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基于单片机50hz正弦波有效值的测量


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摘要 ...................................................................................................................................................I Abstract .....................

....................................................................................................................... II 1.设计原理....................................................................................................................................... 1 1.1 信号搜集模块.................................................................................................................... 1 1.2 A/D 转换模块.................................................................................................................... 2 1.3 控制模块........................................................................................................................... 3 1.4 显示模块........................................................................................................................... 4 2.总设计图....................................................................................................................................... 5 3.源程序........................................................................................................................................... 6 3.1 主程序............................................................................................................................... 6 3.2 A/D 转换程序.................................................................................................................... 8 3.3 LCD 显示程序.................................................................................................................... 9 4.仿真结果..................................................................................................................................... 12 5.心得体会..................................................................................................................................... 14 参考文献......................................................................................................................................... 15

武汉理工大学《单片机原理与应用》课程设计说明书

摘要
在描述正弦波的时候,一般从三个方面进行描述,即频率,相位,最大值, 在测量的时候一般测量的是正弦波的瞬时值, 一般可以通过有效值与最大值之间 的关系得到有效值。 有效值在生活中广泛被使用,原因在于有效值直接反映了交 流信号的能量大小,同时,由于可叠加的性质,计算起来十分便捷,对于功率、 噪声、能量转换的研究是很有帮助的。 本次课程设计,要求对于输入固定频率不同幅度的正弦波的有效值进行测 量, 并且最示出来。 根据要求, 我们这次设计, 以 AT89C52 作为控制系统, TLC549 芯片为 A/D 转换模块,TM032L 作为 LCD 显示。通过相关的程序控制,配合设置 的开关从而将输入的正弦波的有效值在显示屏上面显示出来,实现实验要求。 关键词:正弦波、有效值 、A/D 转换、AT89C52

I

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Abstract
In the description of the sine wave, typically from three aspects, namely, frequency, phase, maximum value, when measuring the general measurement is the instantaneous value of the sine wave, can generally through the relationship between the effective value and the maximum effective value. RMS widely be used in our daily life, the reason lies in the effective value directly reflects the size of the energy of the ac signal, at the same time, due to the nature can be stacked, convenient to calculate, for power, noise, energy conversion research is very helpful. The curriculum design, the requirement for the input of fixed frequency measure different amplitude of the effective value of sine wave, and the most in them. According to the requirements, we design this time, with AT89C52 as the control system of eight bits chip as A/D conversion module, TM032L as LCD display. Through relevant program control, cooperate to set the switch to the input of the effective value of sine wave displayed on the screen above, realize experiment requirement. Keyword:sine wave、virtual value、A/D conversion、AT89C52

II I

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1.设计原理
输入的正弦波由于是模拟信号,不能直接读出瞬时值,需要在信号采集之后 经过 A/D 转换成数字信号才能够在单片机中被读取出来, 这样就可以比较方便的 得到结果。 对于有效值的测量,一般上来说有以下几种常用的方法: 1)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; 2)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; 3)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。 这三种方法,方案 1 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 2 软件计算,编程难度不大,而 方案 3 软硬件都较简单,但是资金投入比较大,因此,综合以上考虑,我们选区 的方案与方案 2 相似,加以了一点改进。 设计上分为四个模块:信号搜集模块、A/D 转换模块、控制模块、LCD 显示 模块,以下是各个模块的详细介绍。

1.1 信号搜集模块
对于我们做的设计而言,信号搜集模块采用的是三组串并联的电阻进行分 压,从而让输出的电压小于 5V,这样做的原因是我们选区的 A/D 转换所使用的 芯片为 TLC549,该芯片的电压不能高于 6V,因此对于输入的电压要进行相应的 处理。

图 1 信号采集图
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设置三组开关,分别为 0~5V、5~10V、10~15V,当仿真的时候,输入相 应区间的幅度便要将开关拨到相应的位置上, 以便能够将电压降低转换芯片的安 全电压范围之内,在后面的电路中在进行相应的放大就可以将电压值还原了。 当电压值小于 5V 的时候, 连接到第一个开关上面, 直接输出至 TLC549 的输入端; 当电压值在 5~10V 的时候,接到第二个开关上面,通过分压了之后,输出 R4 两端的电压,起到了降压的目的(电压减半) ;当电压值在 10~15V 的时候,连 接到第三个开关,分压之后,电压值降到了原来的三分之一,仍就满足了转换芯 片的电压要求。

1.2 A/D 转换模块
该模块的主要作用是将输入的模拟信号转换成可检测的数字信号, 作为单片 机的输入信号,当然,该信号的数值已经在芯片的安全电压之下了。

图 2 TLC549 引脚图

TLC549是8位串行 A/D 转换芯片, 通过三线与处理器进行串行串口, 具有4MHz 片内系统时钟和软、硬件控制电路,转换时间最长17μ s,最高转换速率为4000 次/s。VCC 最大为6V,REF+:正基准电压输入 2.5V≤REF+≤Vcc+0.1,REF-: 负基准电压输入端,-0.1V≤REF-≤2.5V, 且要求: (REF+)-(REF-)≥1V,GND: 接地端。/CS:芯片选择输入端,要求输入高电平 VIN≥2V,输入低电平 VIN≤ 0.8V。DATA OUT:转换结果数据串行输出端,与 TTL 电平兼容,输出时高位在 前,低位在后。ANALOGIN:模拟信号输入端,0≤ANALOGIN≤Vcc,当 ANALOGIN ≥REF+电压时,转换结果为全“1”(0FFH),ANALOGIN≤REF-电压时,转换结果 为全“0”(00H)。I/O CLOCK:外接输入/输出时钟输入端,同于同步芯片的输入

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输出操作,无需与芯片内部系统时钟同步。在一个周期内采样的时候,通过比较 每个采样值的大小, 从而得到的是最大的采样值就是我们要的最大值,通过后续 计算就可以得到并且还原有效值。

1.3 控制模块

图3 AT89C52芯片引脚图

采用的是 TC89C52芯片,与51结构相似,XTAL1(19 脚)和 XTAL2(18 脚) 为振荡器输入输出端口,外接12MHz 晶振。RST/Vpd(9 脚)为复位输入端口, 外接电阻电容组成的复位电路。VCC(40 脚)和 VSS(20 脚)为供电端口,分 别接+5V 电源的正负端。P0~P3 为可编程通用 I/O 脚,其功能用途由软件定义, 在本设计中,P0 端口(32~39 脚)被定义为 N1 功能控制端口,分别与 N1的相 应功能管脚相连接,13 脚定义为 IR 输入端,10 脚和11脚定义为 I2C 总线控制 端口,分别连接 N1的 SDAS(18脚)和 SCLS(19脚)端口,12 脚、27 脚及28 脚 定义为握手信号功能端口,连接主板 CPU 的相应功能端,用于当前制式的检测
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及会聚调整状态进入的控制功能。 AT89C52 共有6 个中断向量: 两个外中断 (INT0 和 INT1) ,3 个定时器中断(定时器0、1、2)和串行口中断。与 P1.5,P1.6连 接了两个开关,S1用于将之前减半的电压乘上二,还原;S2用于将数过来的电压 乘上三,进而还原成源电压值的有效值。

1.4 显示模块

图 4 LCD 显示模块图

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2.总设计图

图 5 总设计电路图

由总的原理图可以看出整个的模块的连接,从信号被输入开始,首先经过第 一个模块的筛选然后根据情况选择两组开关的断开与闭合,将信号输入转换模 块, 经过不断抽样之后输出数据至控制部分来进行比较并筛选, 最后得出最大值, 根据公式:有效值=最大值/√2,就可以得到有效值,经过 P0 传出去,由 LCD 显示出来。

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3.源程序
3.1 主程序
#include<reg52.h> #include<math.h> #include "TLC549.h" #include "LCD1602.h"

sbit sbit uchar

S1=P1^5; S2=P1^6; Table[50],times=0;

bit void void {

flag=0; initT0(); main()

uchar uchar

j; Max,Result;

initLCD(); initT0(); while(1) { if(flag) { Max=Table[0]; for(j=1;j<50;j++) { if(Table[j]>Max) Max=Table[j];
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} if(S1==0) Max=2*Max; if(S2==0) Max=3*Max; Result= Max/sqrt(2);

writeLCD_com(0x80+11); writeLCD_data(Result/100+48); writeLCD_data(Result%100/10+48); writeLCD_data('.'); writeLCD_data(Result%10+48); writeLCD_data('V'); flag=0; TR0=1; } } } void { TMOD=0x01; TH0=(65536-400)/256; TL0=65136%256; ET0=1; TR0=1; EA=1; } void { T0_time() interrupt 1 initT0()

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TH0=(65536-400)/256; TL0=65136%256; Table[times]=ADConvert(); times++; if(times==50) { TR0=0; times=0; flag=1; } }

3.2 A/D 转换程序
#include<reg52.h> #include<intrins.h> #include "LCD1602.h" #include "TLC549.h"

sbit cs=P1^1; sbit clk=P1^2; sbit dout=P1^0;

uint ADConvert() { uchar i,temp; uint shuju;

cs=1; clk=0;
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cs=0; _nop_(); _nop_(); for(i=0;i<8;i++) {

_nop_(); clk=1; temp=(temp<<1)|dout; clk=0; } cs=1; _nop_(); shuju=5.0/255*10*temp+0.5; return(shuju); }

3.3 LCD 显示程序
#define uchar LCD_DATA P0

RMSV[]="RMS Vol: ";

sbit RS=P1^3; sbit EN=P1^4;

void delayms(uint delaytime) { uchar i; for(;delaytime>0;delaytime--) for(i=124;i>0;i--);
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} void writeLCD_com(uchar com) { RS=0; LCD_DATA=com; delayms(5); EN=1; delayms(5); EN=0; // EN=1; } void writeLCD_data(uchar dat) { RS=1; LCD_DATA=dat; delayms(5); EN=1; delayms(5); EN=0; } void { if(col==0) { writeLCD_com(0x80+line); while(*table!='\0') { writeLCD_data(*table++); }
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write_string(uchar col, uchar line, uchar *table)

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} else if(col==1) { writeLCD_com(0xc0+line); while(*table!='\0') { writeLCD_data(*table++); } } else return; } void initLCD() { writeLCD_com(0x38); writeLCD_com(0x0c); writeLCD_com(0x06); writeLCD_com(0x01); write_string(0,2,RMSV); }

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4.仿真结果

图 6 仿真结果 1

输入幅值为 2V 的正弦波,断开两个开关 SW-SPST,将 SW 拨向第一档,点击 开始仿真,可以看到 LCD 显示的有效值为 1.4V,计算值为 1.41V,显示的分辨率 为 0.1,误差为 0.71%,在允许误差范围内。

图 7 仿真结果 2

输入幅值为 6V 的正弦波,闭合开关 SW-SPST1,将 SW 拨向第二档,点击开 始仿真,可以看到 LCD 显示的有效值为 4.2V,计算值为 4.24V,显示的分辨率为 0.1,误差为 0.99%,在允许误差范围内。

图 8 仿真结果 3

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输入幅值为 11V 的正弦波,闭合开关 SW-SPST2,将 SW 拨向第三档,点击开 始仿真,可以看到 LCD 显示的有效值为 7.8V,计算值为 7.78V,显示的分辨率为 0.1,误差为 0.28%,在允许误差范围内。 通过上面的仿真可以看出, 在电脑上面的仿真的结果的误差基本上都是很小 的,但是由于时间问题,没有制作实物出来,测试结果的误差,因为实物上可能 还要涉及到抖动之类的因素要考虑,焊接上面的基本功也是一个考验。同时,精 度没有达到要求,这个跟选取的芯片有关。 但是, 对于设计上面的不足也有一些明显的问题,其中最大的问题就是不能 自动的用开关来控制,而要手动来控制。因此,在测量的时候要从大梁城上开始 进行测量, 一次向小量程上面进行测量。对于本次的设计上还是有可以加以改进 的地方,例如,本次的量程范围是 0~15V,当大于量程范围是,由蜂鸣器进行 报警提醒等等。

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5.心得体会
经过几天的辛苦劳作,认认真真的查找资料,并且,翻阅了以前的书籍,和 同学的齐心协力下, 本次的单片机课程设计终于完整又完美的结束了,仔细回想 起来,也是有很多值得总结的地方。 对于未知的事情, 除了迷茫还有更多的期待,刚刚接触的时候对于大体的设 计有一个朦胧的轮廓, 但是没有更加细节化的设计,在一个有一个的新问题出现 的时候,只有硬着头皮去克服一个又一个的问题。翻阅了大量的资料,以及网上 的查找, 最终将最后的方案定了下来。在查找资料的时候对于以前的很多知识又 有了一边梳理,也回想起来了很多知识,更加学到了新的知识。 在和同学的讨论的时候, 思想擦出了很多的火花,对于整个方案的进行真的 有很大的帮助, 也有助于我们之间的团结,对于以后的工作生活学习都有很大的 帮助,在一起探讨中,一起进步,一起学习,懂得与人相处,促进了之间的和谐 团结。 在这次课程设计中,真的印象很深刻,因为时间没有那么宽松,并且题目也 没有那么简单,所以,一切都只有加油,去摸索,真的很感谢能有这次机会和同 学一起进步,也许这真的是最后一次了吧,所以也特别的珍惜这次机会,做的也 相当认真。 只有认真,下功夫,才能完成任务,也能够学到知识。以后也要继续加油。

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参考文献
[1]高峰.单片微机应用系统设计及实用技术.北京.机械工业出版社.2004 [2]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.2006 [3]李群芳.单片机原理接口与应用.北京.清华大学出版社.2005 [4]霍孟友.单片机原理与应用.北京.机械工业出版社.2004 [5]谢瑞和.串行技术大全.北京.清华大学出版社.2003

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