基于單片機(jī)的電壓頻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的電壓頻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄摘要iabstractii第一章 緒論11.1問題的提出11.2 設(shè)計(jì)的意義11.3 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容1第二章 系統(tǒng)概述32.1 電壓/頻率的測(cè)量方法32.1.1頻率的測(cè)量原理32.1.1.1周期測(cè)量法42.1.1.2直接測(cè)頻法72.1.2電壓測(cè)量方法102.1.2.1 a/d轉(zhuǎn)換法102.1.2.2 v/f轉(zhuǎn)換法142.2方案選擇162.3系統(tǒng)框圖17第三章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)173.1 單片機(jī)處理控制電路183.2 頻率信號(hào)預(yù)處理電路203.2.1小信號(hào)放大電路203.2.2整形電路213.4 a/d轉(zhuǎn)換電路223.5 復(fù)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(shí)序說明333.8 電源電路的設(shè)計(jì)353.9 串口通信電路37第四章 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)414.1系統(tǒng)軟件框圖414.2 頻率測(cè)量子流程圖424.3 a/d轉(zhuǎn)換子流程圖444.4 顯示子程序454.5延時(shí)子程序46第五章 誤差分析475.1 1誤差475.2 時(shí)基誤差475.3 周期測(cè)量法的誤差485.4 多周期同步法的誤差485.5進(jìn)一步提高頻率測(cè)量精度的方案49參考文獻(xiàn)51中英文翻譯52總結(jié)體會(huì)53致謝55附錄56圖目錄圖2. 1 at89c52定時(shí)/計(jì)數(shù)器基本組成3圖2.

3、 2 測(cè)周法測(cè)量頻率時(shí)序圖4圖2. 3 周期測(cè)量法流程圖5圖2. 4 多周期同步法測(cè)頻原理圖6圖2. 5 同步法測(cè)量頻率時(shí)序圖6圖2. 6 多周期同步測(cè)量法的流程圖7圖2. 7 直接測(cè)頻率測(cè)頻原理圖8圖2. 8 計(jì)數(shù)法設(shè)計(jì)軟件流程圖8圖2. 9 直接測(cè)頻法原理框圖9圖2. 10三位并行a/d轉(zhuǎn)換器原理圖10圖2. 11逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器的工作原理圖12圖2. 12 雙積分型ad轉(zhuǎn)換器的框圖13圖2. 13 雙積分ad轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)框圖16

4、圖2. 17 電壓、頻率檢測(cè)系統(tǒng)框圖17圖3. 1 at89c52單片機(jī)引腳圖19圖3. 2 頻率信號(hào)預(yù)處理電路21圖3. 3 降壓電路22圖3. 4 小信號(hào)放大電路22圖3. 5整形電路23圖3. 6施密特觸發(fā)器對(duì)波形整形的原理圖23圖3. 7 adc0809芯片管腳圖24圖3. 8 adc0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shí)序33圖3. 15 寫操作時(shí)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(tǒng)總流程圖41圖4. 2頻率測(cè)量子流程圖43圖4. 3 a/d轉(zhuǎn)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(shí)延原理50表目錄表2.1并行比較型ad轉(zhuǎn)換器的輸入輸出關(guān)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(shí)序表34表3.6 rs-232c接口信號(hào)表38表5.

6、1相對(duì)誤差49摘要隨著信息化、數(shù)字化在各行各業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)系統(tǒng)中的信息化、數(shù)字化也將成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。尤其在狹小的空間操作時(shí)，經(jīng)常要面對(duì)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(yīng)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(cè)量的技術(shù)，設(shè)計(jì)出電壓頻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的操作空間，提高工作效。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)at89c52為核心，結(jié)合外圍信號(hào)放大、整形電路,通過對(duì)輸出波形的計(jì)數(shù)和對(duì)模擬電壓的采樣、量化得到交流電頻率和電壓的數(shù)字量，將所得數(shù)據(jù)通過串行接口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行直觀顯示，很好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)電壓頻率的監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)結(jié)

7、構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量誤差小，具有很高的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；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(shù)字化在各行各業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)系統(tǒng)中的信息化、數(shù)字化也將成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。計(jì)算機(jī)和智能儀器等各種設(shè)備已經(jīng)大量進(jìn)入各個(gè)領(lǐng)域。尤其在狹小的空間操作時(shí)，經(jīng)常要面對(duì)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(shí)，容易造成工作人員的誤操作或反應(yīng)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(cè)量的技術(shù)，設(shè)計(jì)出電壓頻率檢測(cè)系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的操作空間，提高工作效率。1.2 設(shè)計(jì)的意義

12、本設(shè)計(jì)提出一種進(jìn)行交流電頻率、電壓測(cè)量的方法，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的操作空間。使操作人員更加直觀的進(jìn)行系統(tǒng)供電頻率、電壓的監(jiān)測(cè)，而不用先找位置，再進(jìn)行各種儀表體積、量程的對(duì)比確認(rèn)，最后才進(jìn)行觀測(cè)參數(shù)的讀取，簡(jiǎn)化了操作員操作過程，節(jié)省了操作時(shí)間。電壓和頻率是反映電能質(zhì)量的兩個(gè)主要指標(biāo)，本設(shè)計(jì)中介紹了電壓、頻率的測(cè)量原理以及如何利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電壓、頻率的測(cè)量和將所得測(cè)量數(shù)據(jù)通過串行接口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行直觀顯示。這種測(cè)量裝置硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量誤差小、價(jià)格低，具有很高的實(shí)用價(jià)值，可以作為測(cè)試儀器使用，也可以作為監(jiān)測(cè)裝置的一部分。1.3 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容1.本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：該設(shè)計(jì)主要用單片機(jī)設(shè)計(jì)電壓頻率測(cè)量系統(tǒng)，

13、來完成對(duì)電壓頻率測(cè)量的基本功能，包括顯示功能，傳感器數(shù)據(jù)采集及處理功能和單片機(jī)系統(tǒng)與上位機(jī)通信的功能。2.設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要功能提出系統(tǒng)的硬件方案和方案論證優(yōu)化；根據(jù)要求完成單片機(jī)的基本系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；完成對(duì)電壓、頻率等信號(hào)的檢測(cè)和接口電路的設(shè)計(jì)；完成顯示電路的設(shè)計(jì)；完成軟件需求的系統(tǒng)分析。3.設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)電壓范圍：0-250v；頻率范圍：0-9999hz；檢測(cè)周期：次秒；測(cè)量精度：電壓1v，頻率1 hz。第二章 系統(tǒng)概述2.1 電壓/頻率的測(cè)量方法對(duì)于單片機(jī)為核心構(gòu)成的檢測(cè)儀器，測(cè)量電壓、頻率時(shí)有多種方法，一般根據(jù)不同的要求，采用不同的測(cè)量方法，這樣可以提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。更好的達(dá)到設(shè)計(jì)要

14、求。2.1.1頻率的測(cè)量原理交變信號(hào)或脈沖信號(hào)的頻率是指在單位時(shí)間內(nèi)由信號(hào)所產(chǎn)生的交變次數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)，即fx=n/t?？梢钥闯鰷y(cè)量fx必須將n或t兩個(gè)量之一作為閘門或基準(zhǔn)，對(duì)另一個(gè)量進(jìn)行測(cè)量。對(duì)fx的測(cè)量是由電路提供標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào)即t=tz，tz通常為1s或它的十倍百倍等，然后對(duì)tz內(nèi)的被測(cè)信號(hào)變化的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到nx，即可得到fx=nx/tz。對(duì)于低頻信號(hào)，如果利用電子計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻，由于1誤差所引起的測(cè)頻誤差將會(huì)大到不可允許的程度，例如，fx=10hz,t=1s,則由1誤差引起的測(cè)頻誤差可達(dá)10%。所以，為了提高測(cè)量低頻時(shí)的準(zhǔn)確度，數(shù)字電路中采用的是測(cè)周法，即tx=l/fx=t/n。由電

15、路提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)ts，將被測(cè)信號(hào)的周期作為閘門，將測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)tx=nxts。利用51系列單片機(jī)，采用上述測(cè)量原理，標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)可由單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器提供，只需采用簡(jiǎn)單的程序控制就可測(cè)得對(duì)應(yīng)的經(jīng)過信號(hào)預(yù)處理的fx或tx。根據(jù)單片機(jī)at89c52定時(shí)器/計(jì)數(shù)器t0方式1結(jié)構(gòu)圖(如圖2.1)可知，t0計(jì)數(shù)脈沖控制電路中，有一個(gè)方式電子開關(guān)，當(dāng) c/t=0時(shí)，方式電子開關(guān)打在上面，以振蕩器的十二分頻信號(hào)作為t1的計(jì)數(shù)信號(hào)，此時(shí)作為定時(shí)器用；c/t=1時(shí)，方式電子開關(guān)打在下面，此時(shí)以t0 (p3.5)引腳上的輸人脈沖作為t0的計(jì)數(shù)脈沖，此時(shí)可對(duì)外界脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。

16、c/t的狀態(tài)可由t0的方式寄存器tmod進(jìn)行設(shè)置。定時(shí)/計(jì)數(shù)器t1與之相類似。圖2. 1 at89c52定時(shí)/計(jì)數(shù)器基本組成2.1.1.1周期測(cè)量法測(cè)周期法又稱計(jì)時(shí)法，適用于低頻信號(hào)。是利用周期和頻率之間互為倒數(shù)的關(guān)系，通過測(cè)量周期性矩形脈沖信號(hào)一個(gè)或多個(gè)周期的時(shí)間，取其一個(gè)周期的倒數(shù)即為該脈沖信號(hào)的頻率。測(cè)周法測(cè)量頻率時(shí)序圖如圖2.2所示。圖2. 2 測(cè)周法測(cè)量頻率時(shí)序圖將單片機(jī)的p3.2端口作為脈沖信號(hào)的輸入端，利用中斷方式，當(dāng)外部中斷int0檢測(cè)到第一個(gè)脈沖下降沿時(shí)，開啟定時(shí)器t1，緊接著當(dāng)檢測(cè)到第二個(gè)脈沖下降沿時(shí)，關(guān)閉定時(shí)器t1，此時(shí)定時(shí)器內(nèi)部累積的時(shí)間即為該脈沖的周期，取其倒數(shù)則可得

17、到其頻率。而實(shí)際設(shè)計(jì)中，考慮到為了提高測(cè)量精度和保證測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)刷新，可根據(jù)不同的頻率范圍選擇適當(dāng)?shù)闹芷跀?shù)m，然后取其平均值來減少測(cè)量誤差。設(shè)計(jì)軟件流程圖如圖2.3所示。圖2. 3 周期測(cè)量法流程圖多周期同步測(cè)量法綜合運(yùn)用了計(jì)數(shù)法和測(cè)周法，進(jìn)一步提高了測(cè)量精度，充分利用了單片機(jī)內(nèi)部的中斷源，使被測(cè)信號(hào)與單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)同步，實(shí)現(xiàn)了同步測(cè)量。多周期同步法適用于中頻信號(hào)。其特點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)不是用來填充待測(cè)信號(hào)的周期，而是與待測(cè)信號(hào)分別輸入到兩個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行同步計(jì)數(shù)。當(dāng)單片機(jī)給出閘門關(guān)閉信號(hào)后，計(jì)數(shù)器并不立即停止計(jì)數(shù)而是等到被測(cè)信號(hào)上升沿到來的時(shí)刻才真正結(jié)束計(jì)數(shù)，完成一次測(cè)量過程(見圖2.4)。

18、可以看出，實(shí)際閘門與參考閘門并不嚴(yán)格相等，但最大差值不超過被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期。設(shè)對(duì)被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)值為nx，對(duì)時(shí)基信號(hào)的計(jì)數(shù)值為n0，時(shí)基信號(hào)的頻率為f0，則被測(cè)信號(hào)的頻率為: fx=nx/n0f0 。 圖2. 4 多周期同步法測(cè)頻原理圖同步法測(cè)量頻率時(shí)序圖如圖2.5所示。圖2. 5 同步法測(cè)量頻率時(shí)序圖 將單片機(jī)的p3.2和p3.4端口同時(shí)作為脈沖信號(hào)的輸入端，單片機(jī)工作于中斷模式，當(dāng)外部中斷0檢測(cè)到被測(cè)脈沖（p3.2口）其中一個(gè)下降沿時(shí)，同時(shí)去開啟計(jì)數(shù)器t0和定時(shí)器t1，使t0對(duì)被測(cè)脈沖（p3.4口）進(jìn)行累積計(jì)數(shù)，t1進(jìn)行內(nèi)部累積計(jì)時(shí)，并且關(guān)閉當(dāng)前外部中斷響應(yīng)模式，此時(shí)做到了測(cè)量開始的同步。

19、直至設(shè)定的計(jì)數(shù)時(shí)間t1到，然后再重新打開外部中斷，而此時(shí)并不會(huì)立即關(guān)閉計(jì)數(shù)器t0和定時(shí)器t1，而是要等到被測(cè)脈沖的下一個(gè)下降沿到來觸發(fā)外部中斷0響應(yīng)后，再去同時(shí)關(guān)閉計(jì)數(shù)器t0和定時(shí)器t1，此時(shí)做到了測(cè)量結(jié)束的同步。最后分別取出計(jì)數(shù)器t0中的計(jì)數(shù)值n和定時(shí)器t1的內(nèi)部計(jì)時(shí)時(shí)間t1代入公式f=n/t1進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，送數(shù)碼管顯示被測(cè)脈沖頻率。定時(shí)器t1中的設(shè)定計(jì)數(shù)時(shí)間t1主要用來完成對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)刷新周期的控制，即每一次測(cè)量過程中對(duì)脈沖采集時(shí)間的設(shè)定，為了保證測(cè)量和顯示的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新，一般t1取0.5s到1s為佳。設(shè)計(jì)軟件流程圖如圖2.6所示。圖2. 6 多周期同步測(cè)量法的流程圖2.1.1.2直接測(cè)頻法

20、適用于高頻信號(hào)。充分利用單片機(jī)內(nèi)的兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器。一個(gè)作為定時(shí)器，給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào)tx；另一個(gè)作為計(jì)數(shù)器，對(duì)fx的變化次數(shù)直接進(jìn)行計(jì)數(shù)得nx，得fx=nx/tz。測(cè)量原理如圖2.7所示。圖2. 7 直接測(cè)頻率測(cè)頻原理圖計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率是利用單片機(jī)內(nèi)部?jī)蓚€(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器t0和t1，使一個(gè)工作在定時(shí)模式，另一個(gè)工作在計(jì)數(shù)模式下完成測(cè)量功能的。計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率時(shí)序如圖2.8所示。圖2. 8 計(jì)數(shù)法設(shè)計(jì)軟件流程圖用定時(shí)器t1來產(chǎn)生一個(gè)1s的時(shí)鐘基準(zhǔn)，同時(shí)計(jì)數(shù)器t0對(duì)由p3.4口輸入的周期性矩形脈沖信號(hào)的下降沿進(jìn)行累積計(jì)數(shù)，再將累積計(jì)數(shù)值m送數(shù)碼管顯示。設(shè)計(jì)軟件流程圖如圖2.9所示：圖2. 9 直接測(cè)頻法

21、原理框圖在計(jì)數(shù)器工作方式下，加至外部引腳的待測(cè)信號(hào)發(fā)生從0到1的跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加1，這樣在定時(shí)閘門信號(hào)的控制下可以用來測(cè)量待測(cè)信號(hào)的頻率。將51單片機(jī)內(nèi)的兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器分別定義為：t0為計(jì)數(shù)器，t1為定時(shí)器，均采用方式1，即方式控制字tmod為#51h。外部輸入在每個(gè)機(jī)器周期被采樣一次，檢測(cè)一次從到的跳變需要個(gè)機(jī)器周期，所以最大計(jì)數(shù)頻率為0.5mhz。定時(shí)計(jì)數(shù)沒有溢出的最大計(jì)數(shù)值為65535。2.1.2電壓測(cè)量方法 2.1.2.1 a/d轉(zhuǎn)換法所謂a/d轉(zhuǎn)換法就是將被測(cè)電壓信號(hào)經(jīng)過阻抗匹配,變成單片機(jī)可測(cè)量的電壓范圍,后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)得相應(yīng)的電壓值。直接型a/d轉(zhuǎn)換器可直接將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信

22、號(hào)，這類轉(zhuǎn)換器工作速度快。并行比較型和逐次比較型a/d轉(zhuǎn)換器屬于這一類。而間接型a/d轉(zhuǎn)換器先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成中間量（如時(shí)間、頻率等），然后再將中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換速度比較慢。雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器則屬于間接型a/d轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器，在精度、轉(zhuǎn)換速度和價(jià)格上都適中，是最常用的a/d轉(zhuǎn)換器件。雙積分a/d轉(zhuǎn)換器，具有高精度、抗干擾性好的、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，但轉(zhuǎn)換速度低。1.并行比較型a/d轉(zhuǎn)換器圖2. 10三位并行a/d轉(zhuǎn)換器原理圖3位并行比較型a/d轉(zhuǎn)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(gè)電阻將參考電壓vref分成八個(gè)等級(jí)，其中

23、七個(gè)等級(jí)的電壓分別作為七個(gè)比較器c1c7的參考電壓，其數(shù)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(dāng)0 ui（vref/15）時(shí)，c1c7的輸出狀態(tài)都為0；當(dāng)（3vref/15）ui（5vref/15）時(shí)，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(jù)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(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由d觸發(fā)器存儲(chǔ)，cp作用后，觸發(fā)器的輸出狀態(tài)q7 q1與對(duì)應(yīng)的比較器的輸出狀態(tài)c07 c01相同。經(jīng)代碼轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)(優(yōu)先編碼器)輸出數(shù)字量d2d1d0。優(yōu)先編碼器

24、優(yōu)先級(jí)別最高是q7，最低是q1。設(shè)ui變化范圍是0vref，輸出3位數(shù)字量為d2、d1、d0，3位并行比較型a/d轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出關(guān)系如表2.1所示。通過觀察此表，可確定代碼轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)輸出、輸入之間的邏輯關(guān)系 d2=q4d1=q6 在并行ad轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓ui同時(shí)加到所有比較器的輸出端，從ui加入經(jīng)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(rèn)為輸出的數(shù)字量是與ui輸入時(shí)刻同時(shí)獲得的。并行a/d轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時(shí)間短，可小到幾十納秒，但所用的元器件較多，如一個(gè)n位轉(zhuǎn)換器，所用的比較器的個(gè)數(shù)為2n-1個(gè)。表2.1并行比較型ad轉(zhuǎn)換器的輸入輸出關(guān)系模擬量輸出

25、 比較器輸出狀態(tài) 數(shù)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(zhuǎn)換器產(chǎn)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(zhuǎn)換器的工作原理圖2. 11逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器的工作原理圖逐次逼近轉(zhuǎn)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(jìn)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(gè)次重砝碼，由物體的重量是否大于砝碼的重量決定第二個(gè)砝碼是留下還是移去。照此一直加到最小一個(gè)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(zhuǎn)換器，就是

27、將輸入模擬信號(hào)與不同的參考電壓作多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量對(duì)應(yīng)值。對(duì)2.11的電路，它由啟動(dòng)脈沖啟動(dòng)后，在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖作用下，控制電路使時(shí)序產(chǎn)生器的最高位置1，其他位置0，其輸出經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器將10000，送入d/a轉(zhuǎn)換器。輸入電壓首先與d/a轉(zhuǎn)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(jié)果存于數(shù)據(jù)寄存器的dn-1位。然后在第二個(gè)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(shí) 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(shù)字量。3.雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器屬于間接型a/d轉(zhuǎn)換器，它是把待轉(zhuǎn)換的輸入模擬電壓先轉(zhuǎn)換為一個(gè)中間變量，例如時(shí)間t；然后再對(duì)中間變量量化編碼，得出轉(zhuǎn)換結(jié)果，這種ad轉(zhuǎn)換器多稱為電壓-時(shí)間變換型（簡(jiǎn)稱vt型）。圖2.12 給出的是vt型雙積分式ad轉(zhuǎn)換器的原理圖。圖2. 12 雙積分型ad轉(zhuǎn)換器的框圖轉(zhuǎn)換開始前，先將計(jì)數(shù)器清零，并接通s0使電容c完全放電。轉(zhuǎn)換開始，斷開s0。整個(gè)轉(zhuǎn)換過程分兩階段進(jìn)行。第一階段，令開關(guān)s1置于輸

29、入信號(hào)ui一側(cè)。積分器對(duì)ui進(jìn)行固定時(shí)間t1的積分。積分結(jié)束時(shí)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(zhuǎn)換電路對(duì)輸入模擬電壓的采樣過程。在采樣開始時(shí)，邏輯控制電路將計(jì)數(shù)門打開，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到滿量程n時(shí)，計(jì)數(shù)器由全“1”復(fù)“0”，這個(gè)時(shí)間正好等于固定的積分時(shí)間t1。計(jì)數(shù)器復(fù)“0”時(shí)，同時(shí)給出一個(gè)溢出脈沖（即進(jìn)位脈沖）使控制邏輯電路發(fā)出信號(hào)，令開關(guān)s1轉(zhuǎn)換至參考電壓-vref一側(cè)，采樣階段結(jié)束。第二階段稱為定速率積分過程，將uo1轉(zhuǎn)換為成比例的時(shí)間間隔。采樣階段結(jié)束時(shí)，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(jì)數(shù)器由0開始

30、計(jì)數(shù)，經(jīng)過t2時(shí)間，積分器輸出電壓回升為零，過零比較器輸出低電平，關(guān)閉計(jì)數(shù)門，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，同時(shí)通過邏輯控制電路使開關(guān)s1與ui相接，重復(fù)第一步。如圖2.13所示。因此得到： 即 式表明，反向積分時(shí)間t2與輸入模擬電壓成正比。在t2期間計(jì)數(shù)門g2打開，標(biāo)準(zhǔn)頻率為fcp的時(shí)鐘通過g2，計(jì)數(shù)器對(duì)ug計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果為d，由于 t1=n1tcp t2=dtcp 則計(jì)數(shù)的脈沖數(shù)為 計(jì)數(shù)器中的數(shù)值就是ad轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后數(shù)字量，至此即完成了vt轉(zhuǎn)換。若輸入電壓ui1ui，uo1uo1，則，它們之間也都滿足固定的比例關(guān)系，如圖2.13所示。圖2. 13 雙積分ad轉(zhuǎn)換器波形圖雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器若與逐次逼近型

31、a/d轉(zhuǎn)換器相比較，因有積分器的存在，積分器的輸出只對(duì)輸入信號(hào)的平均值有所響應(yīng)，所以，它突出優(yōu)點(diǎn)是工作性能比較穩(wěn)定且抗干擾能力強(qiáng)；由式以上分析可以看出，只要兩次積分過程中積分器的時(shí)間常數(shù)相等，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果與rc無關(guān)，所以，該電路對(duì)rc精度的要求不高，而且電路的結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單。雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器屬于低速型ad轉(zhuǎn)換器，一次轉(zhuǎn)換時(shí)間在12ms，而逐次比較型a/d轉(zhuǎn)換器可達(dá)到1ms。不過在工業(yè)控制系統(tǒng)中的許多場(chǎng)合，毫秒級(jí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間已經(jīng)足足有余，雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)正好有了用武之地。2.1.2.2 v/f轉(zhuǎn)換法v/f轉(zhuǎn)換法是將被測(cè)電壓加到v/f轉(zhuǎn)換器上,然后對(duì)輸出的頻率進(jìn)行測(cè)量,后經(jīng)單片機(jī)內(nèi)

32、部程序的換算轉(zhuǎn)換為電壓值。有良好的精度、線性和積分輸入特點(diǎn)，此外它的應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，外圍元件要求不高，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)速不低于一般的雙積分a/d器件，且價(jià)格低，因此v/f轉(zhuǎn)換技術(shù)廣泛用于非快速a/d過程中。 電壓/頻率(v/f)轉(zhuǎn)換器能把輸入信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號(hào)，即它的輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)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(shí)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(jīng)rc積分電路反饋到輸入端，就能構(gòu)成多諧振蕩器。如果改用一個(gè)由輸入電壓vi控制的電流源對(duì)

33、輸入端的電容反復(fù)充、放電，如圖2.14a所示，則充、放電時(shí)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(jié)構(gòu) (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(dāng)充、放電電流i0增大時(shí)，充電時(shí)間t1和放電時(shí)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(duì)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(gòu)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(zhuǎn)換控制開關(guān)，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(shè)接通電源后觸發(fā)器處于q=0的狀態(tài)，則tp1和tn2導(dǎo)通而tn1和tp2截止，電流i0經(jīng)tp1和tn2自左向右地向電容cex1充電。隨著充電過程的進(jìn)行va逐漸升高。當(dāng)va升至g3的閾值電壓vth時(shí)，觸發(fā)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為q=1，于是tp1和tn2截止而tn1和tp2導(dǎo)通。電流i0轉(zhuǎn)而經(jīng)tn1和tp2自右向左地向電容cex1充電。隨著充電過程的進(jìn)行vb逐漸升高。當(dāng)vb升至g4的閾值電壓vth以后，觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)為q=0的狀態(tài)，cex1重新自左向右地充電。如此周而復(fù)始，在輸出端vo就得到了矩形輸出脈沖。3 .定時(shí)器型壓控振蕩器現(xiàn)以lm331為例介

35、紹定時(shí)器型壓控振蕩器的基本原理。圖2.16是lm331的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gòu)成的定時(shí)電路，另一部分是用基準(zhǔn)電壓源、電壓跟隨器a和鏡像電流源構(gòu)成的電流源及開關(guān)控制電路。圖2. 16 lm331的電路結(jié)構(gòu)框圖下面具體分析一下它的工作過程。剛接通電源時(shí)cl和ct兩個(gè)電容上沒有電壓，若輸入控制電壓vi為大于零的某個(gè)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(dǎo)通，vo=0。同時(shí)鏡像電流源輸出端開關(guān)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(shí)開始充電。

36、當(dāng)ct上的電壓vct上升到2/3vcc時(shí)，則觸發(fā)器被置成q=0，t2截止，vo=1。同時(shí)開關(guān)s轉(zhuǎn)接到地，cl開始向rl放電。而變?yōu)楦唠娖胶笫箃3導(dǎo)通，ct通過t3迅速放電至vct0，并使比較器c2的輸出為0。當(dāng)cl放電到vclvi時(shí)，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(fù)上面的過程。如此反復(fù)，便在vo端得到矩形輸出脈沖。2.2系統(tǒng)方案選擇根據(jù)前面電壓、頻率的測(cè)量原理，以及本設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，綜合考慮電壓、頻率測(cè)量精度以及外測(cè)量范圍、反應(yīng)時(shí)間等等，頻率測(cè)量選擇用直接測(cè)頻率法來測(cè)量，采用這種方法測(cè)量簡(jiǎn)單而且可以保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。而對(duì)于電壓測(cè)量則采

37、用a/d轉(zhuǎn)換法，用逐次型a/d轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量再將數(shù)字量送入單片機(jī)的方法來進(jìn)行測(cè)量，這樣可以達(dá)到更好達(dá)到測(cè)量的精度要求，同時(shí)也很好的利用了單片機(jī)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(tǒng)總體框圖本設(shè)計(jì)以單片機(jī)at89c52為核心，結(jié)合外圍信號(hào)放大、整形電路,通過對(duì)輸出波形的計(jì)數(shù)和對(duì)模擬電壓的采樣、量化得到交流電頻率和電壓的數(shù)字量，將所得數(shù)據(jù)通過串行接口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行直觀顯示，很好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)電壓頻率的監(jiān)測(cè)。測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路主要包含降壓穩(wěn)壓電路、信號(hào)預(yù)處理電路、ad轉(zhuǎn)換電路以及單片機(jī)at89c52處理控制電路、串口輸出電路幾部分構(gòu)成，測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖2.1

38、7所示。圖2. 17 電壓、頻率檢測(cè)系統(tǒng)框圖系統(tǒng)電路的工作原理簡(jiǎn)述如下：交流電壓經(jīng)過隔離變壓器隔離降壓、限流變?yōu)閍/d轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)能接受電壓范圍，然后分成兩路電壓輸入信號(hào)。一路輸入用于頻率測(cè)量，輸入信號(hào)經(jīng)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(hào)轉(zhuǎn)換成5 v的方波信號(hào)，然后送到單片機(jī)。單片機(jī)接收外部脈沖，啟動(dòng)定時(shí)計(jì)數(shù)器對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，從而計(jì)算得出相應(yīng)的頻率值；另外一路輸入用于電壓測(cè)量值，輸入信號(hào)經(jīng)過分壓被送到ad轉(zhuǎn)換部分，經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換，將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送到單片機(jī)p0口，得到量化電壓值；同時(shí)，串口電路部分則負(fù)責(zé)將得到的頻率值、電壓值發(fā)送

39、至上位機(jī)，從而，上位機(jī)對(duì)頻率值和電壓值進(jìn)行直觀的顯示。這樣可以很好的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)所要求的功能。第三章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)處理控制電路測(cè)量電路選用at89c52作為頻率計(jì)的信號(hào)處理核心。at89系列單片機(jī)是美國(guó)atmel公司近年來推出的一種新型高性能低價(jià)位，低電壓，低功耗的8位cmos微型計(jì)算機(jī)。它的顯著優(yōu)點(diǎn)是：內(nèi)含flash存儲(chǔ)器，這在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，可隨意進(jìn)行程序修改，既便錯(cuò)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(shí)在系統(tǒng)工作過程中能有效地保存數(shù)據(jù)信息。采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，節(jié)省電能，這對(duì)于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有利。由于它是以8031核構(gòu)成的，所以它

40、與msc-51系列單片機(jī)相兼容，這對(duì)于熟悉msc-51系列的廣大用戶來說，用at89系列單片機(jī)取代51系列進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)是輕而易舉的。圖3. 1 at89c52單片機(jī)引腳圖at89c52是一個(gè)低電壓，高性能cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k8的可反復(fù)擦寫的flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和flash存儲(chǔ)單元，at89c52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)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(shí)，每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng)8個(gè)ttl邏輯門電路。當(dāng)對(duì)0端口寫入1時(shí)，可以作為高阻抗輸入端使用。當(dāng)p0口訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，它還可設(shè)定成地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用的形式。在這種模式下，p0口具有內(nèi)部上拉電阻。在eprom編程時(shí)，p0口接收指令字節(jié)，同時(shí)輸出指令字節(jié)在程序校驗(yàn)時(shí)。程序校驗(yàn)時(shí)需要外接上拉電阻。p1口：p1口是一帶有內(nèi)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(gè)ttl邏輯門電路。當(dāng)對(duì)p1口寫1時(shí)，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉升為高電平，此時(shí)可以作為輸入端使用。當(dāng)作為輸入端使用時(shí)，p1口因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，所以當(dāng)外部被拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)低電流（iil）。p2口：p2是一帶有內(nèi)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(qū)動(dòng)4個(gè)ttl邏輯門電路。當(dāng)向p2口寫1時(shí)，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可以用作輸入口。作為輸入口，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出電流（iil）。p2口在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如movx dptr）時(shí)，p2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在這種情況下，p2口使用強(qiáng)大的內(nèi)部上拉電阻功能當(dāng)輸出1時(shí)。當(dāng)利用8位地址線訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)（例movx r1）,p2口輸出特殊功能寄存器的內(nèi)容。當(dāng)eprom編程或校驗(yàn)時(shí)，p2口同時(shí)接收高8位地址和一些控制信號(hào)。p3口：p3是一帶有內(nèi)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(qū)動(dòng)4個(gè)ttl邏輯門電路。當(dāng)向p3口寫1時(shí)，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可以用作輸入口。作為輸入口，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出電流（iil）。p3口同時(shí)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(shí)器0）p3.5t1（定時(shí)器1）p3.6（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）p3.7（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都選通）rst:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，rst引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使

44、單片機(jī)復(fù)位。ale/:當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(dāng)在flash編程時(shí)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(shí)鐘或定時(shí)目的。但也要注意，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ale脈沖。：程序存儲(chǔ)允許時(shí)外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。當(dāng)at89c52執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的指令時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效，除了當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過兩個(gè)信號(hào)。/vpp:外部訪問允許。為了使單片機(jī)能夠有效的傳送外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(fù)位時(shí)ea端會(huì)自動(dòng)內(nèi)部

45、鎖存。當(dāng)執(zhí)行內(nèi)部編程指令時(shí)，應(yīng)該接到vcc端。xtal1：振蕩器反相放大器以及內(nèi)部時(shí)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(hào)預(yù)處理電路單片機(jī)是數(shù)字信號(hào)處理工具。輸入單片機(jī)的信號(hào)必需是離散的數(shù)字信號(hào)或者是脈沖信號(hào)。因此檢測(cè)來的正弦信號(hào)必需經(jīng)過預(yù)處理變?yōu)閱纹瑱C(jī)能接受的，且是采集簡(jiǎn)便，計(jì)算工作量較少的信號(hào)。首先將信號(hào)通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號(hào)，同時(shí)也進(jìn)行線性放大、使之變?yōu)橐徊ㄐ握?guī)、幅值適當(dāng)?shù)恼倚盘?hào)，然后經(jīng)過整形電路變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)進(jìn)入單片機(jī)。由單片機(jī)來處理后送到顯示器進(jìn)行直觀顯示。頻率信號(hào)的預(yù)處理電路如圖3.2所示。圖3. 2 頻率信號(hào)預(yù)處理電路3.2.1降壓

46、電路交流電要經(jīng)過變壓器件降壓后才可以通過放大、整形電路將信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理。本設(shè)計(jì)因?yàn)橐獙⑿盘?hào)送入adc0809進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)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(nèi)，本電路中用的變壓器的變比系數(shù)為：，所以根據(jù)變比系數(shù)設(shè)定好電感值就做到達(dá)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(yùn)放op37，并采用負(fù)反饋電路，由負(fù)反饋放大電路的原理可知放大倍數(shù)n=r4/r5=10。所以此電路將信號(hào)的放大倍數(shù)為10倍。op37最高工作頻率可達(dá)63mhz(見圖3.4所示)。圖3. 4 小信號(hào)放大電路3.2.3整形電路波形變換和波形

47、整形電路實(shí)現(xiàn)把正弦波樣的正負(fù)交替的信號(hào)波形變換成可以被單片機(jī)接受的ttl/coms兼容信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器作為整形電路。整形電路將正弦波轉(zhuǎn)化為5v的方波信號(hào)，供單片機(jī)進(jìn)行頻率測(cè)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(yīng)用。圖3.6是555構(gòu)成的基本的施密特觸發(fā)器電路對(duì)不同信號(hào)的整形、變換波形。圖3. 6施密特觸發(fā)器對(duì)波形整形的原理圖555可以看成一個(gè)r-s觸發(fā)器，它的位置電平vt-1/3vdd，而其復(fù)位電平vt+2/3vdd(閥值電平)。因此，設(shè)置r1=r2=10k，使得2、6腳的偏置電壓在1/2vdd介于兩個(gè)閥值電平之間。如

48、圖3.4a所示，當(dāng)輸入的正弦波電壓的瞬時(shí)的電壓低于1/3vdd時(shí)，555置位，輸出呈高電平；而當(dāng)瞬時(shí)電壓高于2/3vdd復(fù)位，輸出呈低電平。在輸出端得到規(guī)則的矩形脈沖，對(duì)波形進(jìn)行了變換和整形。脈沖信號(hào)再傳輸過程中前后沿產(chǎn)生了振顫或震蕩，使用施密特觸發(fā)器，可以進(jìn)行整形，如圖3.6c、3.6d。3.4 a/d轉(zhuǎn)換電路單片機(jī)本身只能識(shí)別和處理一種離散的數(shù)字信號(hào)，而在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，需要監(jiān)測(cè)和控制的是一些電壓、電流等隨時(shí)間連續(xù)變化的電物理量，所以為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的控制和檢測(cè)，ad轉(zhuǎn)換電路是必不可少的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)a/d轉(zhuǎn)換器采用主次逼近型8位a/d轉(zhuǎn)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(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的cmos工藝8通道，8位逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器。它由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè)a/d轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成（見圖1）。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用a/d轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(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(dāng)oe端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)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(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。 2）具

50、有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。 3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s(時(shí)鐘為640khz時(shí))，128s（時(shí)鐘為500khz時(shí)） 4）單個(gè)5v電源供電 5）模擬輸入電壓范圍05v，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。 6）工作溫度范圍為-4085攝氏度 7）低功耗，約15mw。 2內(nèi)部結(jié)構(gòu)adc0809是cmos單片型逐次逼近式ad轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.8所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型a/d轉(zhuǎn)換器、逐次逼近測(cè)量結(jié)果。圖3. 8 adc0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shù)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(hào)，輸入，高電平有效。 start： ad轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換）。 eoc： ad轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)ad轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 oe：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)ad轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 clk：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640khz。 ref（+）、ref（-）：基準(zhǔn)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(jīng)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(fù)位。下降沿啟動(dòng) ad轉(zhuǎn)換，之后eoc輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到ad轉(zhuǎn)換完成，eoc變?yōu)楦唠娖?，指示ad轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)oe輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 a/d轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)a/d轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述

53、三種方式。 （1）定時(shí)傳送方式 對(duì)于一種a/d轉(zhuǎn)換其來說，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如adc0809轉(zhuǎn)換時(shí)間為128s，相當(dāng)于6mhz的mcs-51單片機(jī)共64個(gè)機(jī)器周期?？蓳?jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，a/d轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用此子程序，延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 （2）查詢方式 a/d轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)，例如adc0809的eoc端。因此可以用查詢方式，測(cè)試eoc的狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 （3）中斷方式 把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)（eoc）作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 不管使用上述哪種方式，只要一旦確

54、定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號(hào)有效時(shí)，oe信號(hào)即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接受。 3、adc0809應(yīng)用說明（1）adc0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與at89s51單片機(jī)直接相連。（2）初始化時(shí)，使st和oe信號(hào)全為低電平。（3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到a，b，c端口上。（4）在st端給出一個(gè)至少有100ns寬的正脈沖信號(hào)。（5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)eoc信號(hào)來判斷。（6）當(dāng)eoc變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，這時(shí)給oe為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)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(tǒng)需要出讓一個(gè)定時(shí)器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且若系統(tǒng)軟件運(yùn)行不正常，可能導(dǎo)致看門狗系統(tǒng)也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運(yùn)行監(jiān)視器”，如計(jì)數(shù)型的看門狗電路通常由555多諧振蕩器、計(jì)數(shù)器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統(tǒng)電路較為復(fù)雜，運(yùn)行不夠可靠。本設(shè)計(jì)采用x2504