基于单片机的电压频率监测系统设计毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的电压频率监测系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

upy 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, design the voltage frequency monitoring system, may simplify system operation space, improve work efficiency. This design taking single chip puter AT89C52 as a core， bining the periphery signal to enlarge and the shaping circuit, through to the output waveforms of the count and the simulated voltage sampling, the quantitative get ac frequency and voltage the digital quantity. These data are sent to the upper puter 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. Keywords： single chip puter； frequency； voltage； sampling； AT89C52；AD0809； 兰州理工大学毕业论文说明书 1 第 一 章 绪论 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。 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，也可以作为监测装置的一部分。 设计的主要内容 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。 ① 提出系统的硬件方案和方案论证优化； ② 根据要求完成单片机的基本系统功能结构设计； 兰州理工大学毕业论文说明书 2 ③ 完成对 电压、频率等 信号的检测和接口电路的设计； ④ 完成 显示 电路的设计； ⑤ 完成软件需求的系统分析。 技术指标 ① 电压范围： 0250V； ② 频率范围 ： 09999HZ； ③ 检测周期：≥１０次／秒； ④ 测量精度： 电压 ≤177。 1V，频率 ≤177。 1 HZ。 兰州理工大学毕业论文说明书 3 第 二 章 系统概述 电压 /频率的测量 方法 对于单片机为核心构成的检测仪器，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。 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177。 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,T=1s,则由177。 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 )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 ()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 兰州理工大学毕业论文说明书 4 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 所示。 图 2. 2 测周法测量频率时序图 将单片机的 端口作为脉冲信号的输入端，利用中断方式，当外部中断INT0 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 所示。 兰州理工大学毕业论文说明书 5 中断初始化检测到第一个下降沿T 1 计时开启检测到第 M 个下降沿T 1 计时关闭数据处理 f = M / T 1数码管显示开始结束T 1 累积计时NY 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 )。 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。 兰州理工大学毕业论文说明书 6 输入电路显示控制电路时基闸门 A闸门 B计数器 A计数器 B运算器f xf 0 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 所示。 图 2. 5 同步法测量频率时序图 将单片机的 和 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（ 口）其中一个下降沿时，同时去开启计数器 T0和定时器 T1，使 T0 对被测脉冲（ 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，为了保证测量和显示的数据实时刷新，一般 t1 取 到 1S 为佳。 设计软件流程图如图 所示。 兰州理工大学毕业论文说明书 7 开始中断初始化开启检测到下降沿0INT关开启 T 0 计数开启 T 1 计数0INTt 1 设定时间到重新开启检测到下一个下降沿关闭 T 0 计数关闭 T 1 计数取 T 0 、 T 1 内部数据处理 f = N / T 1数码管显示结束T 0 计数 、 T 1 计时0IN TYN 图 2. 6 多周期同步测量法的流程图 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 所示。 兰州理工大学毕业论文说明书 8 脉冲形成 闸门 计数器时基信号发生器门控电路 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 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，同时计数器 T0 对由 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 所示： 兰州理工大学毕业论文说明书 9 开始T 0 、 T 1 初始化启动 T 0 、 T 1T 1 定时 1 sT 0 、 T 1 停止工作f = M数码管显示结束T 0 累积计数 MYN 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。 定时计数没有溢出的最大计数值为 65535。 电压测量 方法 A/D 转换法 所谓 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 兰州理工大学毕业论文说明书 10 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。 A/D 转换器 +7C+6C+5C+4C+3C+2C+1C7F6F5F4F3F2F1FRR / 2R E FV1 5/1 3 R E FVR E FVIuRRRRR2)2(1)2(0)2()M S B(L S B )(0D1D2。