基于單片機正弦波有效值測量儀表設(shè)計

電子系統(tǒng)設(shè)計創(chuàng)新與實踐設(shè)計報告題目：基于單片機正弦波有效值測量儀表設(shè)計院〔系〕：信息科學與工程學院專業(yè)班級：電子信息工程學生：學號：同組成員：指導教師：肖洪祥職稱：副教授設(shè)計方案〔30分〕樣機測試〔40分〕設(shè)計報告〔30分〕總分2012年7月摘要在實際中，有效值是應用最廣泛的參數(shù)，電壓表的讀數(shù)除特殊情況外，幾乎都是按正弦波有效值進展定度的。有效值獲得廣泛應用的原因，一方面是由于它直接反映出交流信號能量的大小，這對于研究功率、噪聲、失真度、頻譜純度、能量轉(zhuǎn)換等是十分重要的；另一方面，它具有十分簡單的疊加性質(zhì)，計算起來極為方便。本文詳細介紹一個正弦波有效值測量儀表設(shè)計，以STC89C52單片機為控制核心，由交流電壓采集模塊，正弦波轉(zhuǎn)方波模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)采用交流電壓輸入信號，經(jīng)TLC372比擬器和LM358放大器進展信號采集，經(jīng)過AD0809進展數(shù)據(jù)采樣，然后輸入到89C52單片機進展交流電壓有效值的計算和測量，加上CD4049進展正弦波轉(zhuǎn)換為方波，輸入到89C52單片機進展頻率的計算和測量，結(jié)果用1602液晶顯示正弦波的有效值和頻率。關(guān)鍵詞：交流電壓有效值測量AD0809STC89C52AbstractInpractice,theeffectivevalueisthemostwidelyusedparameters,voltagemetere*ceptinspecialcircumstances,arealmostaseffectivevalueofsinewaveforcalibration.Effectivevalueandwidelyappliedreasons,partlybecauseitdirectlyreflectstheACsignalenergy,thestudyofpower,noise,distortion,frequencyspectrumpurity,energyconversionisveryimportant;ontheotherhand,ithasaverysimplesuperpositionproperty,calculationisveryconvenient.Thispaperdescribesaneffectivevalueofsinewavemeasuringinstrumentdesign,usingSTC89C52SCMascontrolcore,bytheACvoltageacquisitionmodule,sinewavetosquarewavemodule,theADconversionmodule,displaymodule.ThesystemadoptstheACinputsignal,theparatorTLC372andLM358amplifierforsignalacquisition,throughAD0809datasampling,andtheninputtotheSCM89C52ACvoltageeffectivevaluecalculationandmeasurement,andCD4049areconvertedtosquarewavesinewave,inputtotheSCM89CKeywords:AcvoltageRMSmeasurementAD0809STC89C目錄1.概述1.1題目名稱1.2功能和指標要求1.3相關(guān)情況概述2.技術(shù)方案2.1有效值測量的方法2.2設(shè)計思路2.3總體技術(shù)方案3.硬件設(shè)計3.1信號采集電路3.2正弦波轉(zhuǎn)方波電路3.3ADC0809電路3.4單片機最小系統(tǒng)和1602顯示電路3.5電源電路4.軟件設(shè)計4.1頻率測量4.2幅度測量4.3軟件測試1.概述1.1題目名稱基于單片機的正弦波有效值測量儀表設(shè)計。1.2功能和指標要求1〕輸入交流電壓：5V~50V；2〕正弦頻率：50Hz±5Hz；3〕檢測誤差：≤2%4〕具有檢測啟動按鈕和停頓按鈕，按下啟動按鈕開場檢測，按下停頓按鈕停頓檢測；5〕顯示方式：數(shù)字顯示當前檢測的有效值。在停頓檢測狀態(tài)下，顯示最后一次檢測到的有效值；6〕顯示分辨率：0.1V7〕工作電源：電網(wǎng)AC220V，要求在電網(wǎng)電壓變化±15%圍能夠正常工作。1.3相關(guān)情況概述在日常的生產(chǎn)、生活和科研中，工頻電無處不在，所謂工頻就是電力供電系統(tǒng)交流電的頻率，我國國家規(guī)定工頻為50赫茲，即周期為0.02秒，英、美等國規(guī)定的工頻為60赫茲。因此，對工頻電的測量也是一個應用廣泛的實際問題。傳統(tǒng)的測量儀器在使用時需要預先估計待測值的測量圍，多數(shù)情況下都要從較大量程檔位逐次向小量程檔位切換，增加了操作的復雜性，且易發(fā)生誤操作損壞儀器。近年來隨著計算機在社會領(lǐng)域的滲透，單片機的應用正在不斷地走向深入，同時帶動傳統(tǒng)控制日新月異更新。在實時監(jiān)測和自動控制的單片機應用系統(tǒng)中，單片機往往作為一個核心部件來使用。電子計算機的飛躍進步，單片機的普及與推廣，為數(shù)字多用表智能化做出了奉獻。作為重要的測量工具，工頻有效值多用表的開展可以說見證了現(xiàn)代工業(yè)的開展和科技進步。從傳統(tǒng)的模擬多用表，到現(xiàn)在準確度和靈敏度越來越高的數(shù)字儀表，多用表的開展可謂是日新月異。目前的工頻有效值多用表的設(shè)計大概可以分為以下幾類：〔1〕基于單片機的數(shù)字工頻有效值多用表，這類儀表中，最有代表性的是89C52系列的。由于8位機在價格和性能方面的優(yōu)點，這類儀表可以說是越來越成熟，并且能根據(jù)不同的場合選用不同的核心芯片來滿足實際的要求。〔2〕將傳統(tǒng)測量方法和現(xiàn)代數(shù)字化測量方法有機結(jié)合起來，能適用于工頻交流電特征，同時也能適用于非工頻電參數(shù)測量，以提高通用性。在這類系統(tǒng)中，由單片機實現(xiàn)測量控制、數(shù)據(jù)分析處理、顯示和量程自動轉(zhuǎn)化等功能；由CPLD器件和高速A/D芯片組成雙通道高速同步數(shù)據(jù)采集電路，由鎖相倍頻電路實現(xiàn)工頻周期均勻等樣間隔。2.技術(shù)方案2.1有效值測量的方法有效值的定義：時變量的瞬時值在給定時間間隔的均方根值。對于周期量，時間間隔為一個周期?！?〕測量有效值有三種方案：方案一：采用二極管整流電路，再通過峰值檢波電路測得峰值，然后根據(jù)波形因數(shù)求得相應的有效值。方案二：利用單片機控制A/D對一個周期的信號進展連續(xù)多點采樣，然后在軟件中根據(jù)有效值計算公式求均方根就可得到有效值。方案三：采用專用有效值檢測芯片如AD736直接將交流信號轉(zhuǎn)換直流有效值信號。方案選擇：方案一硬件電路較復雜，且能測得的波形有限，對不同的波形還需根據(jù)其波形因數(shù)采取不同的換算關(guān)系。方案二軟件計算，編程難度不大，而方案三軟硬件都較簡單，但是資金投入比擬大，故設(shè)計中選用方案二。2.2設(shè)計思路本課題主要實現(xiàn)的是交流電壓有效值和頻率的測量，我們首先要對交流電壓進展硬件采集，通過電壓比擬器TLC372CP及其外圍電路，輸出信號源的峰值，再通過AD轉(zhuǎn)換輸入單片機，把采集到的數(shù)據(jù)通過軟件計算，求均方根即得交流電壓的有效值；第二個模塊則是測量頻率，對頻率的測量，我們應該先把正弦波轉(zhuǎn)換為方波，利用STC89C52自帶的定時/計數(shù)器T0，T1來測量頻率，T0用作定時器，工作在模式2〔八位自動重裝〕，定時1秒，T1則用來計數(shù)，工作在模式1〔十六位定時器〕，一秒完畢時輸出T1的值，即為頻率。然后輸出到LCD1602進展顯示。2.3總體技術(shù)方案本實習的設(shè)計方案是采用STC89C52單片機芯片來做控制模塊，把采集到的正弦波幅度經(jīng)過ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字，然后通過軟件編程計算實現(xiàn)幅度測量，把計算得到的正弦波有效值顯示在1602第一行。在采集正弦波幅度的同時，我們啟動定時器，采集正弦波的的時間，通過軟件編程計算正弦波的頻率，把正弦波的頻率顯示在1602的第二行。STC8952單片機控制系統(tǒng)幅度采集電路ADC轉(zhuǎn)換1602顯示STC8952單片機控制系統(tǒng)幅度采集電路ADC轉(zhuǎn)換1602顯示交流信號輸入交流信號輸入頻率采集電路頻率采集電路按鍵控制按鍵控制電源輸入電源輸入圖2-1系統(tǒng)總框圖系統(tǒng)概述本設(shè)計是基于STC89C52單片機的數(shù)字電壓表，并且能夠顯示頻率，主要運用ADC0809芯片來進展電壓從模擬量轉(zhuǎn)化到數(shù)字量，STC89C52單片機為控制核心，以1602為顯示器件。八位的A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為0.0196，當輸入電壓為5V時輸出數(shù)據(jù)為255。該系統(tǒng)主要包括四個模塊：電源〔輸出+12、+5、-12、-5V〕，A/D轉(zhuǎn)換模塊，單片機控制模塊和液晶顯示模塊。電源模塊將220V、50HZ交流經(jīng)過變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓，穩(wěn)壓采用7812、7805、7912、7905穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)。A/D模塊采用ADC0809對電壓進展模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后輸入到單片機，ADC0809采樣所需標準頻率設(shè)定為500KHZ，通過單片機的ALE端，可以輸出2MHZ頻率，再利用74LS74進展四分頻，即可得基準頻率。主控模塊以單片機及其外圍電路構(gòu)成控制A/D采樣，進展數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，最后由液晶輸出顯示。3.硬件設(shè)計3.1信號采集電路我們選用的是TLC372和2個LM358芯片組成信號采集電路，TLC372是雙路差動比擬器，LM358放大器是比擬電路的核心器件，LM358是適合于電池供電的低功耗器件，有兩個獨立的、高增益的、部頻率補償?shù)碾p運算放大器。兩片LM358配合使用就能夠?qū)⑤斎刖€圈的電流信號轉(zhuǎn)換成雙極性的電壓信號輸出，可以用于單片機控制的存儲器中待機波形與實時采樣波形數(shù)據(jù)的比擬區(qū)分。圖3.1信號采集電路3.2正弦波轉(zhuǎn)方波電路測量正弦波頻率的方法有很多種，但是我們一般選用過零比擬器或施密特觸發(fā)器把正弦波轉(zhuǎn)換為方波，再進展方波的頻率測量。本模塊由8050三極管將要測量的交流電壓的頻率進展放大，經(jīng)過反相器CD4049，對交流信號進展轉(zhuǎn)換為方波，以便單片機采集信號并測量。CD4049是一塊S金屬/非金屬氧化物半導體數(shù)字集成電路,通用性非常強，應用很廣泛，主要功能是對數(shù)字信號倒相、對模擬信號進展轉(zhuǎn)換，對不規(guī)則數(shù)字信號進展整形或波形變換，信號放大等，通過組合和設(shè)置阻容反響，可以非常容易的制作信號發(fā)生、信號緩沖放大、單穩(wěn)觸發(fā)、雙穩(wěn)觸發(fā)、延時控制裝置等。圖3.2正弦波轉(zhuǎn)方波原理圖圖3.3正弦波轉(zhuǎn)方波仿真圖3.3ADC0809電路ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)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(zhuǎn)換器進展轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)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(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。74LS74是一個雙D觸發(fā)器，將單片機ALE端的信號四分頻后，提供應ADC0809做基準頻率。圖3.4ADC0809轉(zhuǎn)換電路3.4單片機最小系統(tǒng)和1602顯示電路系統(tǒng)采用AT89C52單片機作為主控制器，LCD1602液晶顯示電壓有效值和頻率。AT89C52具有功能強、體積小、本錢低、功耗小等特點，它可單獨地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能，能在軟件的控制下準確、迅速、高效地完成程序設(shè)計者事先規(guī)定的任務(wù)。系統(tǒng)顯示采用常用的字16字*2行的字符型液晶模塊，其微功耗、體積小、顯示容豐富、超薄輕巧等諸多優(yōu)點，使得在各類儀表和低功耗系統(tǒng)中得到廣泛的應用。與數(shù)碼管相比該模塊還有位數(shù)多、顯示容豐富、程序簡單等優(yōu)勢。應用接口電路如下圖，包括單片機、復位電路、晶振電路、LCD1602,按鍵控制電路。LCD1602由單片機P3.5控制RS端，由P3.4控制E使能端，RW接地，由單片機P0口進展輸出數(shù)據(jù)控制。如下圖，我們設(shè)置S2為啟動鍵，當S2被按下，則系統(tǒng)開場采樣信號，并計算交流電壓的有效值；S3為停頓鍵，當S3被按下，則將最終的正弦波有效值顯示在液晶的第一行，第二行顯示正弦波的頻率。當測量電壓超出我們需要測量的圍時，則給P3.7口一個低電平啟動報警系統(tǒng)。當按下復位鍵，系統(tǒng)則回復最初的等待測量狀態(tài)。圖3.5單片機最小系統(tǒng)和1602液晶顯示(1)時鐘電路設(shè)計STC89C52單片機部帶有時鐘電路，因此，振蕩電路比擬簡單，只需要在片外通過*TAL1和*TAL2引腳接入定時控制元件〔晶體振蕩器和電容〕，即可構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。本設(shè)計選擇的部振蕩電路的外部電路如下圖。圖3.6晶振電路振蕩頻率為12MHz，時鐘發(fā)生器是一個2分頻觸發(fā)器電路，它將振蕩器的信號頻率FOSC除以2，向CPU提供了兩相時鐘信號。ADC0809正常工作需要提供10KHz到1MHz圍的外部時鐘，如果單獨設(shè)計時鐘產(chǎn)生電路，會增加電路的復雜程度。AT89S52單片機的地址鎖存器允許信號ALE輸出頻率為系統(tǒng)頻率的1/6，經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后可獲得1/12系統(tǒng)時鐘頻率。如果單片機時鐘頻率采用12MHz，則ALE引腳的輸出頻率為2MHz，再經(jīng)二分頻后為1MHz，符合ADC0809對時鐘頻率的要求。如果單片機的時鐘頻率為6MHz，雖然二分頻后得到的時鐘頻率滿足要求，但是其單片機的工作速度較慢，所以單片機的時鐘頻率采用12MHz的?！?〕復位電路設(shè)計復位是單片機的初始化操作。其主要功能是將程序計數(shù)器PC初始化為0000H，使得單片機從0000H單元開場執(zhí)行程序。在運行中，外界干擾等因素可使單片機的程序陷入死循環(huán)狀態(tài)。為擺脫困境，可將單片機復位，以重新啟動。復位也使得單片機退出低功耗工作方式而進入正常工作狀態(tài)。復位電路雖然簡單，但其作用非常重要，一個單片機能否正常運行，首先要檢測是否能復位成功。在復位電路中，RST引腳是復位信號的輸入端，復位信號是高電平有效，其時間應持續(xù)24個振蕩周期以上，假設(shè)使用頻率為6MHz的晶振，則復位信號要持續(xù)時間應超過4us才能完成復位操作。故本設(shè)計使用12MHz的晶振。其電路如下圖。圖3.7復位電路3.5電源電路整流電路采用單相全波整流電路，器件選用二極管構(gòu)成的整流橋堆。濾波電路采用電容濾波，即在整流電路的負載上并聯(lián)一個電容，電容為50V，2200μF的極性大電容。本電路主要由220V交流電壓，經(jīng)18V變壓器輸入到電路中，經(jīng)過LM7812、LM7912、LM7805、LM7905四個穩(wěn)壓芯片的壓降，各輸出±12V和±5V直流電壓。供電局部有四組電壓輸出，其電路構(gòu)造根本一樣。有變壓器、橋式整流、濾波和穩(wěn)壓等局部組成。圖3.8電源原理圖圖3.9電源仿真圖如圖，輸出電壓為±12V、+5.01V、-5.02V4.軟件設(shè)計4.1頻率測量軟件測頻的原理歸結(jié)成一句話，就是“在單位時間對被測信號進展計數(shù)〞。被測信號，通過輸入通道的放大器放大后，進入整形器加以整形變?yōu)榫匦尾?，并送入主門的輸入端[3]。由晶體振蕩器產(chǎn)生的基頻，按十進制分頻得出的分頻脈沖，經(jīng)過基選通門去觸發(fā)主控電路，再通過主控電路以適當?shù)木幋a邏輯便得到相應的控制指令，用以控制主門電路選通被測信號所產(chǎn)生的矩形波，至十進制計數(shù)電路進展直接計數(shù)和顯示。假設(shè)在一定的時間間隔T累計周期性的重復變化次數(shù)N，則頻率的表達式為式：〔1〕圖1說明了測頻的原理及誤差產(chǎn)生的原因。時基信號待測信號喪失〔少計一個脈沖〕計到N個脈沖多余〔比實際多出了0.*個脈沖〕圖4.1測頻原理在圖4.1中，假設(shè)時基信號為1KHZ，則用此法測得的待測信號為1KHZ×5=5KHZ。但從圖中可以看出，待測信號應該在5.5KHZ左右，誤差約有0.5/5.5≈9.1%。這個誤差是比擬大的，實際上，測量的脈沖個數(shù)的誤差會在±1之間。假設(shè)所測得的脈沖個數(shù)為N，則所測頻率的誤差最大為δ=1／〔N-1〕*100%。顯然，減小誤差的方法，就是增大N。本頻率計要求測頻誤差在1‰以下，則N應大于1000。通過計算，對1KHZ以下的信號用測頻法，反響的時間長于或等于10S，。由此可以得出一個初步結(jié)論：測頻法適合于測高頻信號。頻率計數(shù)器嚴格地按照公式進展測頻[4]。由于數(shù)字測量的離散性，被測頻率在計數(shù)器中所記進的脈沖數(shù)可有正一個或負一個脈沖的量化誤差，在不計其他誤差影響的情況下，測量精度將為：應當指出，測量頻率時所產(chǎn)生的誤差是由N和T倆個參數(shù)所決定的，一方面是單位時間計數(shù)脈沖個數(shù)越多時，精度越高，另一方面T越穩(wěn)定時，精度越高。為了增加單位時間計數(shù)脈沖的個數(shù)，一方面可在輸入端將被測信號倍頻，另一方面可增加T來滿足，為了增加T的穩(wěn)定度，只需提高晶體振蕩器的穩(wěn)定度和分頻電路的可靠性就能到達。上述說明，在頻率測量時，被測信號頻率越高，測量精度越高。圖4.2頻率測量流程圖頻率測量模塊程序：*include<reg52.h>*include<intrins.h>*include"LCD1602_8.H"unsignedchark[8];unsignedintnum;unsignedchari;unsignedlong*,t;voidmain(void){ lcd_init(); TMOD=0*25; //T0計數(shù) T1定時 TH0=0*00; //計數(shù)值清零 TL0=0*00; TH1=0*06; //250usTL1=0*06;while(1) { *=(t<<16)+TH0*256+TL0; while(*/10){ k[i]=*%10; */=10; i++; } k[i]=*; lcd_pos(4,1); for(i=7;i!=0;i--) { lcd_wdat(k[i]+48); } lcd_wdat(k[i]+48); lcd_wdat(''); lcd_wdat('H'); lcd_wdat('z');}}voidt0(void)interrupt1using1{ t++;}voidt1(void)interrupt3using3{ num++; if(num==4000) { TR0=0; TR1=0;}}4.2幅度測量有效值測量方法：交流電是幅度隨時間變化而變化的正弦波，電壓有效值就是電壓的均方根值，它的計算方法是先平方、再平均、然后開方。工頻交流電是50Hz,每個周期為20mS,可以在固定的時間間隔T(如200uS)取電壓即時值U,然后累加U*U的值,一段時間后(整倍周期數(shù))把累加值取平均值再開方就可以得到這段時間的電壓有效值了。公式如下：〔1〕這里，為信號的有效值，T為測量時間，是一個時間的函數(shù)，但不一定是周期性的。對等式兩邊進展平方得：〔2〕右邊的積分項可以用一個平均來近似〔3〕這樣式〔2〕可以簡化為：〔4〕等式兩邊除以得：〔5〕圖4.3幅度測量流程圖幅度測量模塊程序：*include<reg52.h>*include<intrins.h>*include"LCD1602_8.H"unsignedchark[8],j[8];unsignedintnum,a,fudu;unsignedchari;unsignedlong*,t,z;floats;void*ianshi() { fudu=8;s=fudu*0.135 ;a=s*1000;j[0]=a/10000;j[1]=a%10000/1000;j[2]=a%1000/100;j[3]=a%100/10;j[4]=a%10; lcd_pos(2,0); lcd_wdat(j[0]+48); lcd_pos(3,0); lcd_wdat(j[1]+48); lcd_pos(4,0); lcd_wdat('.'); lcd_pos(5,0); lcd_wdat(j[2]+48); lcd_pos(6,0); lcd_wdat(j[3]+48); lcd_pos(7,0); lcd_wdat(j[4]+48); lcd_pos(8,0); lcd_wdat(''); lcd_pos(9,0); lcd_wdat('V');}voidt0(void)interrupt1using1{ t++;}voidt1(void)interrupt3using3{ num++; if(num==3720) { TR0=0; TR1=0;}}voidmain(void){ lcd_init();TMOD=0*25; //T0計數(shù) T1定時 TH0=0*00; //計數(shù)值清零 TL0=0*00; TH1=0*06; //250us TL1=0*06; ET0=1;ET1=1; EA=1; IE=0*8a; TR0=1;TR1=1; TCON=0*50; PT1=1; //T1優(yōu)先級最高while(1){ *ianshi();}}圖4.4程序總流程圖4.3軟件測試通過軟件仿真，輸入不同的交流電壓和不同的頻率，我們都可以在LCD1602上面看到測試得到的結(jié)果，通過計算可以得到測量結(jié)果的絕對誤差和相對誤差，根據(jù)此結(jié)果，我們可以知道我們設(shè)計的電路的準確度與實習要求的準確度相差多大。圖4.5總仿真圖軟件仿真，當我們輸入20V50Hz交流電時，結(jié)果圖4.5總仿真例如1軟件仿真，當我們輸入15V45Hz交流電時，結(jié)果如圖圖4.6總仿真例如2表4.1仿真數(shù)據(jù)處理表4.1仿真電壓數(shù)據(jù)輸入電壓〔V〕真實有效值〔V〕顯示有效值(V)絕對誤差〔V〕實際相對誤差〔%〕1510.60810.2600.3483.2801611.31510.9350.3803.3581712.02211.6100.4123.4271812.72912.2850.4443.4881913.43712.9600.4773.5492014.14413.6350.5093.5982114.85114.2900.5613