吴文杰基于单片机的低电网电压频率监测系统设计

I 摘要 II Abstract III 第一章 绪论 1 1 1 问题的提出 1 1 2 设计的意义 1 1 3 设计的主要内容 1 1 4 抗干扰设计 2 第二章 系统概述 3 2 1 电压 频率的测量方法 3 2 1 1 频率的测量原理 3 2 1 1 直接测频法 3 2 1 2 2 电压 时间变化型 V F 转换法 间接测量法 6 2 3 系统总体框图 7 第三章 系统硬件电路的设计 9 3 1 单片机处理控制电路 9 3 2 频率信号预处理电路 10 3 2 1 降压电路 10 3 2 2 放大电路 10 3 2 3 整形电路 11 3 4 A D 转换电路 12 3 5 看门狗电路部分 14 3 6 数码管显示电路 15 3 7 电源电路的设计 18 3 8 串口通信电路 20 第四章 系统控制软件设计 23 4 1 系统软件框图 23 4 2 频率测量子流程图 24 4 3 A D 转换子流程图 25 4 4 显示子程序 26 4 5 延时子程序 27 4 5 PROTEUS 仿真实验 28 第五章 误差分析 29 5 1 1 误差 29 5 2 时基稳定误差 29 5 3 周期测量法的误差 29 5 4 多周期同步法的误差 30 5 5 进一步提高频率测量精度的方案 31 参考文献 33 总结体会 34 致谢 35 附录 36 II 摘要 在电力系统当中 信号频率在测量系统和技术研究以及工业运用中占有 很大的比重 电网频率 F 在电能的运输以及生产的过程中占到举足轻重的 地位 同时也为电力测量的指标参数 电力系统频率的变化直接反应了电力 负荷的变化 那么提高电网系统中低压的频率检测 将会提高运行效率与监 控效率 本设计以 51 单片机 AT89C52 的芯片为硬件的核心 并以 A D 转换为 核心 采用的 A D 转换芯片为 AD0809 芯片 将采集到的数据在数码管上显示 能过实现低压电网频率的实事监控 该设计利用数字检测系统来得到电流以 及电压的相位差 并利用单片机获取频率并在数码管上显示 本文设计的装 置有以下特点 时间响应短 对外抗干扰能力好 精度较高的特点 本设计 中将频率测量运用在低电压电网中 把测得的频率数值送入显示电路里进行 显示 本文从频率计的原理出发 介绍了基于单片机的数字频率计的设计方 案 最后在 PROTEUS 软件中进行元器件搭载并进行仿真得到结果 关键词 51 单片机 低压电频率 PROTEUS 软件 AT89C52 A D 转换 III Abstract In the power system The signal frequency has a large proportion in the measurement system and technology research and industrial application the power frequency F to play a decisive role position in the transport of electric energy and the process of production but also for the measurement of power parameters The change of power system frequency directly reflects the change of power load How to improve the detection frequency of low voltage power system will improve the operation efficiency and efficiency monitoring This design is based on 51 single chip AT89C52 chip as the core of the hardware and A D conversion as the core using the A D conversion chip AD0809 chip the collected data will be displayed on the digital tube to realize the practical monitoring low voltage power grid frequency The design is the use of digital detection system to obtain the current and voltage of the phase difference and the use of single chip frequency acquisition and display in the digital tube the device has the following characteristics short response time foreign interference ability high precision this design will use frequency measurement in low voltage power grid From the principle of frequency meter this paper presents a design scheme of digital frequency meter based on mcu in the end PROTEUS software components and the simulation obtained results Keywords 51 single chip computer Low voltage frequency PROTEUS software AT89C52 ADTransformation IV 1 第一章 绪论 1 1 问题的提出 信号作为最基本的参数 信号频率需要测评的范围也越来越大 在电力系 统中 电网所需要的频率和变电站所输送的电力以及电力调度是供发电质量的 重要指标 它也是电力测试中的重要参数 我们知道频率的变化会引起电网电 力负荷的变化 如何对电网频率有效的监控将对电力的传输以及电能的生产显 得非常重要 现在的社会是信息化社会 身边无时无刻不存在信息的交换 那 么在信息化 数字化迅猛发展的情况下 工业系统 industrial system 中的 信息化 informatization 和数字化 digital 也将带来巨大的发展 微处 理器 智能设备以及终端设备已经大量运用大工业系统中 1 2 设计的意义 现在的社会寸土寸金 很多设备都在一些狭小的区域内 然而在这些区域 内要经常面对功能多 设备大小不均 量程不同的仪器表盘 这些表盘占用空 间 数据不易读取 在紧急情况下容易产生较大的误差以及系统间的延时滞后 情形 给工业操作带来了不小的困难 因此改变工业系统中的设备势在必行 本设计将交流电的频率 F 和交流电的测量技术运用到电压频率的检测系统当 中 这样可以大大提高设备间的工作效率 本设中电压 V 和频率 F 是反映电能质量的重要参数指标 在电网系 统中 电压和频率的准确测量将直接影响单片机准确测量低电压频率的精确值 从单片机采集到的频率可通过串口发送到电脑串口调试助手显示 这样能过只 管的观察出他们之间的变换 或者直接通过单片机的LED数码管显示 系统频率 的变换 反应了电网符合的变化 因此如何对电网频率的进行高精度 快速的 测量 在电力系统中的生产和调度显得尤其重要 也成为调整电网符合的重要 参数之一 1 3 设计的主要内容 1 本设计的主要内容 2 用单片机来测量电网中低电压的频率 完成采集频率以及控制误差的最基本的 功能 通过单片机 LED 数码管观察所测的数据 2 设计实现的主要功能 制定相关的单片机硬件方案并对这些方案进行相关的优化 完成单片机各模块之间的关系 在 51 单片机测量频率等信号以及电路之间的设计 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 5000HZ 检测周期 20 次 秒 该设计主要是设计一个低电压电网中频率监控的数字频率计 它主要由以 下几部分构成 整形电路 控制电路以及显示电路这三部分构成了单片机测频 率的核心部分 剩下的为测评的方法 本文主要使用的是测周法 1 4 抗干扰设计 系统的硬件部分采取的抗干扰措施如下 1 为达到较好的抗噪声效果 在系统中将晶振 复位电路等容易产生噪声的元器件间隙拉小些 元器件经电 容退耦后紧靠 MCU 单片机 并不要在晶振下方走信号线 以保证拥有较好的抗 电磁干扰能力 2 电源输入接 100K 电容以及 10 100uF 电解电容进行退耦 3 第二章 系统概述 2 1 电压 频率的测量方法 本设计中检测仪器以 51 单片机的 AT89C52 为测量核心 89C51 这款芯片 是一款高性能但是功耗很低的基于 CMOS 工业制造的 8 位微处理器 它有 4K 字节的存储器 根据相关知识 测量频率的方法比较多 在下文会重点介绍频 率的测量发放 2 1 1 频率的测量原理频率的测量原理 单片机应用系统当中 时常要对一个连续的脉冲信号进行测量 然而工业 测量中可能会测量转速 速度等直观的物理量 因为频率比较抽象 所以在单 片机当中是由传感器转换成脉冲电信号 然后离散化 对低电压频率的测量可直接用电子计数器直接测频 但是这种测量方法会 带来 2 误差 这些误差会导致测量结果的不准确 会给工业控制带来不可预 测的危险 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 所谓的测周法 根据给定的的脉冲个数和它们之间的时间关系 测周法的公式 TX l fX t N 2 1 系统电路提供的标准时基信号为 TS 闸门为被测信号的周期 标准世纪信 号的计数公式 为 TX nXTS 利用 AT89C52 系列单片机 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 C T 1 时 是将定时器 计数器设置为计数器模式 如果 C T 位置为 0 的时候 那么定时器 计数器将被设置为定时器的模式 图 2 1 AT89C52 定时 计数器基本组成 2 1 1 直接测频法 直接测频法较适用于中高频信号 它利用单片机内部给定的两个定时器和 计数器来测量相关的频率 如果闸门信号的值为 TX 单片机的两个定时器 计数 4 器另一个作为计数器 记 fX的变化次数为 Nx 得公式 fx Nx Tz 测量原理如图 2 7 所示 脉冲形成闸门计数器 时基信号发生器 门控 电路 图 2 2 直接测频率测频原理图 计数法充分的利用单片机内部的两个定时器 计数器 T0 与 T1 如下图其中 T0 被作为计数器 T1 被作为定时器 其中 T1 的时基时间为 1S 计数法测量频 率时序如图 2 8 所示 图 2 3 计数法设计软件流程图 同时利用计数器 T0 对 P3 4 口输入周期脉冲信号 当周期性脉冲信号的下 降沿计数器 T0 将循环计数 再将累积计数值 M 送到单片机的数码管显示 设计软件流程图如图 2 9 所示 5 开始 T0 T1初始化 启动T0 T1 T1定时1s T0 T1停止工作 f M 数码管显示 结束 T0累积计数M Y N 图 2 4 直接测频法原理框图 根据上面的原理图可以看到计数器的工作方式 当外部引脚的输入信号由 低电平跳转到高电平 那么计数器 T0 的值将会自动加 1 输入信号的 频率能 够在闸门信号的特殊控制下被测量 定义 51 单片机的 T0 T1 如下 T0为计数 器 T1为定时器 TMOD 寄存器中的工作方式控制位的值设为 M1M0 为 01 那么就将 T0 T1 的工作方式均设为了 1 因为外部输入的脉冲信号在每 2 个时 钟中期内采集一次数据 所以脉冲信号所需要跳变的机器周期最大值为 1MHZ 单片机所采用的芯片 89C52 的定时器是 16 位的方式 故定时计数在工 作方式 1 的初值为 16 265536 2 1 2 电压测量电压测量方法方法 直接测量法直接测量法 输入的脉冲信号均为模拟信号 模拟信号为连续的 而采集到的频率送到 数码管上显示为数字信号 它是离散的 在 A D 转换当中最重要的三个过程就 6 是采样 量化 编码 所谓的采样就是按一定的时间进行信号的采集 并将这 些按照一定的时间间隔采集到的信号进行量化过程 最后通过特殊的编码方 式 送到 LED 数码管进行显示 这就是最基本的 A D 转换 1 并行比较型 A D 转换器 7 C 6 C 5 C 4 C 3 C 2 C 1 C 7 F 6 F 5 F 4 F 3 F 2 F 1 F R R 2 REF V 15 13 REFV REF V I u R R R R R 2 2 1 2 0 2 MSB LSB 0 D 1 D 2 D CP 电压比 较器 寄存器 代 码 转 换 网 络 R 3V 7 Q 07 C 01 C 6 Q 5 Q 4 Q 3 Q 2 Q 1 Q 1D C1 15 ER F15 1D 1D 1D C1 C1 C1 1D 1D 1D C1 C1 C1 图 2 5 三位并行 A D 转换器原理图 如图 2 10 所示为三位并行的 A D 转换器的原理图 通过这个图我们可以看 到它是由三部分组成 这三部分为 1 电阻分压器 2 电压比较器寄存器 3 编码器组成 途中用电阻链把电压 VREF 进行分级 其中七个等级的电压分 别作为七个比较器 C1 C7 的参考电压 其数值分别为 VREF 15 13VREF 15 的 7 个比较电平 量化单位为 VREF2 15 当一端的输入模拟电压输入时那么即将 加到每个比较器的另外一个输入端 之后将这 7 个基准电压进行比较 2 1 3 电压 时间变化型 V F 转换法 V T V F 转换型的 A D 转换器工作原理如下 1 将输入的模拟信号进行数据转换 和之前的频率信号成正比 2 将转换后的信号在一定时间内对之前所得的信号进行计数 3 输出的结果就是正比与输入模拟的数字量 7 a 电路结构 b 电压波形 图 2 6 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 VA 以及 VO 的电压波形 若 a 图中的电流 I0 变大时 那 么在 b 图中的 T1 以及 T2 将会变小 这样的后果就是振荡周期 T 缩短 震荡频率 F 增加 考虑第二种情况如果电容 C 充放电的电流 I0 相等时 则 电容两端的电压 VA的波形将是对称的三角波如图 b 所示 之前提到的如何测量频率的相关原理 以及本章所讲的的 A D 转换所需的 指标 例如 提高频率的测量精度和测量范围 反应时间等等 经权衡用直接 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 电压测量 会用比较精准的逐次型 A D 转换 这种方法能够将模拟量转换为数字量并再将 数字量输入到单片机的 A D 转换芯片当中 同时也很好的利用了单片机的资源 显示用 LED 数码管来显示 能更直观的显示电压 频率的值 2 1 4 脉冲周期测频率方法 周期测频率法主要是在待测量信号的一个周期 Ts 内 利用专用仪器来记下 标准的脉冲信号的变化数 No 那么这个方法所测出的频率就为 Fx Mo Tx 2 2 采用这种方法测频率的有点为 低频测量的时候精度比较高 但是考虑到 单片机选用的晶振为 12MHZ 频率的元器件 而本文的要求就是测量低电压的 低频检测仪 所以选用周期测频率的方法 2 3 系统总体框图 51 单片机在本设计当中起到重要作用 89C52 芯片结合外围放大信号和整 形电路 输出波形的采集以及对模拟电压的采样 量化得到交流电频率和电压的 数字量 并将这些数据通过串行接口发送到上位机进行直观显示或者直接在单 8 片机上的 LED 数码管上显示 这种方法能过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 A D 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 分压稳压电路 波形转换电路 输入交流电压 隔离降压 单片机处理控制电路 分压稳压电路 A D转换电路 串口输出显示电路 图 2 7 电压 频率检测系统框图 根据上图所示可得到系统的简单工作原理 交流电压通过以下几个步骤耦 合变压器隔离降压以及限流方式 变为 51 单片机 A D 转换芯片所能承受的最 大电压与电流范围 将输入单片机的电压 频率信号分为两路 1 用于频率 F 的测量 输入信号经离散元器件的分压 稳压处理 通过放大 滤波和整 形电路 将输入的正弦波信号通过一定的方式转换成 5 V 的方波信号 然后送 到 AT89C52 的 A D 转换芯片 单片机接收外部脉冲 可由信号发射器产生 启动定时 计数器对所需要采集的方波信号进行定时和计数 从而计算得出相 应的频率值 另外一路输入用于电压测量 输入信号经过分压后并被送到 A D 转换芯片 ADC0804 AT89C52 的 A D 转换芯片 将输入的模拟量转换成 数字量并经过离散 采用 编码送到单片机 P0 口 得到量化后的电压值 将数 据通过串口发送到电脑上或者上位机上显示 这样可以只管的看到这些数据 并能够精确的分析这些数值是否符合规范 在本文设计中 采用了周期测频率的方法 尤其是测低频比较精准 虽然 对高频精度较低 但是比较符合本设计的要求 9 第三章 系统硬件电路的设计 3 1 单片机处理控制电路 在低电压测量频率硬件系统中选用 89C51 芯片作为单片机处理频率的核心 51 单片机历史比较长远 最初是有 Intel 公司研发的 它的系列也比较多 最后 Intel 公司将这种芯片外包给 Philips NEC 以及 Atmel 等知名的公司生产 这些 公司在保持原有 51 单片机芯片的核心功能 并且添加了许多独特的功能以满足 外围电路的特殊要求 在这块硬件系统中所用的核心 89C51 芯片是 Atmel 公司 近年推出的一款性能高 低功耗的 8 位 CMOS 微型处理器 如下图是 89C52 单 片机的内部结构图 图 3 1 AT89C52 单片机的内部结构图 89C52 单片机属于标准型单片机 它并不属于增强型单片机 它的内部结构图 如图 3 1 所示 可以看到 单片机和外界相互联系的有 40 个引脚 包括 P0 P3 等 4 个并行口 电源 VCC 和接地 GND 2 个晶振时钟的引脚 外部程序 存储器读选信号引脚 地址所存信号引脚等 和它的前辈 AT89C51 单片机相比 增加了看门狗电路 双 DPTR 和 ISP 端口以及多了一个定时器 T2 10 3 2 频率信号预处理电路 单片机的计数功能只能用脉冲信号波进行计数 然而在实际工业应用中需 要测量频率的信号是多种多样的 有脉冲波 还有可能有正弦波 三角波等等 所以需要一个电路 把待测信号转化为可以进行计数的脉冲波 数字处理芯片是这款单片机作为低电压频率测量的核心部件 再次就将这 款数字处理芯片作为频率处理核心器件 输入单片机的信号必须是脉冲信号或 者方波信号或者离散后的信号 将待测量的正弦波信号先离散化后才能给单片 机处理 否则单片机是不能够受理这些脉冲信号的 要将输入的信号进行降噪 处理以及滤去高频干扰的相关信号 同时利用其芯片进行增益放大 使之变为 标准的正弦波信号 经处理之后输入 AT89C52 单片机中 频率信号的预处理电 路如下图 3 2 所示 图 3 2 频率信号预处理电路 3 2 1 降压电路降压电路 从电网进入的交流电需通过降压处理后 再进行放大 整形电路才能将信 号送入单片机的 A D 转换芯片内 在本文中因为要将信号送入 ADC0809 芯片 进行 A D 转换 而 ADC0809 的工作电压范围为 0 5V 故将交流电压降到 5V 内 本电路中用的变压器的变比系数为 3 1 21 LLn 电路如图 3 3 所示 图 3 3 降压电路 11 3 2 2 放大电路放大电路 此电路采用 OP37EP 器件进行高速和宽频带运放 并采用负反馈电路 由 负反馈放大电路的原理可知增益 Kn R4 R5 10 所以此电路将信号的增益为 10 倍 OP37EP 最高工作频率可达 64MHz 见图 3 4 所示 图 3 4 小信号放大电路 3 2 3 整形电路整形电路 方波脉冲的整形电路分为两大部分 其一为施密特触发器 其二为单稳态 触发器 它们的共同特点都是由 555 定时器构成的核心部件 在本设计当中对 整形电路的设计较为简单 故选用了 555 定时器构成的施密特触发器作为输入 信号的整形电路 在频率预处理信号电路的整形电路中有一款叫做整形电路 它的核心部件 是一款 555 定时器 它是将输入的正弦波信号转为电压值为 5V 的三角波信号 转换后的信号输入给 89C52 芯片作为整形输出部分 功能是将电路如图 3 5 所 示 图 3 5 整形电路 12 施密特触发器 Schmidt trigger 它有两个稳定状态 它以电位触发方式对元器件 进行触发 触发器的输入信号由电位输入信号来维持恒定 它和 555 触发器有 着很大的区别 因为他们的门级电路不同 那么输出的波形也不同 施密特触 发器主要用于波形的变换以及整形变换 下图 3 6 是施密特触发器对波形整形 的原理图 abc 图 3 6 施密特触发器对波形整形的原理图 当 555 转换器作为 R S 触发器时其位置电平 VT 1 4VDD 阀值电平 而 其复位电平 VT 3 4VDD 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 施密特触发器 Schmidt trigger 是一种阀值开关电路 它的特点就是输入 输 出的门电路具有突变特性 施密特触发器的滞后特性如图 3 7 所示 图 3 7 施密特触发器的滞后特性 13 3 4 A D 转换电路 因为单片机只能处理数字信号 并且在输入的时候必须要经过离散 采样 编码这三个过程 而需要监测的是电压 V 电流 I 等连续的电信号 所 以少不了对其经行 A D 转换 图 3 7 ADC0809 芯片管脚图 ADC0809 是单片机集成 A D 转换器 A D 转换芯片的 CLKR CLR GND 它们之间用用电容以及电阻相互组成了 RC 震荡电路 A D 转换芯片采用 COMS 工艺 它是 8 位逐次逼近型的 A D 转换芯片 特点是转换精度较高 如 图 3 7 所示 14 图 3 8 ADC0809 内部结构图 3 ADC0809 的工作过程 工作原理图 3 9 所示 片选信号 CS 先置为低电平 0 WR 信号随后 置为低电平 大概 10us 后将 WR 信号置为高电平 这些步骤执行完后 随 后 A D 转换器将启动 图 3 9 A D 转换工作原理图 3 5 看门狗电路部分 在现代工业控制中 尤其对于电子器件来讲 它们很容易收到外界的电磁 干扰 那么单片机的正常运行程序将被打断 给单片机下载程序的时候 单片 15 机运行程序将不受控制 看门狗 通过专门的芯片连接到单片机内部 对单 片机运行状态进行实时监控 便产生了一种检测单片机运行状态的芯片 我们 俗称为 看门狗 看门狗芯片 X25045 引脚如图 3 9 所示 CS WP SO VSS VCC SCK RESTET SI 1 8 2 7 3 6 4 5 X25045 图 3 10X25045 引脚图 其引脚功能如下 CS 片选输入端 SO 串行输出 SI 串行方式输入 SCK 串行时钟方式输入 写入数据是在其上升沿操作 输出程序是在其 信号为下降沿的时候 WP 写保护输入 高电平有效 VSS 接地引脚 VCC 电源电压 RESET 复位 X25045 芯片需要先发出指令集才能再进行写操作 指令名及指令格式如表 3 2 所示 表 3 2 X25045 指令及其含义 指令名指令的相关格式操作 WRENB设置写使能锁存器 WRDIB复位写使能锁存器 RDSRB读状态寄存器 WRSRB写状态寄存器 READ0000A8011B把开始与所选地址的存储器中的数据读出 WRITE0000A8010B把数据写入开始于所选地址的存储器 16 设置 X25045 的状态寄存器以预置 看门狗 的预置时间 如表 3 3 所示 X25045 的状态寄存器各位的工作状态 X25045 状态寄存器其中 D7 D6 位不 参与状态寄存器无关 所以无需设置它们 但是 WD1 WD0 和看门狗电路有 关 其余位的设置直接和 EEPROM 的工作状态有关 D7D6D5D4D3D2D1D0 XXWD1WD0BL1BL0WELWIP 表 3 3 X25045 状态寄存器 WD1 看门狗允许位 当置为 1 时 将启动看门狗 设置为 0 的时候 禁 止启动看门狗 WD0 看门狗清 0 位 当设为 1 时 看门狗重新计数 由硬件自动清 0 无需软件清 0 BL1 当置为 1 时 看门狗定时器将在单片机 空闲模式 工作 当置为 0 时 看门狗在 空闲模式 不回计数 3 6 数码管显示电路 3 6 1LED 数码管很看它的外表很形象 在未点亮的时候如数字 8 一样 数码管的 实物以及内部引脚图如下图所示 LED 数码管常用段一共有 7 个为选段 由这 七个为选段可以组成诸多数字 字符 有的数码管可能另外加一个小数点 故 只需引出它们的各数码 公共电极 通过不同的组合来显示数字 0 9 以及字符 A F H L P U Y 或者符号 小数点 图 3 11 七段数码管实物以及内部引脚图 数码管的公共级接法共有两种结构分别为共阴极 共阳极 各段 代表数 分别为 A G DP 等内部原理图如图 3 12 所示 17 图 3 12 共阴极与共阳极数码管内部电路原理图 在图 3 12 左侧是共阴极的接线方式 阳极必须接高电平才能够导通数码管 才能点亮数码管 右侧的是共阳极接法的数码管 只有当阴极为低电平 那么 数码管才能被点亮 3 6 2 数码管的字形编码数码管的字形编码 其中 6 段数码管构成的显示器是由 6 个发光二极管组成的联合体数码管 单片机系统中 数码管的显示方式有两种 动态以及静态两种方式显示 数码管的 7 个为选段 不同的组合会显示不同的数字以及字符 8 个笔段对 应与 P0 的 8 个端口 下表 3 4 是对应的显示字符 0 P0 口各引脚的电平 因为单片机输出的显示数据电压是明显不够高 无法直接送到数码管上直接显 示 因此需要用一个上拉电路来提高输出数据的电压值 以便送到数码管显示 在本次设计中我们选用 DM74LS245N 引脚 P07P06P05P04P03P02P01P00 笔段hgfedcba 字形 码 显示字 符 引脚电 平 11000000C0H0 表 3 4 字符 0 的共阳极字形码 那么依次类推 可求得共阳极数码管其他字符的字形编码 如表 3 5 所示 引脚 P07P06P05P04P03P02P01P00 笔段 hgfedcba 字形码显示字符 11000000C0H0 11111001F9H 1 10100100A4H 2 引 脚 电 平 10110000B0H 3 18 1001100199H 4 1001001092H 5 1000001082H 6 11111000F8H 7 1000000080H 8 1001000090H 9 1000100088H A 1000001183H B 11000110C6H C 10100001A1H D 1000011086H E 100011108EH F 11111111FFH熄灭 表 3 5 字符 0 9 A F 的共阳极字形码 LED 数码管的有两种显示方式动态显示方式以及静态显示方式 在本 设计当中选用动态显示方式 动态显示方式适合于多个数码管组成的 LED 显示 器 该多个数码管的字形输入端和单片机的 8 位 I O 口相连接 也称这个 I O 口为字形选择口 数码管的公共段共阳极那段和单片机的其他 I O 口相连接 这些 I O 口我们统称为位选择口 为选择口也需要向需要显示的字符数码管发 出片选通信号 然后令这个数码管点亮 持续状态在 1 2ms 的时间 如果要点 亮其他的数码管 也使用相同的方法 同样持续 1 2ms 的时间 由于人眼有视 觉暂留的现象 不能区分时间太短的数码管闪亮的变化 所以看起来就像所有 的数码管在同时显示各自的字符 综上所示 本设计所选用的 LED 数码管 利 用单片机动态显示方式来显示所测量的频率 在数码管当中选用了 74LS138 这 款译码器进行控制这 6 个数码管当中的每一个数码管 这款译码器 74LS138 必 须要使用上拉电阻 以使得 LED 数码管在显示电压的时候有充足的电压来显示 频率 19 3 7 电源电路的设计 直流电源电路由交流电压变压器 整流电路 滤波电路以及稳压电路等 这四部分构成图 3 16 所示 变压器 整流 电路 滤波 电路 稳压 电路 AC220V UiU1U2U3U0 RL 图 3 9 直流稳压电源基本组成框图 交流变压器的作用就是将电网输入的 220V 交流电转换为单片机所能够接收 的电压 U1 整流电路的作用是将转换后 transformer 的 U1变换成直流脉冲电压 U2 滤波电路作用是将脉动直流 U2变成纹波小的 U3其中它们的关系为 3 2 1 nUUi 其中 n 分别为变压器的变比 3 3 12 2 1 1 1 UU 每只二极管承受的最大反向电压为 3 4 1 2UURM 对于桥式整流电路 每只二极管的平均电流 3 5 R U II RAVD 1 45 0 2 1 在滤波电路中由电阻 电容组成的 RC 滤波电路 其中它们的时间常数如 下 RC 3 5 T 2 3 6 其中 T 代表转换周期 R 是整流滤波电路 circuit 的电阻 常用的整流滤 波电路有全波整流滤波 桥式整流滤波 倍压整流滤波电路如图 3 14 所示 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 12 Feb 2004Sheet of File H DdbDrawn By R U C TUi R U C T R U C T a b c O OO L LL Ui Ui Ui 2 2 图 3 14 常见整流滤波电路 20 电源原理如图 3 15 所示 图 3 15 电源电路 在该原理图中 首先得将输入的 220V 的交流电通过整流变压器转变成单片 机能过接收的 12V 左右的交流电 将转换后的 12V 交流电在变为直流电 并经 滤波电路的 RC 震荡电路进行滤波 滤除不稳定的电压波形 得到稳定的电压 波形 最后通过 2 个稳压器 7812 以及 7912 得到 12V 的稳定压值 3 8 串口通信电路 在上面几节将采集到的频率 可通过 LED 数码管在 51 单片机上显示 但 是为了和电脑做一个人机交互的界面 我们可以通过串口这种方式发送到电脑 上显示 下面简单介绍下常用的串口 常用的串口有 RS232 RS485 其中 RS232 较适合短距离传输 RS485 较适合远距离的信息传输 本设计当中因为 传输距离比较短 故选用 RS232 这种串口 RS232 串口它有独特的转换芯片 它的制造商为 MAXIM 公司生产的 下图为 MAX232 芯片的原理图 图 3 16 串口通信电路 21 常用的串口通信有两种方式 它们分别为同步通信以及异步通信 所谓的 同步通信就是指传输的时候只能一帧一帧的传输信息 每一帧由三个部分构成 它们分比我同步字符 数据字符以及CRC 循环冗余校验 同步通信的字符帧 格式如图所示 图3 17 同步通信的字符帧格式 异步通信强调发送和接收端使用不同的时钟控制数据的收发过程 强调收 发双方的时钟设备尽可能的一致 异步通信主要以字符构成的帧格式进行单位 传输 其中异步通信的帧由起始位 数据位 奇偶校验位以及停止位这及部分 组成 这也是和同步通信最大的区别 同步通信是没有停止位的 工作方式如 图所示 图3 17 异步通信的字符帧格式 在单片机和单片机以及电脑间 最常用的通信方法为异步通信 在通常的 异步串行通信中共有9个引脚 但是常用的引脚分别为SG 信号地端 RXD 信号接收端 以及TXD 信号发射端 各引脚功能如图3 17所示 22 SG RI DTR CTS TXD RTS RXD DSR DCD 图 3 18 九针串口引脚功能图 笔记本电脑的RS 232C接口信号 表 3 6 RS 232C 接口信号表 引脚号符号方向功能 1DCD输入数据载体检测 2TXD输出发送数据 3RXD输入接收数据 4DTR输出数据终端准备好 5GND信号地 6DSR输入数据通信设备准备好 7RTS输出请求发送 8CTS输入清除发送 9RI输入振铃指示 51单片机内部芯片用的都是集成芯片 这也就是为什么每个芯片能够展现 出不同的功能 因为芯片封装集成了电阻 电容 电感 放大器等诸多元器件 因为RS232使用的比较早 而之后才产生了大家熟知的TTL电平 TTL电平 也就是以 0 1 来区分高低电平的 然而RS232用的规则却正好相反 所以她 们之间的逻辑电平转换值不同 无法交流 所以得先将RS232的电平转为TTL所 能接收的电平 这也就是为什么RS232内部有MAX232转换芯片 其外部引脚如 图3 19所示 23 在此有一点值得注意 就是当MAX232和串口相连接的时候 数据的输出 与数据的输入连接串口的2 3引脚都能过实现相同的功能 MAX232的引脚图如图3 18所示 图 3 19MAX232 的引脚图 管脚说明如下 C0 C0 C1 C1 为外界电容的引脚端 MAX232电平信号接收端的两个引脚为R1IN R2IN RlOUT R2OUWEI 为转换后的TTL电平接收信号输出端 送到的串口接收 端 TlIN T2IN是TTL电平发送输入端 TlOUT T2OUT是2路转换后的发送RS 232C电平信号输出端 接传输线 第四章 系统控制软件设计 4 1 系统软件框图 在测评软件的实现工程中 必须基于单片机的原理系统来进行设计 在本 文中选用的是周期法测量频率的方法 那么在相关软件的实现上要遵照相关的 规则 在本设计当中 选用的是 C 语言来编写的程序 C 语言相对应的汇编语 言来说有很大的有点 C 语言所占内存比较少 而且通俗易懂 不像汇编语言 24 那样必须得记住大量的汇编指令 当在 PC 上给单片机编译完成后 并通过 STC 烧写软件下载但单片机中 外接信号发射器 那么在 LED 数码管上就可以 显示相关的频率测量 系统软件设计采用模块化设计方法 整个系统由初始化模块 LED数码管 显示模块和信号频率测量模块以及电压测量模块等各种功能模块组成 当单片 机上电后 并经过STC烧写软件下载后 进入系统初始化模块 会进行系统初 始化 在执行过程中 会按照系统软件流程图执行如图4 1所示 首先要进行系 统的初始化 例如 设置相关的定时器 中断函数 串口中断函数以及常用的 延时函数 接着分布解决频率调试子程序 电压采集显示的程序 接着将二者 结合到一起 开始 系统初始化 调用频率测量子程序 调用电压测量子程序 调用频率显示子程序 调用电压显示子程序 循环调用 延时15ms 图 4 1 系统总流程图 25 4 2 频率测量子流程图 设置定时器的中断数值 可设为 20ms 中断一次 然后循环 20 次 定时器 将 1S 经行一次频率的采集 当计数器工作的时候 待测频率的外部输入引脚将 从低电平向高电平的跳转 这样计数器将会加 1 那么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 将 TMOD 的值设为 0X69 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 因为 51 单片机的定时器是 16 位的 所以 TMOD 的值 最大为 65535 开始 T0 T1初始化 启动T0 T1 T1定时1s T0 T1停止工作 f M 数码管显示 结束 T0累积计数M Y N 图 4 2 频率测量子流程图 26 4 3 A D 转换子流程图 首先还是进行初始化包括定时器 中断 以及串口等流程 在 CS 为低电 平 WR 也为低电平 大概 10us 后 将启动 A D 转换 在本设计中是基于单片 机的数字频率计的设计 用单片机来做为数字频率计的控制部分 因此 单片 机的控制程序在本次设计中显得非常重要 经过设计 我们得到了如下的控制 程序 利用查询方式 检测 EOC 的状态 确认完成后 将继续向下执行程序 软件流程图如图 4 3 所示 27 开始 初始化 For循环语句实现8路信号的转换 启动转换 调用延时函数等待EOC的状态 P1 2 1 N 存放转换的 数字信号 指向下一通道 i 2 返回主程序 N Y 开始 调用A D转换 结束 Y 图 4 3 A D 转换子流程图 程序代码程序代码 include include define IN0 XBYTE 0 xfef0 设置A D转换通道0的地址 sbit ad busy P1 2 直接连接EOC void dengdai unit n 延时函数 28 void ad0809 uchar idata x uchar i uchar xdata ad adr ad adr for i 0 i 8 i 处理8通道 ad adr 0 启动转换 wait 100 调用延时程序 while ad busy 0 查询等待转换结束 x i ad adr 存转换结果 ad adr 下一通道 void dengdai unit n 延时程序 unit i j for i 0 i n i for j 0 j0 x for y 20 y 0 y 4 5 PROTEUS 仿真实验 能很好的模拟单片机的只有 proteus 软件 该软件能模拟 51 单片机 PROTEUS 是一款电子电路绘图软件也是一款仿真软件 它是由英国的一家公司 出版的工具软件 一经出版很受欢迎 它是一款非常不错的单片机模拟软件 虽然电子模拟软件不少 但是能很好的模拟单片机的只有 proteus 软件 该软 件能模拟 51 单片机 PROTEUS 较为基础 很适合新手入门 也能够进行比较精确的仿真实验 故本设计当中选用 PROTEUS 软件来进行仿真实验 在用 PROTEUS 软件的时 候首先要建立一个工程项目 project 然后新建一个文件 file 紧接着就 是寻找你所设计电路所需的电子器件 单片机的核心部分芯片 89C52 元器件 都找到后进行连线 并编译 如果没错就说明电路连接无物理错误 之后可以 将编写好的程序下载到当中运行 可通过数码管上显示的频率来确定是否符合 设计的规范 开始仿真后 通过键盘设置频率报警阀值 若不设置 那么检测仪则默认 使用阀值检测频率的相关数据变化 经过仿真阶段 证明在低频段 本文的设 计能够满足跟踪频率的变化 他们各个模块工作正常 符合相关的设计思想 见附录 1 4 图 附录图 4 为对电路仿真后的电路图 第一路为准备测量的基准 信号 第二路为经过整形电路之后的电信号 第三路为十分频后的方波信号 具体的操作步骤有以下两点 设计仿真原理图 仿真环境以及仿真参数的 设定 设置瞬态分析的参数如图 4 6 所示 仿真环境和仿真参数的设定当中最为重要的一点为瞬态特性仿真方式 如 图 4 5 所示 31 图 4 5 选择瞬态特性分析 图 4 6 瞬态特性分析参数设定 32 第五章 误差分析 经过PROTEUS的实验仿真 我们可以通过实验的结果指导误差主要有 两部分 1 分频所带来的误差 2 单片机定时所带来的误差 毕竟51单片机 的定时系统还是在波特率的设定以及晶振的选择都会给实验带来一定的误差 本设计当中选用的晶振频率为12MHZ的晶振 测取的频率范围是1HZ 1MHZ 定时器所产生的误差比较小 对系统的影响也较小 另一部分带来的 误差就是分频误差 因为本设计当中采用了74LS90当作分频器芯片 这个芯片 在计数的时候会将部分信号脉冲省略调 那么这样的分频将会带来一定的误差 导致频率采集的精度降低 在测量低电压电网频率的时候 当外接信号发射器 的时候 如果引脚两端接触不良 或者接触有问题 那么将会影响待测频率的 测量 这样就会带来一定的误差 那么在输入信号的情况下 必须要接新的杜 邦线 这样就能过减少误操作 能够减缓误差 在200mv的Vpp的时候 信号在放大后并不是理论的20倍 得到的是一个 Vpp将近3V的没有失真正弦波信号 但是正弦波信号在波峰的静态工作点的时 候刚好在单片机所能鉴别的高电平处 因而造成小部分波峰没有被单片机所识 别 得到的频率信号小于实际的频率值 方案改进的方法是在单片机上增加一 个比较器 例如 LM339比较器 它的一端接上参考电平2 5V 另外一段接上三 极管集电极输出信号 33 参考文献 1 周航慈 单片机应用程序设计技术 北京 北京航空航天大学出版 社 1991 2 李华等 MCS 51 系列单片机实用接口技术 北京 北京航空航天大学出 版社 1993 3 余永权 ATMEL89 系列单片机应用技术 北京 北京航空航天大学出版 社 2002 4 张友德等 单片微型机原理应用与实验 上海 复旦大学出版社 1996 5 何立民 MCS 51 系列单片机应用系统设计 北京 北京航空航天大学出版 社 1999 6 胡汉才 单片机原理及其接口技术 清华大学出版社 1997 7 蒋焕文 孙续 电子测量 第 2 版 北京 中国计量出版社 1994 8 张学庄 廖翊希 电子测量与仪器 长沙 湖南科学技术出版社 1993 9 周志德 单片机原理及应用 北京 高等教育出版社 1999 10 何立民 单片机接口技术选编 1 8 北京 北京航空航天大学出版社 1997 11 窦振中 单片机外围器件实用手册 1 4 北京 北京航空航天大学出版 社 1998 12 康华光 电子技术基础 北京 高等教育出版社 2000 13 张迎新 单片机微型计算机及接口技术 北京 国防工业出版社 2009 8 14 谢小荣 韩英铎 电力系统频率测量综述 J 电力系统自动化 1999 23 03 54 58 14 A A Girgis W L Peterson Adaptive estimation of power system frequency deviation and its ratechange for calculating sudden power system overload J IEEE Trans on Power Delivery 1 990 05 04 2 1 25 15 C T Ngu