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文档简介
基于单片机正弦波有效值的测量一.简介本作品以单片机STC12C5A60S2为主控芯片并以此为基础,通过二极管1N5819实现半波整流,使用单片机内部自带10位AD对整流后的输入信号进行采样,从而实现对峰值的检测;同时通过运放LM837对输入信号进行放大,之后通过施密特触发器,将原始信号整形成可被单片机识别的标准脉冲波形,之后配合内部计数器(定时器)达到测量其频率的目的;这样,整流和AD采样实现对输入信号峰值的检测;通过放大、整形实现对输入信号频率的检测。二.基本功能与技术指标要求()输入交流电压: ~分五档:① ,② ③ ④ ⑤()正弦频率; ;()检测误差:W;(4)具有检测启动按钮和停止按钮,按下启动按钮开始检测,按下停止按钮停止检测;(5)显示方式:数字显示当前检测的有效是,在停止检测状态下,显示最后一次检测到的有效值;()显示: ,显示分辨率:每档满量程的 1三.理论分析本文要求输入交流信号,通过电路测量其峰值,频率,有效值以及平均值,因为输入的交流信号为模拟信号,而一般处理数据使用的主控芯片单片机处理的是数字信号,所以我们选择使用数模转换器D )将输入的模拟信号转换为数字信号,并进行采样;由于要求输入交流信号电压峰峰值Vpp为50mV〜10V,所以如果我们采用AD为8位,则最小采样精度为三,三_.::=":「,因此会产生78.4%的误差,并且题目要求输入交流信号的频率范围为40Hz〜50kHz,所以为了保证对高频率信号的单周期内采样个数,我们需要选择尽量高速度的AD;因此我们选用使用单片机 ,其内部自带为路位最高速度可达到 ,所以我们可以将最小采样精度缩小到7济_1三短了^^并且在输入交流信号频率最大时( )在单个周期内可采集5个点,因此可保证测量精度。由于该只能接受 的模拟信号输入,所以当我们直接输入一个双极性信号时可能损坏,因此当信号进入之前我们要进行半波整流,为此我们设计了整流电路,在交流信号通过整流电路输入后,由实时输出对应模拟信号大小的二进制数,并存入变量MAX中,随着信号的不断输入乂八*中只保存AD输出过的最大值,这样既可测出输入信号的峰值;由交流信号有效值表达式三二二三可知检波器应当首先把输入的瞬时电压平方,然后在一定平均时间内取平均值再开方。即可得到交流信号的有效值,然后通过比较峰值和有效值的关系即可知道该交流信号的波形;由于要检测交流信号的频率,所以我们使用单片机内部定时器和计数器,而计数器只能由上升沿或是下降沿触发,所以我们想通过施密特触发器将输入交流信号变为高低电平,以便检测其频率,而施密特触发器 在常温供电下门限电压%_ .4=3厨/,而输入交流信号的峰值最小时为,所以不能保证输入信号为正的时候施密特触发器就能发生跳变,因此我们要对输入交流信号进行放大,为此我们设计了放大电路。四.电路设计1电.源电路的设计本次实验我们采用 ,一,一 的电源,故采用了这7四8块1芯2片,组7成9电1源2电路对作品进行供电。如图一所示:图一经过测量实际输出电压为:2.分档设计由于直接对信号测量时,对小信号的测量产生很大的误差,为了更有效的利用单片机的资源,故要对待测信号进行分档处理,但在实际运行中,由于进入放大器之前存在大量电阻产生了很多的噪声干扰,使输出波形严重失真,不能有效的利用,故我们舍弃了该部分的电路。3.整流电路的设计我们使用整流二极管581实9现半波整流,但通过此电路输出波形会出现一个负电压,因此在此基础上,我们在二极管后加了一个上拉电阻,实现最大程度的消除输入波形的负电压,使其在单片机内部的可接收信号范围内( 5输入信号经过整流后进入,由输出位数字信号,再有单片机进行处理,得出信号的有效值。电路如图二所示:在实际的测试中,证明该方案可行,能够实现对信号的半波整流处理。4.正弦波转方波电路设计在该电路的设计中,我们一开始采用55芯5片把正弦波转换为方波,但在实际的测试中发现只能对高于的信号才能使正弦波转换为放波,与我们实习要求不符合,故舍弃了该方案。在老师的指导下,我们采用了滞回比较器来产生方波。本方案检测输入信号频率的核心电路,信号通过由三个运放 组成的运放电路后放大倍,然后输入施密特触发器使其波形变为高低电平,将此波形输入到单片机主控芯片,利用单片机内部的计数器和定时器完成对频率的测量。大部分采用运放 构成放大倍电路,位于图下方由电源供电的运放可以产生一个 的直流电压,将此 的直流电压输入到第一级运放后,会使输入的交流信号上偏2.5,变电为0-,5再电经过的电容滤掉被放大的噪声以及 直流后,变为 一+2的.的交流信号,之后进入二级放大;如图所示第二级运放在加入+2.直的流电电压后输出为电—的电的交流信号,至此外加交流信号已被放大1电倍电;在外加交流信号被放大1电倍之后进入施密特触发器 该触发器在常温供电下门限电压=1.,4输电出高电平,低电平,此部分电路输出即为这个高低电平。电路如图三所示:
RSTPD.7WD7PZH'hEFZ.KASpz^H.npza'H.nALEFZ.^AIZpzs'AtaRSTPD.7WD7PZH'hEFZ.KASpz^H.npza'H.nALEFZ.^AIZpzs'AtaPZ.&'.h.UF工了行.苫PIUTZPin'RXDP1.li^TTE:::F:3JE<DP12P^JZiTMTT]P13PUTffTTP1.+Pl.+iTDP1£P3ST1F1jSP3.&11WP1.7P3.TiTT工nshTX21图三在实际的检测中发现放大器并不能将信号放大10倍0,故幅值较小的信号不能正常显示频率,只要当信号的峰峰值大于时才能使单片机正常显示信号的频率。
.单片机电路采用 单片机,作为整个系统的控制器,控制各个模块协调工作。运用其内部集成的一个作为数模转换器。如图四所示图四系.统整体电路图如图五所示iTJ-.iiTJ-Ti:HiM.iFt-M-CitFt-.T^T卬血吸。Hu跑iFM",F-d-JMJFE.・WCi・qj-j-tF;Md品雄p;-ji:-iiPM。jPJjM-iJPJ-M-i"pj/M日P」上眼:dJpj.imdkF-jj-fm:PJJflTTPJj-iTt-FJ*Tipj>wvrPJ.tht图五四.软件设计流程图如图六图七所示图六图七.正弦波有效值的测量方法工频正弦电压信号u(t)=Usin(2Wt+6=<2Usin(2^t+p)m频率f和初相位角w已知,且甲=0,现以t=0时可作为基准时间,并在t=0时刻开始进行等间隔采样,共得到正弦波u(t)的N个测量值(采样数据)u(0),u(1),……,u(N-1),希望利用这N个测量值来计算正弦波的幅值Um(有效值U)。设采样周期为TS,如果不存在噪音,且测量无偏差,则有
u(0)=Usin(0)=0mu(0)=Usin(2兀4-T)m Su(k)=Usin(2兀.f・K・T)u(N-1)=Usin(2兀・f•(N-1)-T)mS我们可以设法利用测量值求解出正弦波参数。实际上,我们的测量存在误差,同时信号存在噪音,因此,对每一个测量信号u(k),它与对应时刻t=k・TS的正弦波u(t)=Usin(2颂)的S m值u(t)=Usin(2k-f-k-T)存在一个误差e(k),其中k=0,1,…,N-1。m s定义e(k)=Usin(2K•f•k•T)-u(k)mS为了利用N个测量值来尽可能准确的计算正弦波幅值Um,我们定义指标函数为:TOC\o"1-5"\h\z8(U)二12e2(k)=X[U-sin(2K-f-k-T)-u(k)]2m2 m sk=0 k=0它是频率f,幅值Um,初相位角中的函数。我们的目的就是求频率f,幅值Um,初相位角中使得目标函数8最小。为此,令%(Um)=[{[。-sin(2兀-f-k-T)-u(k)]-sin(2兀-f-k-T)}dU m S sm k=0=U.记sin2(2兀-f-k-T)-记u(k)-sin(2兀-f-k-T)=0ms sk=0(1)kk=0(1)可以得到正弦波的幅值记u(k)-sin(2兀f・kT)sU=k=o m就.Z1sin2(2=f-kT)sk=0为了与正弦波的真正幅值Um表示上的区别,用UmC表示利用N个采样数据获得的正弦波幅值计算值,既记u(k)-sin(2兀f・kT)sU=R (2)mC £1sin2(2af-kT)sk=0对于片50Hz(以前面的测量值为准,这里仅为举例),选择采样周期TS心20/200=0.1ms=100us,既每个周期采样200点(每半个周波100次采样),sin(2K•f•k•T)=sin(10K・k) k=0,1,...199是确定的(可以预先求出,存于sin表中),sin2(2n-f・k・TJ同样作为常数表,而且记sin2(2兀・f-kT)=Csk=0本身是一个常数,因此公式(2)变为(3)记u(k)•sin(2K-f•kT)s(3)U =-k=0 mC C当采样周期很小时,数值积分系数C可以用(4)个周期类的数值积分,当采样周期很小时,C=—•fsin2(3t)d(3t)(4)个周期类的数值积分,当采样周期很小时,S0来替代(可以认为C是就用积分项来表示)。就可利用N个等间隔测量值计算出正弦信号的峰值Um。正弦波的有效值与峰值的关系U=UmC (5)cJ2半波绝对值电路:在待测交流信号的正半波,输出待测信号送AD变换电路,在待测信号的负半波,输出0.正半波时,Px.y=0,单片机利用该信号识别是正半波信号,进行AD转换,获得N个采样值。在Px.y=1时,单片机暂停AD变换,利用正半波获得的N个检测信号计算正弦波的有效值U,频率f。.数据测量幅值的测量输入幅值()■■单片机读数()..■误差()表频率的测量被测信号()读值(z误差()3数.据分析由上图可知在输入信号在到的区域内,实验作品的误差较小能够实现有效值的测量,当频率在到时,在误差允许范围内,作品基本能完成对该信号的准确测量。4软.件部分代码:定义接口数据接口启动等待,等讲入工作状态
初始化延时片刻可不要均为位计数器均工作,做定时器,0做计数器;读取此时计数器的读数设置 为输入转换口需要四个指令延时_nop_();_nop_();_nop_();}voidADC_Power_On(){ADC_CONTR|=0x80;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}voidget_ad_result(){unsignedintq=0,ad_average_result;ADC_RES=0;ADC_LOW2=0;ADC_CONTR|=0x08;while(!(ADC_FLAG&ADC_CONTR));ADC_CONTR&=0xE7;ad_average_result=(ADC_RES<<2)+ADC_LOW2;if(data_max<ad_average_result)data_max=ad_average_result;}voidADCONVERT(){ADC_Power_On();IO_ADinit();get_ad_result();}voidInitUART(){SCON=0x5a;PCON|=0x80;检测忙若晶0振;速度/太/高可以在这后加小的延时为时忽略忙检测根据需要检测忙检测忙信号初始化三次显示模式设置不检测忙信号显示模式设置开始要求每次检测忙信号关闭显示显示清屏显示光标移动设置显示开及光标设置限制不能大于不能大于当要显示第二行时地址码算出指令码这里不检测忙信号发送地址码限制不能大于不能大于若到达字串尾则退出坐标应小于显示单个字符个位十位百位千位万位延时延时五.实习总结:匆匆的4周过去了,我们的实习也将步入结束。4周的实习让我感受良多;在这4周中我们从一开始的原理图方案的设计到实习实物的制作再到对作品的调试到最后的验收,经历了种种挫折与挑战。但在同伴的不懈努力以及老师的细心指导下,我们的作品在不断的辩证下产生了,虽然它简陋而粗糙,但它却依旧是我们汗水与努力的结晶。经
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