基于单片机的电压频率监测系统设计毕业设计

1、基于单片机的电压频率监测系统设计基于单片机的电压频率监测系统设计目录摘要iabstractii第一章 绪论11.1问题的提出11.2 设计的意义11.3 设计的主要内容1第二章 系统概述32.1 电压/频率的测量方法32.1.1频率的测量原理32.1.1.1周期测量法42.1.1.2直接测频法72.1.2电压测量方法102.1.2.1 a/d转换法102.1.2.2 v/f转换法142.2方案选择162.3系统框图17第三章 系统硬件电路的设计173.1 单片机处理控制电路183.2 频率信号预处理电路203.2.1小信号放大电路203.2.2整形电路213.4 a/d转换电路223.5 复位

2、电路部分263.6 晶振电路部分283.7 lcd显示电路293.7.1 lcd选型293.7.2 接口说明303.7.3 指令描述313.7.4 接口时序说明333.8 电源电路的设计353.9 串口通信电路37第四章 系统控制软件设计414.1系统软件框图414.2 频率测量子流程图424.3 a/d转换子流程图444.4 显示子程序454.5延时子程序46第五章 误差分析475.1 ±1误差475.2 时基误差475.3 周期测量法的误差485.4 多周期同步法的误差485.5进一步提高频率测量精度的方案49参考文献51中英文翻译52总结体会53致谢55附录56图目录图2. 1

3、 at89c52定时/计数器基本组成3图2. 2 测周法测量频率时序图4图2. 3 周期测量法流程图5图2. 4 多周期同步法测频原理图6图2. 5 同步法测量频率时序图6图2. 6 多周期同步测量法的流程图7图2. 7 直接测频率测频原理图8图2. 8 计数法设计软件流程图8图2. 9 直接测频法原理框图9图2. 10三位并行a/d转换器原理图10图2. 11逐次逼近型a/d转换器的工作原理图12图2. 12 双积分型ad转换器的框图13图2. 13 双积分ad转换器波形图14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15图2. 15 电容交叉充、放电型压控振荡器的原理图1

4、5图2. 16 lm331的电路结构框图16图2. 17 电压、频率检测系统框图17图3. 1 at89c52单片机引脚图19图3. 2 频率信号预处理电路21图3. 3 降压电路22图3. 4 小信号放大电路22图3. 5整形电路23图3. 6施密特触发器对波形整形的原理图23图3. 7 adc0809芯片管脚图24图3. 8 adc0809内部结构图25图3. 9 x25045引脚图27图3. 10 x25045看门狗电路硬件连接图28图3. 11 晶振电路29图3. 12显示电路29图3. 13 lcd管脚图30图3. 14 读操作时序33图3. 15 写操作时序34图3. 16直流稳压

5、电源基本组成框图35图3. 17 常见整流滤波电路36图3. 18 电源电路36图3. 19 串口通信电路37图3. 20 九针串口引脚功能图38图3. 21 max232的引脚图39图4. 1系统总流程图41图4. 2频率测量子流程图43图4. 3 a/d转换子流程图44图4. 4 显示流程图46图5. 1 原理波形图49图5. 2 量化时延原理50表目录表2.1并行比较型ad转换器的输入输出关系11表3.1 p3口的第二功能20表3.2 x25045指令及其含义28表3.3 x25045状态寄存器28表3.4 lcd接口说明表30表3.5 ram地址映像表32表3.5 lcd接口时序表34

6、表3.6 rs-232c接口信号表38表5.1相对误差49兰州理工大学毕业设计说明书摘要随着信息化、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

7、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；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 wh

8、en operating, often face many functions, 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

9、voltage measurement technology, design 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

10、 the count and the simulated voltage 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 sma

11、ll, has high practical value.keywords：single chip computer；frequency；voltage；sampling；at89c52；ad0809；ii兰州理工大学毕业论文说明书第一章 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

12、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

13、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：次秒；测量精度：电压±1v，频率±1 hz。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

14、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,

15、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

16、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. 1 at89c52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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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 2.1.2.1 a/d转换法所谓

22、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

23、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c1c7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，c1c7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

24、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0vref，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=q4d1=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

25、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c07 c06 co5 co4 co3 co2 co1 d2 d1 d00ui<vref/150 0 0 0 0 0 0 0 0 0vref/15ui<3vref/150 0 0 0 0 0 10 0 13vref/15ui<5vref/150 0 0 0 0 1 10 1 05vref/15ui<7vref/150 0 0 0 1 1 10 1 17vref/15ui<9vref/150 0

26、 0 1 1 1 11 0 09vref/15ui<11vref/150 0 1 1 1 1 11 0 111vref/15ui<13vref/150 1 1 1 1 1 11 1 013vref/15ui<vref1 1 1 1 1 1 11 1 1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

27、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10000，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v1vref/2，比较器输出为1，若v1< vref/2，则为0。比较

28、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v1vref/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）。

29、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

30、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

31、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<ui，u¢o1<uo1，则，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12ms，而逐次

32、比较型a/d转换器可达到1ms。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。2.1.2.2 v/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

33、)。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

34、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tp

35、2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. 16 lm331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

36、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vct0，并使比较器c2的输出为0。当cl放电到vclvi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

37、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

38、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降压稳压电路、信号预处理电路、ad转换电路以及单片机at89c52处理控制电路、串口输出电路几部分构成，测量系统框图如图2.17所示。图2. 17 电压、频率检测系统框图系统电路的工作原理简述如下：交流电压经过隔离变压器隔离降压、限流变为a/d转换器和单片机能接受电压范围，然后分成两路电压输入信号。一路输入用于频率测量，输入信号经离散器件的分压、稳压处理，通过放大、滤波和整形电路，将输入的正弦波信号转换成5 v的方波信号，然后送到单片机。单片机接收外部脉冲，启动定时计数器对

39、方波信号进行定时计数，从而计算得出相应的频率值；另外一路输入用于电压测量值，输入信号经过分压被送到ad转换部分，经过a/d转换芯片的转换，将输入的模拟量转换成数字量送到单片机p0口，得到量化电压值；同时，串口电路部分则负责将得到的频率值、电压值发送至上位机，从而，上位机对频率值和电压值进行直观的显示。这样可以很好的实现本设计所要求的功能。第三章 系统硬件电路的设计3.1 单片机处理控制电路测量电路选用at89c52作为频率计的信号处理核心。at89系列单片机是美国atmel公司近年来推出的一种新型高性能低价位，低电压，低功耗的8位cmos微型计算机。它的显著优点是：内含flash存储器，这在系

40、统的开发过程中，可随意进行程序修改，既便错误编程之后仍可以重新编程，故不存在废品且大大缩短了程序的开发周期；同时在系统工作过程中能有效地保存数据信息。采用静态时钟方式，节省电能，这对于降低便携式产品的功耗十分有利。由于它是以8031核构成的，所以它与msc-51系列单片机相兼容，这对于熟悉msc-51系列的广大用户来说，用at89系列单片机取代51系列进行系统设计是轻而易举的。图3. 1 at89c52单片机引脚图at89c52是一个低电压，高性能cmos 8位单片机，片内含8k×8的可反复擦写的flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（ram），器件采用at

41、mel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和flash存储单元，at89c52单片机在电子行业中有着广泛的应用。引脚说明：vcc：电源电压gnd:地p0口：p0口是一组8位漏极开路型双向i/o口，作为输出口用时，每个引脚能驱动8个ttl逻辑门电路。当对0端口写入1时，可以作为高阻抗输入端使用。当p0口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线复用的形式。在这种模式下，p0口具有内部上拉电阻。在eprom编程时，p0口接收指令字节，同时输出指令字节在程序校验时。程序校验时需要外接上拉电阻。p1口：p1口是一带有内部上拉电阻的8

42、位双向i/o口。p1口的输出缓冲能接受或输出4个ttl逻辑门电路。当对p1口写1时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，此时可以作为输入端使用。当作为输入端使用时，p1口因为内部存在上拉电阻，所以当外部被拉低时会输出一个低电流（iil）。p2口：p2是一带有内部上拉电阻的8位双向的i/o端口。p2口的输出缓冲能驱动4个ttl逻辑门电路。当向p2口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（iil）。p2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如movx dptr）时，p2口送出高8位地址数据。在

43、这种情况下，p2口使用强大的内部上拉电阻功能当输出1时。当利用8位地址线访问外部数据存储器时（例movx r1）,p2口输出特殊功能寄存器的内容。当eprom编程或校验时，p2口同时接收高8位地址和一些控制信号。p3口：p3是一带有内部上拉电阻的8位双向的i/o端口。p3口的输出缓冲能驱动4个ttl逻辑门电路。当向p3口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（iil）。p3口同时具有at89c51的多种特殊功能，具体如下表3.1所示。表3.1 p3口的第二功能端口引脚第二功能p3.0rxd (串行输入口

44、)p3.1txd（串行输出口）p3.2 (外部中断0)p3.3（外部中断1）p3.4t0（定时器0）p3.5t1（定时器1）p3.6（外部数据存储器写选通）p3.7（外部数据存储器都选通）rst:复位输入。当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。ale/:当访问外部存储器时，地址锁存允许是一输出脉冲，用以锁存地址的低8位字节。当在flash编程时还可以作为编程脉冲输出（）。一般情况下，ale是以晶振频率的1/6输出，可以用作外部时钟或定时目的。但也要注意，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale脉冲。：程序存储允许时外部程序存储器的读选通信号。当at89c52执行外部

45、程序存储器的指令时，每个机器周期两次有效，除了当访问外部数据存储器时，将跳过两个信号。/vpp:外部访问允许。为了使单片机能够有效的传送外部数据存储器从0000h到fffh单元的指令，必须同gnd相连接。需要主要的是，如果加密位1被编程，复位时ea端会自动内部锁存。当执行内部编程指令时，应该接到vcc端。xtal1：振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。xtal2：振荡器反相放大器的输出端。3.2 频率信号预处理电路单片机是数字信号处理工具。输入单片机的信号必需是离散的数字信号或者是脉冲信号。因此检测来的正弦信号必需经过预处理变为单片机能接受的，且是采集简便，计算工作量较少的信号。首先将信

46、号通过滤波器滤去高频干扰和低频漂移信号，同时也进行线性放大、使之变为一波形正规、幅值适当的正弦信号，然后经过整形电路变为方波信号进入单片机。由单片机来处理后送到显示器进行直观显示。频率信号的预处理电路如图3.2所示。图3. 2 频率信号预处理电路3.2.1降压电路交流电要经过变压器件降压后才可以通过放大、整形电路将信号送入单片机进行处理。本设计因为要将信号送入adc0809进行a/d转换，而adc0809的模拟输入电压范围为05v所以要将交流电压降到5v内，本电路中用的变压器的变比系数为：，所以根据变比系数设定好电感值就做到达到线性降压，电路如图3.3所示。图3. 3 降压电路3.2.2放大电

47、路此电路采用高速、宽频带运放op37，并采用负反馈电路，由负反馈放大电路的原理可知放大倍数n=r4/r5=10。所以此电路将信号的放大倍数为10倍。op37最高工作频率可达63mhz(见图3.4所示)。图3. 4 小信号放大电路3.2.3整形电路波形变换和波形整形电路实现把正弦波样的正负交替的信号波形变换成可以被单片机接受的ttl/coms兼容信号。本设计采用555构成的施密特触发器作为整形电路。整形电路将正弦波转化为5v的方波信号，供单片机进行频率测量。电路如图3.5所示。图3. 5整形电路施密特触发器用于波形变换和整形，有着极为广泛的应用。图3.6是555构成的基本的施密特触发器电路对不同

48、信号的整形、变换波形。图3. 6施密特触发器对波形整形的原理图555可以看成一个r-s触发器，它的位置电平vt-1/3vdd，而其复位电平vt+2/3vdd(阀值电平)。因此，设置r1=r2=10k，使得2、6脚的偏置电压在1/2vdd介于两个阀值电平之间。如图3.4a所示，当输入的正弦波电压的瞬时的电压低于1/3vdd时，555置位，输出呈高电平；而当瞬时电压高于2/3vdd复位，输出呈低电平。在输出端得到规则的矩形脉冲，对波形进行了变换和整形。脉冲信号再传输过程中前后沿产生了振颤或震荡，使用施密特触发器，可以进行整形，如图3.6c、3.6d。3.4 a/d转换电路单片机本身只能识别和处理一

49、种离散的数字信号，而在实际的控制系统中，需要监测和控制的是一些电压、电流等随时间连续变化的电物理量，所以为了实现单片机对一个应用系统的控制和检测，ad转换电路是必不可少的设计环节。本设计a/d转换器采用主次逼近型8位a/d转换芯片adc0809，芯片的管脚图如图3.7所示。图3. 7 adc0809芯片管脚图adc0809是美国国家半导体公司生产的cmos工艺8通道，8位逐次逼近式a/d转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个a/d转换器和一个三态输出锁存器组成（见图1）。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用a/d转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存a/d转换

50、完的数字量，当oe端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行a/d转换。是目前国内应用最广泛的8位通用a/d芯片1主要特性1）8路输入通道，8位ad转换器，即分辨率为8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s(时钟为640khz时)，128s（时钟为500khz时） 4）单个5v电源供电 5）模拟输入电压范围05v，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085摄氏度 7）低功耗，约15mw。 2内部结构adc0809是cmos单片型逐次逼近式ad转换器，内部结构如图3.8所示，它由8路模拟开关

51、、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型a/d转换器、逐次逼近测量结果。图3. 8 adc0809内部结构图3外部特性（引脚功能）adc0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3.7所示。下面说明各引脚功能。 in0in7：8路模拟量输入端。 2-12-8：8位数字量输出端。 adda、addb、addc：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。 ale：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 start： ad转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动a/d转换）。 eoc： ad转换结束信号，输出，当ad转换结束时，此

52、端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 oe：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当ad转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 clk：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640khz。 ref（+）、ref（-）：基准电压。 vcc：电源，单一5v。 gnd：地。 4.adc0809的工作过程首先输入3位地址，并使ale=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。start上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 ad转换，之后eoc输出信号变低，指示转换正在进行。直到ad转换完成，eoc变为高电平，指示ad转换结束，结果数据已存入锁存器

53、，这个信号可用作中断申请。当oe输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 转换数据的传送 a/d转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认a/d转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。 （1）定时传送方式 对于一种a/d转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如adc0809转换时间为128s，相当于6mhz的mcs-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，a/d转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。 （2）查询方式 a/d转换芯片由表

54、明转换完成的状态信号，例如adc0809的eoc端。因此可以用查询方式，测试eoc的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。 （3）中断方式 把表明转换完成的状态信号（eoc）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。 不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，oe信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。 3、adc0809应用说明（1）adc0809内部带有输出锁存器，可以与at89s51单片机直接相连。（2）初始化时，使st和oe信号全为低电平。（3）送要转换的哪一通道的地址到a，b，c端口上。（4）在st端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。（5）是否转换完毕，我们根据eoc信号来判断。（6）当eoc变为高电平时，这时给oe为高电平，转换的数据就输出给单片机了。3.5 看门狗电路部分 看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗不需外接硬件电路，但系统需要出让一个定时器资源，这在许多系统中很难办到，而且若系统软件运行不正常，可能导致看门狗系统也瘫痪。硬件看门狗是真正意义上的“程序运行监视器”，如计数型的看门狗电路通常由555多谐振荡器、