50HZ正弦交流信号有效值的测量V3.0概述

1、武汉理工大学单片机原理与应用课程设计说明目录摘要I1.设计原理12.系统硬件设计12.1电阻分压以及阻抗匹配模块12.2 有效值检波模块22.3ADS1115电压检测模块32.4单片机控制及显示模块32.5系统整体原理图43程序框图54资源分配表55源程序65.1主程序65.2液晶显示程序75.3 ADS1115启动程序116性能分析196.1实物测试图196.2测量数据分析207总结与体会21参考文献2222摘要有效值能直接反应交流信号的能量大小，具有简单的叠加性，计算起来方便，对于研究功率、噪声、失真度、频谱纯度等有十分重要的作用。因此，有效值在实际应用中使用十分广泛。本文主要介绍了对50

2、HZ正弦交流信号有效值的测量方法的设计与实现。根据要求，测量电路由电阻分压网络、基于OPA277的阻抗匹配模块、基于AD637的有效值检测模块以及基于ADS1115的电压测量模块组成，控制部分选用STC89C52单片机，所测量的有效值通过LCD1602显示。关键词：有效值、AD637、STC89C52单片机武汉理工大学单片机原理与应用课程设计说明1. 设计原理图1 系统整体结构图由图1系统整体框图可知，此测量有效值系统主要由分压网络、阻抗匹配、有效值检波、电压测量、单片机控制以及液晶显示等模块组成。题目要求的输入信号输入范围为015V，这远远大于一般有效值检波以及AD转换芯片的输入电压值，因此

3、，在前级需要加一级电阻分压网络，将输入信号的幅值衰减一般，使其适合测量。本系统选用的有效值检波模块基于AD637芯片，AD637是一个高精度RMS-DC转换芯片，但其输入阻抗较小，在信号输入前通过一级运算放大器进行阻抗匹配，提升电路整体的稳定性，经过AD637的转换，输出对应交流信号的直流有效值，在单片机的控制下，ADS1115进行电压检测，并将检测的值返回给单片机通过LCD1602显示。此系统对控制芯片的要求并不高，选用52单片机足以实现所需求的功能。单片机首先对内部定时器以及LCD1602进行初始化后，进入等待模式，当达到所设定的时间时，进入中断开启ADS1115进行电压值的测量，并将测量

4、值通过LCD1602显示，之后退出中断等待下一次中断的来临。2. 系统硬件设计2.1电阻分压以及阻抗匹配模块由于题目所要求的电压范围为015V，大于一般芯片的测量范围，因此采用两个10K的电阻进行分压，使输入信号衰减一半，如图2所示，衰减后的信号通过OPA277进行阻抗匹配，以提升系统整体的稳定性。图2 电阻分压及阻抗匹配电路2.2 有效值检波模块为了实现对有效值的检测，需先将交流信号转化成直流有效值，如图3所示，在此系统中，选用AD637完成此功能。AD637是一款完整的高精度、单芯片均方根直流转换器，可计算任何复杂波形的真均方根值。它提供集成电路均方根直流转换器前所未有的性能，精度、带宽图

5、3 有效值检波电路和 动态范围与分立和模块式设计相当。AD637提供波峰因数补偿方案，允许以最高为10的波峰因数测量信号，额外误差小于1%。宽带宽允许测量200 mV均方根、频率最高达600 kHz的输入信号以及1 V均方根以上、频率最高达8 MHz的输入信号。片内缓冲放大器既可以用作输入缓冲，也可以用于有源滤波器配置。该滤波器可以用来降低交流纹波量，从而提高精度。满足题目对精度0.01V，误差小于0.02V的要求。2.3 ADS1115电压检测模块经过前级AD637的转换，输入ADS1115的信号为直流有效值，ADS1115是具有16位分辨率的高精度模拟到数字转换器（ADC），其数据传输通过

6、一个兼容串行接口，四个从地址,由2.0V至5.5V单电源供电。 ADS1115可以执行转换速率高达每秒860个样本（SPS）。板载PGA的ADS1115提供从电源的输入范围为±256mV的低，允许大型和小型的信号进行高分辨率测量。如图4所示，使用ADS1115测量电压，足以满足精度的要求。图4 ADS1115电压检测电路图2.4单片机控制及显示模块系统的控制部分由52单片机实现，单片机具有体积小，操作方便，应用灵活，运行稳定准确等特点，现以广泛应用于各领域。此系统对控制部分要求不高，在单片机最小系统的基础上增加一些基本外设即可。如图5所示，最小系统由单片STC89C52、复

7、位电路、振荡电路组成，振荡电路为单片机工作提供时钟源，但程序跑飞的时候，可通过控制电路使程序从头开始执行。图中与单片机相连的是LCD1602液晶显示屏，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5*7或者5*11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。通过单片机控制LCD1602可显示设定的英文字符和数字等信息。图5 单片机控制及显示电路2.4 系统整体原理图如图6所示，是此系统的整体电路图。图6 系统整体电路图3程序框图如图7所示，是此系统的程序流

8、程框图。图7 程序流程图4 资源分配表为实现此系统，单片机的资源分配如表1所示。表1 单片机资源分配表资源用途P0.0控制ADS1115时钟引脚P0.1控制ADS1115数据引脚P0.5控制LCD1602使能引脚P0.6控制LCD1602读写引脚P0.7控制LCD1602功能选择引脚P2向LCD1602写入数据定时器0设定一定时间，间歇性的开启ADS1115进行转换5 源程序5.1 主程序#include "LCD1602.h"#include "ads1115.h"char i=0，flag;char show_zifu="Design by

9、 lq"float resultdata=0;void set_time() /定时1ms EA = 1; TMOD |= 0X01; TH0 = (65536-1000)/256; TL0 = (65536-1000)%256;EA = 1;ET0 = 1; TR0 = 1;TF0 = 0;void main() lcd_init(); set_time(); for(i=0;i<12;i+) lcd_sendcmd(0x80+i); lcd_senddat(show_zifui); lcd_sendcmd(0xc0); lcd_senddat('V'); l

10、cd_sendcmd(0xc1); lcd_senddat(':'); while(1)if(flag = 1) resultdata = AD_last(0) *2; lcd_show_float(0xc2,resultdata);flag = 0;void inter() interrupt 1 static uint j=0; j+; while(j=200) flag = 1; j=0; TH0 = (65536-1000)/256;TL0 = (65536-1000)%256;TR0 = 1;TF0 = 0;5.2液晶显示程序#ifndef _LCD1602_H_#d

11、efine _LCD1602_H_#include <reg52.h>#define uint unsigned int #define uchar unsigned char/*各IO口声明*/sbit LCD1602_EN=P05; sbit LCD1602_RW=P06;sbit LCD1602_RS=P07;#define lcd_DATA P2/* 各io口定义值的替换*/#define LCD1602_EN_H LCD1602_EN = 1#define LCD1602_EN_L LCD1602_EN = 0#define LCD1602_RW_H LCD1602_RW

12、 = 1 #define LCD1602_RW_L LCD1602_RW = 0#define LCD1602_RS_H LCD1602_RS = 1 #define LCD1602_RS_L LCD1602_RS = 0/*子函数名*/void delay(uint s);void lcd_input_byte(uchar byte);void lcd_sendcmd(uchar cmd);void lcd_senddat(uchar dat);void lcd_init();void lcd_show_float(uchar add,float num);/*/#endif#include

13、 "LCD1602.h"void delay(uint s) uint i,j; for (i=0;i<s;i+) for (j=1;j<=110;j+) ;void lcd_input_byte(uchar byte) LCD1602_RW_L; lcd_DATA = byte; LCD1602_EN_L; LCD1602_EN_H; delay(10); void lcd_sendcmd(uchar cmd) LCD1602_RS_L; lcd_input_byte(cmd); void lcd_senddat(uchar dat) LCD1602_RS_H

14、; lcd_input_byte(dat);void lcd_init() lcd_sendcmd(0x38); /*设置2行数据，5*7数据*/ lcd_sendcmd(0x38); lcd_sendcmd(0x08); /*显示关闭*/ lcd_sendcmd(0x01); /*显示清屏*/ lcd_sendcmd(0x06); /*显示光标移动设置*/ lcd_sendcmd(0x0c); /*显示开及光标移动*/ delay(50);void lcd_show_float(uchar add,float num) uchar temp6="00.00V",i; in

15、t show_num; show_num = num * 100; /保留两位小数 temp0 = show_num /1000 +'0' temp1 = show_num /100%10 +'0' temp3 = show_num /10%10 +'0' temp4 = show_num %10 +'0' for(i=0;i<6;i+) lcd_sendcmd(add + i); lcd_senddat(tempi); 5.3 ADS1115启动程序/*ADS1115驱动程序头文件*/#include <reg52.

16、h>/定义头文件#define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define u8 unsigned char#define u16 unsigned int#define ulong unsigned long void delay_1115(uint ms);void AD_Start(void);void AD_Stop(void);void Send_byte(uchar byte);uint Read_byte(void);void AD_Config(uchar channel);void Point(void);

17、u16 Read_result(void);float AD_last(uchar channel_ad);/*ADS1115 AD1 驱动程序*/#include <reg52.h>/定义头文件#include "ads1115.h"sbit AD1115_SCL=P00; sbit AD1115_SDA=P01; #define SCL_H AD1115_SCL = 1 #define SCL_L AD1115_SCL = 0 #define SDA_H AD1115_SDA = 1#define SDA_L AD1115_SDA = 0uchar Init

18、data4;u16 result=0;void delay_1115(uint ms) u16 a; while(ms-) a=120; while(a-); /*函数名称：void AD_Start(void)函数功能：ADS1115开始通信信号返回值：无*/void AD_Start(void) SDA_L; delay_1115(2); SCL_H; delay_1115(1); SDA_H; delay_1115(2); SDA_L; SCL_L; delay_1115(2);/*函数名称：void AD_Stop(void)函数功能：ADS1115结束通信信号返回值：无*/void

19、AD_Stop(void) SDA_L;SCL_H;SDA_H;/*函数名称：void Send_byte(uchar byte)函数功能：ADS1115单字节传输返回值：无*/void Send_byte(uchar byte)uchar i;for(i=0;i<8;i+) if(byte<<i)&0x80) /从高位开始传 SDA_H; else SDA_L; SCL_H; delay_1115(1); SCL_L;SDA_H;SCL_H;delay_1115(1);SCL_L; / delay_ms(1); /*函数名称：void Read_byte(void)

20、函数功能：ADS1115 read a byte 返回值：temp */uint Read_byte(void)uchar temp=0,flag;uchar i;for(i=0;i<8;i+) temp=temp<<1;SCL_L; delay_1115(1);SCL_H;delay_1115(1); flag = P0;if( flag & 0x02) /数据位为1temp|=0x01; delay_1115(1); SCL_L; / ACK 结束时序delay_1115(1);SDA_L;SCL_H;delay_1115(1);SCL_L; SDA_H;retu

21、rn temp; /*函数名称：void AD_Config(uchar channel)函数功能：ADS1115 channel choose 返回值：无 */ void AD_Config(uchar channel) uchar channel_code=0;uchar i; switch(channel)case 0:channel_code=0xc2;break;/通道0配置寄存器的高8位 case 1:channel_code=0xd2;break;/通道1case 2:channel_code=0xe2;break; /通道2case 3:channel_code=0xf2;br

22、eak; /通道3 default: break; Initdata0=0x90;/ address and write command 地址为0x90Initdata1=0x01;/ points to Config registerInitdata2=channel_code; / congfig the high byte ,choose the channelInitdata3=0xe3; /speed:860sps ， SCL_H;AD_Start();for(i=0;i<4;i+) Send_byte(Initdatai); delay_1115(1);AD_Stop();

23、/*函数名称：void Point(void)函数功能：ADS1115 write to pointer register 返回值：无 */void Point(void) /配置pointer registerSCL_H;AD_Start();Send_byte(0x90);delay_1115(1);Send_byte(0x00);delay_1115(1);AD_Stop();delay_1115(1); /*函数名称：uchar Read_result(void)函数功能： read ADS1115's conversation result 返回值：result */u16

24、Read_result(void)uchar result_L=0,result_H=0; SCL_H;AD_Start();delay_1115(1);Send_byte(0x91);delay_1115(1);delay_1115(1);result_H=Read_byte();delay_1115(1);result_L=Read_byte();delay_1115(1);AD_Stop(); result=result_H*256+result_L; /即高位结果向左移8位与低8位构成一个字return result; /*函数名称：uchar AD_last(void)函数功能： g

25、et the last result 返回值：last */float AD_last(uchar channel_ad)float last2=0;u16 last1=0;AD_Config(channel_ad);/选择通道delay_1115(5);Point();delay_1115(5);last1=Read_result(); /正值最大为0x7fff，选取FS为4.096 last2=4.096*(last1/32768.0); return last2;6性能分析6.1实物测试图图8 系统实物图图9 输入1Vpp信号测量图 图10 输入5Vpp信号测量图图11输入10Vpp信号

26、测量图图12 输入15Vpp信号测量图图8为整套系统实物图，主要由电源模块、峰值有效值转换模块、A/D电压检测模块以及单片机控制模块组成。图9至图12为实测的数据，分别对应峰峰值为1V、5V、10V、15V时，本系统所检测的有效值通过LCD1602显示。6.2测量数据分析表2 实际测量数据与理论值分析表输入（Vpp）1234567理论值(V)0.350.701.061.411.772.122.47检测值（V）0.340.691.051.411.752.102.46误差（V）0.010.010.0100.020.020.01输入（Vpp）9101112131415理论值(V)3.183.543.894.244.604.955.30检测值（V）3.183.553.914.264.614.955.30误差（V）00.010.020.020.0100由表2数据可知，对于50HZ幅值在015Vpp的正弦交流信号，本系统能有效测量其有效值，测量显示的分辨率为0.01V，误差随输入信号幅值的不同略有变化，总体控制在0.02V内，