一種基于MSP430單片機(jī)的交流頻率檢測系統(tǒng)

1、一種基于msp430單片機(jī)的交流頻率檢測系統(tǒng) 因?yàn)轭l率信號具有抗干擾性強(qiáng)、易于傳輸、測量精確度較高等優(yōu)點(diǎn)，因此許多非頻率量的傳感信號都轉(zhuǎn)換為頻率量來舉行測量和處理。因此頻率測量辦法愈來愈引起關(guān)注和討論。頻率測量是測量和控制系統(tǒng)領(lǐng)域的最基本測量之一。當(dāng)今用的最多的測量信號頻率的儀器是頻率計(jì)，因?yàn)轭l率計(jì)在測量過程中需要一個(gè)時(shí)基信號作為測量信號頻率的時(shí)基。時(shí)基信號普通是由本機(jī)振蕩發(fā)生的，盡管現(xiàn)在多用石英晶體，但是仍然不能保證時(shí)基信號的精度,因此頻率計(jì)的測量精度也就成了問題。傳統(tǒng)的頻率測量辦法有兩種：一種是測頻法,在一定時(shí)光間隔t內(nèi)測出待測信號重復(fù)變幻次數(shù)n，頻率即為；另一種辦法是測周法,在被測信號的

2、一個(gè)周期內(nèi)測出標(biāo)準(zhǔn)高頻信號f的個(gè)數(shù)n，則被測頻率。本文介紹了一種測寬法，借助光電耦合原理，將溝通信號改變成周期脈沖信號，通過捕捉脈沖信號的下降沿，由定時(shí)器計(jì)數(shù)，通過二次計(jì)數(shù)的差值便能得到脈沖信號的周期，進(jìn)而可以計(jì)算出所測溝通信號的頻率。2 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路完成的任務(wù)是：（1）部分的設(shè)計(jì)，其功能是舉行信號的轉(zhuǎn)化。溝通信號通過整流橋、光電耦合器等模擬器件便能得到周期脈沖信號。（2）數(shù)字電路部分的設(shè)計(jì)，其功能是舉行信號的檢測。內(nèi)部的16位定時(shí)器a具有脈沖捕捉功能，能將脈沖信號的占空比檢測出來。圖1為它的基本結(jié)構(gòu)圖。圖1 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)2.1 模擬電路部分的設(shè)計(jì)圖2為模擬部分原理。下面主要闡述該電

3、路的工作原理：圖2 模擬部分原理圖考慮到溝通信號中可能含有一定的直流信號，而直流信號會(huì)引起溝通波形的上移或下移，這可能會(huì)導(dǎo)致原有溝通信號沒有零點(diǎn)，這就談不上過零檢測、周期脈沖了，因此要按照溝通信號的實(shí)際狀況，在溝通信號的出口處用設(shè)個(gè)適當(dāng)?shù)?，起到隔直的作用。r1和r2是限流，庇護(hù)后面的穩(wěn)壓管、光電耦合器在額定功耗范圍內(nèi)。因?yàn)檫@里的溝通信號源選取的是220v市電正弦信號，所以r1和r2的阻值要比較大而且功率要比較大，該系統(tǒng)用法的是 、1w的電阻。d1和d2是齊納穩(wěn)壓管，主要作用是限壓，庇護(hù)整流橋的整流二極管使其反向在范圍之內(nèi)。該系統(tǒng)選用的穩(wěn)壓管型號是1n4736其穩(wěn)壓范圍是 ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整流二極管的

4、反向耐壓。圖3為穩(wěn)壓管的端電壓（即圖1中的vi1vi2）波形。圖3 穩(wěn)壓管的端電壓波形d3是整流橋，將溝通電舉行全波整流，使方向恒定。圖4為整流橋兩端的電壓（即圖中的v1-v3）波形。圖4 整流橋的端電壓波形u2是光電耦合器，其作用有二：信號改變功能，將整流后的溝通信號改變?yōu)槊}沖信號；強(qiáng)弱電隔離功能，使強(qiáng)電部分和弱電部分在電氣上處于隔離狀態(tài)，在強(qiáng)電部分發(fā)生故障時(shí)不會(huì)損壞后面的弱電電路包括單片機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)用法的型號是4n25，有良好的開關(guān)特性，而且它的開關(guān)時(shí)光可以通過基級電阻舉行調(diào)整，圖5為其基級電阻在給定環(huán)境下的開關(guān)特性3。由圖5可以看出基級電阻rbe取 左右時(shí)其綜合時(shí)光指標(biāo)最好，即開關(guān)特性

5、較優(yōu)，所以本系統(tǒng)中基級電阻（r5）取 。圖5 光電耦合器（4n25）基級電阻的開關(guān)特性其集電極放射級的電壓（v5）波形，見圖6。圖6 光電耦合器（4n25）的集電極放射級的電壓波形q1為三級管，作用是將v5的脈沖信號轉(zhuǎn)化為單片機(jī)所能識(shí)別的凹凸電平（03.3v）。因此q1必需工作開關(guān)狀態(tài)，即工作在飽和狀態(tài)和截至狀態(tài)不斷切換的過程中。系統(tǒng)中的電阻r6和r7阻值的選取主要使三級管工作在開關(guān)狀態(tài)。圖7為q1工作在開關(guān)狀態(tài)的幾個(gè)指標(biāo)r6上的電流r6 i=ib，r7上的電流r7 i=ic，v5vbe，v6vce。圖7 三級管的開關(guān)特性由圖7可以看出三級管工作在飽和狀態(tài)下 ，而工作在截至狀態(tài)下 ，起到了良好

6、的開關(guān)特性。ta0就挺直進(jìn)入單片機(jī)，r8是限流電阻防止進(jìn)入單片機(jī)的電流過大。2.2 數(shù)字電路部分的設(shè)計(jì)系統(tǒng)用法的主芯片采納公司的低功耗單片機(jī)msp430f449。msp430f449是msp430系列中一個(gè)功能很強(qiáng)的單片機(jī)，內(nèi)部采納馮.諾依曼體系，risc命令結(jié)構(gòu)，運(yùn)算器寬度16位。片內(nèi)集成了60kb的flash程序存儲(chǔ)器，2kb的sram數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，多個(gè)16位定時(shí)/捕捉/，2個(gè)串行口，12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，jtag程序下載、在線調(diào)試接口，定時(shí)器等。48個(gè)/多功能端口，其中1口和2口具有位中斷功能。因此該款單片機(jī)具有命令執(zhí)行速度快、功能強(qiáng)大、外部電路容易、功耗低、節(jié)電管理方式完美、定位于系統(tǒng)應(yīng)用等

7、特點(diǎn)。在該系統(tǒng)中，用法到的單片機(jī)的主要功能模塊是16位定時(shí)器a(timer a)。其內(nèi)部的脈沖捕捉器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）16位計(jì)數(shù)器，4種工作模式；（2）多種可選的計(jì)數(shù)器時(shí)鐘源，可是是慢時(shí)鐘、快時(shí)鐘以及外部時(shí)鐘；（3）具有多個(gè)可配置輸入端的捕捉/比較寄存器，并且8種輸出模式的多個(gè)可配置的輸出單元；（4）不僅能捕捉外部時(shí)光發(fā)生的時(shí)光，還可鎖定外部時(shí)光發(fā)生時(shí)的凹凸電平，給我們的設(shè)計(jì)帶來很大的便利；（5）可以以硬件方式支持串行通信。3 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)主要是timer a的初始化的設(shè)定，其軟件采納編程。timer a工作在捕捉方式時(shí)，當(dāng)滿足捕捉條件（觸發(fā)方式）時(shí)，硬件自動(dòng)將計(jì)數(shù)器tar中的

8、數(shù)據(jù)寫入捕捉/比較寄存器ccr0。圖8是系統(tǒng)軟件流程圖。圖8 系統(tǒng)軟件流程圖在本系統(tǒng)中，定時(shí)器采納延續(xù)計(jì)數(shù)模式，捕捉方式采納下降沿捕捉。系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)頻率fs的挑選（1mhz）、timer a的控制寄存器的設(shè)置，需要設(shè)置的寄存器為控制寄存器tactl和捕捉/比較控制寄存器cctl0。timer a中斷函數(shù)在發(fā)生捕捉時(shí)被觸發(fā)，首先計(jì)算ccr0中的值與變量lastccr0的差值，lastccr0是上次捕捉時(shí)記錄的寄存器ccr0的值， ccr0的初始值為0。循環(huán)五次即被觸發(fā)五次，五次的差值被保存在數(shù)組timervalue中?？紤]到計(jì)數(shù)器剛開頭計(jì)數(shù)時(shí)信號不一定從零點(diǎn)開頭，所以真正的計(jì)算應(yīng)當(dāng)從其次次觸發(fā)開頭，這樣就能計(jì)算出四個(gè)脈沖周期，接著計(jì)算出平均脈沖周期，該平均周期便是所測溝通信號的半周期，進(jìn)而可以得出其頻率。4 結(jié)論文中提出了一種過零檢測電路，并按實(shí)際需要選取了相應(yīng)參數(shù)的元件，同時(shí)利用msp430單片機(jī)的脈沖捕捉功能實(shí)現(xiàn)了溝通信號頻率的檢測。該系統(tǒng)對低頻溝通信號頻率的檢測精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)本文介紹的過零檢測電路其應(yīng)用越發(fā)廣泛