基于单片机正弦波有效值测量仪表设计

电子系统设计创新与实践

设计报告

题目：基于单片机正弦波有效值测量仪表设计

院（系）：信息科学与工程学院

专业班级：电子信息工程

学生姓名：学号：

同组成员：

指导老师：肖洪祥职称：副教授

设计方案（30分）样机测试（40分）设计报告（30分）总分

2012年7月

摘要

在实际中，有效值是应用最广泛的参数，电压表的读数除特殊情况外，几乎都是按正弦波有效值进行定度的。有效值获得广泛应用的原因，一方面是由于它直接反映出交流信号能量的大小，这对于研究功率、噪声、失真度、频谱纯度、能量转换等是十分重要的；另一方面，它具有十分简单的叠加性质，计算起来极为方便。

本文详细介绍一个正弦波有效值测量仪表设计，以STC89C52单片机为控制核心，由交流电压采集模块，正弦波转方波模块，AD转换模块、显示模块等构成。系统采用交流电压输入信号，经TLC372比较器和LM358放大器进行信号采集，经过AD0809进行数据采样，然后输入到89C52单片机进行交流电压有效值的计算和测量，加上CD4049进行正弦波转换为方波，输入到89C52单片机进行频率的计算和测量，结果用1602液晶显示正弦波的有效值和频率。

关键词：交流电压有效值测量 AD0809 STC89C52

Abstract

In practice, the effective value is the most widely used parameters, voltage meter except in special circumstances, are almost as effective value of sine wave for calibration. Effective value and widely applied reasons, partly because it directly reflects the AC signal energy, the study of power, noise, distortion, frequency spectrum purity, energy conversion is very important; on the other hand, it has a very simple superposition property, calculation is very convenient.

This paper describes an effective value of sine wave measuring instrument design, using STC89C52SCM as control core, by the AC voltage acquisition module, sine wave to square wave module, the AD conversion module, display module. The system adopts the AC input signal, the comparator TLC372and LM358 amplifier for signal acquisition, through AD0809 data sampling, and then input to the SCM 89C52AC voltage effective value calculation and measurement, and CD4049are converted to square wave sine wave, input to the SCM 89C52frequency calculation and measurement, the results with the 1602 liquid crystal display sinusoidal RMS and frequency.

Key words: Ac voltage RMS measurement AD0809 STC89C52

目录1. 概述

1.1 题目名称

1.2 功能和指标要求

1.3相关情况概述

2.技术方案

2.1有效值测量的方法

2.2设计思路

2.3总体技术方案

3.硬件设计

3.1信号采集电路

3.2正弦波转方波电路

3.3 ADC0809电路

3.4单片机最小系统和1602显示电路

3.5电源电路

4.软件设计

4.1 频率测量

4.2幅度测量

4.3软件测试

1. 概述

1.1 题目名称

基于单片机的正弦波有效值测量仪表设计。

1.2 功能和指标要求

1）输入交流电压：5V~50V；

2）正弦频率：50Hz±5Hz；

3）检测误差：≤2%

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值。在停止检测状态下，显示最后一次检测到的有效值；

6）显示分辨率：0.1V

7）工作电源：电网AC220V，要求在电网电压变化±15%范围内能够正常工作。

1.3相关情况概述

在日常的生产、生活和科研中，工频电无处不在，所谓工频就是电力供电系统交流电的频率，我国国家规定工频为50赫兹，即周期为0.02秒，英、美等国规定的工频为60赫兹。因此，对工频电的测量也是一个应用广泛的实际问题。传统的测量仪器在使用时需要预先估计待测值的测量范围，多数情况下都要从较大量程档位逐次向小量程档位切换，增加了操作的复杂性，且易发生误操作损坏仪器。

近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制日新月异更新。在实时监测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用。电子计算机的飞跃进步，单片机的普及与推广，为数字多用表智能化做出了贡献。

作为重要的测量工具，工频有效值多用表的发展可以说见证了现代工业的发展和科技进步。从传统的模拟多用表，到现在精确度和灵敏度越来越高的数字仪表，多用表的发

展可谓是日新月异。目前的工频有效值多用表的设计大概可以分为以下几类：

（1）基于单片机的数字工频有效值多用表，这类仪表中，最有代表性的是89C52系列的。由于8位机在价格和性能方面的优点，这类仪表可以说是越来越成熟，并且能根据不同的场合选用不同的核心芯片来满足实际的要求。

（2）将传统测量方法和现代数字化测量方法有机结合起来，能适用于工频交流电特征，同时也能适用于非工频电参数测量，以提高通用性。在这类系统中，由单片机实现测量控制、数据分析处理、显示和量程自动转化等功能；由CPLD器件和高速A/D芯片组成双通道高速同步数据采集电路，由锁相倍频电路实现工频周期内均匀等样间隔。

2.技术方案

2.1有效值测量的方法

（1）有效值的定义：时变量的瞬时值在给定时间间隔内的均方根值。对于周期量，时间间隔为一个周期。

（2）测量有效值有三种方案：

方案一：采用二极管整流电路，再通过峰值检波电路测得峰值，然后根据波形因数求得相应的有效值。

方案二：利用单片机控制A/D对一个周期内的信号进行连续多点采样，然后在软件中根据有效值计算公式求均方根就可得到有效值。

方案三：采用专用有效值检测芯片如AD736直接将交流信号转换直流有效值信号。

方案选择：方案一硬件电路较复杂，且能测得的波形有限，对不同的波形还需根据其波形因数采取不同的换算关系。方案二软件计算，编程难度不大，而方案三软硬件都较简单，但是资金投入比较大，故设计中选用方案二。

2.2设计思路

本课题主要实现的是交流电压有效值和频率的测量，我们首先要对交流电压进行硬件采集，通过电压比较器TLC372CP及其外围电路，输出信号源的峰值，再通过AD转换输入单片机，把采集到的数据通过软件计算，求均方根即得交流电压的有效值；第二个模块则是测量频率，对频率的测量，我们应该先把正弦波转换为方波，利用STC89C52自带的定时/计数器T0，T1来测量频率，T0用作定时器，工作在模式2（八位自动重装），定时1秒，T1则用来计数，工作在模式1（十六位定时器），一秒结束时输出T1的值，即为频率。然后输出到LCD1602进行显示。

2.3总体技术方案

本实习的设计方案是采用STC89C52单片机芯片来做控制模块，把采集到的正弦波幅度经过ADC0809转换成数字，然后通过软件编程计算实现幅度测量，把计算得到的正弦波有效值显示在1602第一行。在采集正弦波幅度的同时，我们启动定时器，采集正弦波的的时间，通过软件编程计算正弦波的频率，把正弦波的频率显示在1602的第二行。

图2-1 系统总框图

系统概述

本设计是基于STC89C52单片机的数字电压表，并且能够显示频率，主要运用ADC0809芯片来进行电压从模拟量转化到数字量，STC89C52单片机为控制核心，以1602为显示器件。八位的A/D 转换器分辨率为0.0196，当输入电压为5V 时输出数据为255。该系统主要包括四个模块：电源（输出+12、+5、-12、-5V ），A/D 转换模块，单片机控制模块和液晶显示模块。电源模块将220V 、50HZ 交流经过变压、整流、滤波和稳压，稳压采用7812、7805、7912、7905稳压芯片实现。A/D 模块采用ADC0809对电压进行模拟到数字的转换，转换完成后输入到单片机，ADC0809采样所需标准频率设定为500KHZ ，通过单片机的ALE 端，可以输出2MHZ 频率，再利用74LS74进行四分频，即可得基准频率。主控模块以单片机及其外围电路构成控制A/D 采样，进行数据的转换，最后由液晶输出显示。

按键控制 交流信号输入

幅度

采集电路

ADC 转换

STC8952单片机控制系统

1602显示

频率采集电路

电源

输入

3.硬件设计

3.1信号采集电路

我们选用的是TLC372和2个LM358芯片组成信号采集电路，TLC372是双路差动比较器，LM358放大器是比较电路的核心器件，LM358是适合于电池供电的低功耗器件，有两个独立的、高增益的、内部频率补偿的双运算放大器。两片LM358配合使用就能够将输入线圈的电流信号转换成双极性的电压信号输出，可以用于单片机控制的存储器中待机波形与实时采样波形数据的比较辨别。

图3.1信号采集电路

3.2正弦波转方波电路

测量正弦波频率的方法有很多种，但是我们一般选用过零比较器或施密特触发器把正弦波转换为方波，再进行方波的频率测量。本模块由8050三极管将要测量的交流电压的频率进行放大，经过反相器CD4049，对交流信号进行转换为方波，以便单片机采集信号并测量。

CD4049是一块COMS金属/非金属氧化物半导体数字集成电路,通用性非常强，应用很广泛，主要功能是对数字信号倒相、对模拟信号进行转换，对不规则数字信号进行整形或波形变换，信号放大等，通过组合和设置阻容反馈，可以非常容易的制作信号发生、信号缓冲放大、单稳触发、双稳触发、延时控制装置等。

图3.2正弦波转方波原理图

图3.3正弦波转方波仿真图

3.3 ADC0809电路

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS 组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。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。

74LS74是一个双D触发器，将单片机ALE端的信号四分频后，提供给ADC0809做基准频

率。

图3.4 ADC0809转换电路

3.4单片机最小系统和1602显示电路

系统采用AT89C52单片机作为主控制器，LCD1602液晶显示电压有效值和频率。

AT89C52具有功能强、体积小、成本低、功耗小等特点，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。系统显示采用常用的字16字X2行的字符型液晶模块，其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等诸多优点，使得在各类仪表和低功耗系统中得到广泛的应用。与数码管相比该模块还有位数多、显示内容丰富、程序简单等优势。应用接口电路如图所示，包括单片机、复位电路、晶振电路、LCD1602,按键控制电路。LCD1602由单片机P3.5控制RS端，由P3.4控制E使能端，RW接地，由单片机P0口进行输出数据控制。

如图所示，我们设置S2为启动键，当S2被按下，则系统开始采样信号，并计算交流电压的有效值；S3为停止键，当S3被按下，则将最终的正弦波有效值显示在液晶的第一行，第二行显示正弦波的频率。

当测量电压超出我们需要测量的范围时，则给P3.7口一个低电平启动报警系统。当按下复位键，系统则回复最初的等待测量状态。

图3.5 单片机最小系统和1602液晶显示

(1)时钟电路设计

STC89C52单片机内部带有时钟电路，因此，振荡电路比较简单，只需要在片外通过XTAL1和XTAL2引脚接入定时控制元件（晶体振荡器和电容），即可构成一个稳定的自激

振荡器。本设计选择的内部振荡电路的外部电路如图所示。

图3.6 晶振电路

振荡频率为12MHz，时钟发生器是一个2分频触发器电路，它将振荡器的信号频率FOSC除以2，向CPU提供了两相时钟信号。ADC0809正常工作需要提供10KHz到1MHz范围的外部时钟，如果单独设计时钟产生电路，会增加电路的复杂程度。AT89S52单片机的地址锁存器允许信号ALE输出频率为系统频率的1/6，经D触发器二分频后可获得1/12系统时钟频率。如果单片机时钟频率采用12MHz，则ALE引脚的输出频率为2MHz，再经二分频后为1MHz，符合ADC0809对时钟频率的要求。如果单片机的时钟频率为6MHz，虽然二分频后得到的时钟频率满足要求，但是其单片机的工作速度较慢，所以单片机的时钟频率采用12MHz的。

（2）复位电路设计

复位是单片机的初始化操作。其主要功能是将程序计数器PC初始化为0000H，使得单片机从0000H单元开始执行程序。在运行中，外界干扰等因素可使单片机的程序陷入死循环状态。为摆脱困境，可将单片机复位，以重新启动。复位也使得单片机退出低功耗工作方式而进入正常工作状态。

复位电路虽然简单，但其作用非常重要，一个单片机能否正常运行，首先要检测是否能复位成功。在复位电路中，RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其时间应持续24个振荡周期以上，若使用频率为6MHz的晶振，则复位信号要持续时间应超过4us才能完成复位操作。故本设计使用12MHz的晶振。其电路如图所示。

图3.7 复位电路

3.5电源电路

整流电路采用单相全波整流电路，器件选用二极管构成的整流桥堆。滤波电路采用电容滤波，即在整流电路的负载上并联一个电容C，电容为50V，2200μF的极性大电容。本电路主要由220V交流电压，经18V变压器输入到电路中，经过LM7812、LM7912、LM7805、LM7905四个稳压芯片的压降，各输出±12V和±5V直流电压。

供电部分有四组电压输出，其电路结构基本一样。有变压器、桥式整流、滤波和稳压等部分组成。

图3.8电源原理图

图3.9 电源仿真图如图，输出电压为±12V、+5.01V、-5.02V

4.软件设计

4.1 频率测量

软件测频的原理归结成一句话，就是“在单位时间内对被测信号进行计数”。被测信号，通过输入通道的放大器放大后，进入整形器加以整形变为矩形波，并送入主门的输入端[3]。由晶体振荡器产生的基频，按十进制分频得出的分频脉冲，经过基选通门去触发主控电路，再通过主控电路以适当的编码逻辑便得到相应的控制指令，用以控制主门电路选通被测信号所产生的矩形波，至十进制计数电路进行直接计数和显示。若在一定的时间间隔T内累计周期性的重复变化次数N，则频率的表达式为式：

N

（1）

fx=

T

图1说明了测频的原理及误差产生的原因。

时基信号

待测信号

丢失（少计一个脉冲）计到N个脉冲多余（比实际多出了0.x个脉冲）

图4.1测频原理

在图4.1中，假设时基信号为1KHZ，则用此法测得的待测信号为1KHZ×5=5KHZ。但从图中可以看出，待测信号应该在5.5KHZ左右，误差约有0.5/5.5≈9.1%。这个误差是比较大的，实际上，测量的脉冲个数的误差会在±1之间。假设所测得的脉冲个数为N，

则所测频率的误差最大为δ=1／（N-1）*100%。显然，减小误差的方法，就是增大N。本频率计要求测频误差在1‰以下，则N应大于1000。通过计算，对1KHZ以下的信号用测频法，反应的时间长于或等于10S，。由此可以得出一个初步结论：测频法适合于测高频信号。

频率计数器严格地按照

N

f=

T

公式进行测频[4]。由于数字测量的离散性，被测频率在计

数器中所记进的脉冲数可有正一个或负一个脉冲的1

±量化误差，在不计其他误差影响的情况下，测量精度将为：

1

()

fA N

δ=

应当指出，测量频率时所产生的误差是由N和T俩个参数所决定的，一方面是单位时间内计数脉冲个数越多时，精度越高，另一方面T越稳定时，精度越高。为了增加单位时间内计数脉冲的个数，一方面可在输入端将被测信号倍频，另一方面可增加T来满足，为了增加T的稳定度，只需提高晶体振荡器的稳定度和分频电路的可靠性就能达到。

上述表明，在频率测量时，被测信号频率越高，测量精度越高。

图4.2 频率测量流程图频率测量模块程序：

#include

#include

#include"LCD1602_8.H"

unsigned char k[8];

unsigned int num;

unsigned char i;

unsigned long x,t;

void main(void)

{

lcd_init();

TMOD=0x25; //T0计数T1定时TH0=0x00; //计数值清零

TL0=0x00;

TH1=0x06; //250us

TL1=0x06;

while(1)

{

x=(t<<16)+TH0*256+TL0;

while(x/10)

{

k[i]=x%10;

x/=10;

i++;

}

k[i]=x;

lcd_pos(4,1);