8位通用a/d芯片1主要特性1）8路輸入通道，8位ad轉換器，即分辨率為8位。 2）具

50、有轉換起?？刂贫恕?3）轉換時間為100s(時鐘為640khz時)，128s（時鐘為500khz時） 4）單個5v電源供電 5）模擬輸入電壓范圍05v，不需零點和滿刻度校準。 6）工作溫度范圍為-4085攝氏度 7）低功耗，約15mw。 2內部結構adc0809是cmos單片型逐次逼近式ad轉換器，內部結構如圖3.8所示，它由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關樹型a/d轉換器、逐次逼近測量結果。圖3. 8 adc0809內部結構圖3外部特性（引腳功能）adc0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖3.7所示。下面說明各引腳功能。 in0in7：8路模擬量輸入端。 2-1

51、2-8：8位數字量輸出端。 adda、addb、addc：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。 ale：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 start： ad轉換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復位，下降沿啟動a/d轉換）。 eoc： ad轉換結束信號，輸出，當ad轉換結束時，此端輸出一個高電平（轉換期間一直為低電平）。 oe：數據輸出允許信號，輸入，高電平有效。當ad轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數字量。 clk：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640khz。 ref（+）、ref（-）：基準電壓。 vc

52、c：電源，單一5v。 gnd：地。 4.adc0809的工作過程首先輸入3位地址，并使ale=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。start上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 ad轉換，之后eoc輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到ad轉換完成，eoc變?yōu)楦唠娖?，指示ad轉換結束，結果數據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當oe輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數字量輸出到數據總線上。 轉換數據的傳送 a/d轉換后得到的數據應及時傳送給單片機進行處理。數據傳送的關鍵問題是如何確認a/d轉換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。為此可采用下述

53、三種方式。 （1）定時傳送方式 對于一種a/d轉換其來說，轉換時間作為一項技術指標是已知的和固定的。例如adc0809轉換時間為128s，相當于6mhz的mcs-51單片機共64個機器周期?？蓳嗽O計一個延時子程序，a/d轉換啟動后即調用此子程序，延遲時間一到，轉換肯定已經完成了，接著就可進行數據傳送。 （2）查詢方式 a/d轉換芯片由表明轉換完成的狀態(tài)信號，例如adc0809的eoc端。因此可以用查詢方式，測試eoc的狀態(tài)，即可確認轉換是否完成，并接著進行數據傳送。 （3）中斷方式 把表明轉換完成的狀態(tài)信號（eoc）作為中斷請求信號，以中斷方式進行數據傳送。 不管使用上述哪種方式，只要一旦確

54、定轉換完成，即可通過指令進行數據傳送。首先送出口地址并以信號有效時，oe信號即有效，把轉換數據送上數據總線，供單片機接受。 3、adc0809應用說明（1）adc0809內部帶有輸出鎖存器，可以與at89s51單片機直接相連。（2）初始化時，使st和oe信號全為低電平。（3）送要轉換的哪一通道的地址到a，b，c端口上。（4）在st端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。（5）是否轉換完畢，我們根據eoc信號來判斷。（6）當eoc變?yōu)楦唠娖綍r，這時給oe為高電平，轉換的數據就輸出給單片機了。3.5 看門狗電路部分 看門狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統需要出讓一個定時器資源，這在許多系統中很難辦到，而且若系統軟件運行不正常，可能導致看門狗系統也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運行監(jiān)視器”，如計數型的看門狗電路通常由555多諧振蕩器、計數器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統電路較為復雜，運行不夠可靠。本設計采用x2504