50Hz正弦交流电有效值的测量

《单片机应用实践》课程设计任务书

学生姓名:杨博专业班级: 电信1303 班

指导教师: 孟哲工作单位: 信息工程学院

题目: 50Hz正弦波有效值测量仪表的设计与实现

初始条件:

（1）提供实验室机房及其proteus7.0以上版本软件；

（2）《单片机原理与应用》学习。

要求完成的主要任务:(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要

求):

（1）选择一本《单片机原理与应用》，认真学习该教程的全部内容，包括汇编语言的理解与应用，51单片机的基本功能与应用；

（2）要求用51单片机设计一个测量仪表，能够测量量程200mv~20v的50Hz 正弦波交流电的有效值

（3）要求做出仿真，并依照仿真设计实物并对实验结果进行分析和总结；

（4）要求阅读相关参考文献不少于5篇；

（5）根据课程设计有关规范，按时、独立完成课程设计说明书。

时间安排:

(1) 分析课题，完成设计构想两天；

(2) 完成仿真一天；

(3) 购买元件并完成实物两天；

(4) 完成报告书一天；

指导教师签名: 年月日

系主任(或责任教师)签名: 年月日

摘要

在实际生产与生活之中，有效值扮演了一个极其重要的角色。由于有效值能够直接反映出交流信号能量的大小，因此在对于其他物理量例如功率、噪声、失真度、能量转换等的研究上发挥着极其重要的作用。

本次课设完成一个50Hz正弦波有效值测量仪表的设计与实现。根据要求，本次课设以STC89C52单片机为控制核心，通过电阻分压网络、基于AD736的有效值检测模块、基于LM324的信号放大模块以及基于TLC549的A/D转换模块完成正弦波有效值测量工作，结果通过LCD显示。

关键词：正弦波；有效值；单片机控制；AD736；TLC549.

Abstract

In the actual production and life, the effective value plays an extremely important role .Because of the effective value of AC, signal can directly reflect the size of the energy,it’s convenient to study for other physical quantities such as power, noise, distortion, energy conversion and so on.

The design and implementation of a 50Hz sine wave effective value measuring instrument is set up in this lesson design. According to the requirements, the class stipulates STC89C52 microcontroller as control core, through the resistance points pressure platform, based on AD736 effective value detection module, based on LM324 signal amplification module and based on TLC549 A / D conversion module to complete sinusoidal RMS measurements. The results through the LCD display.

Keywords:sine wave; effective value; single chip microcomputer control; AD736; TLC549.

1.设计原理

1.1方案设计

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：利用采用有效值检测芯片AD736直接将交流信号转换直流有效值信号。

方案比较：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，但是元件成本比较低。方案二设计精度比较高，能够符合设计要求，但是资金投入比方案一要大。综合考虑选择方案二。

1.2设计流图

图1.2 设计流程图

2硬件电路设计

2.1信号衰减选择与有效值测量模块

信号衰减选择主要通过电阻的分压作用实现，如图2.1.1所示。

图2.1.1 信号衰减选择电路

有效值测量模块以AD736芯片为核心，根据初始信号的大小选择不同衰减倍数后输入AD736，初始信号在0—200mV内不衰减，200mV—2V内衰减10倍，2V —15V内衰减100倍。

AD736是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC转换器。其主要特点是准确度高、灵敏性好（满量程为200mVRMS）、测量速率快、频率特性好（工作频率范围可达0～460kHz）、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低。最大的电源工作电流为200μA，用它来测量正弦波电压的综合误差不超过±3%。

AD736各引脚功能如下：

+Vs：正电源端，电压范围为2.8～16.5V；

-Vs：负电源端，电压范围为-3.2～-16.5V；

COM：公共端；

Vo：输出端；

CF：输出端滤波电容，一般取10μF；

Cc：低阻抗输入端，用于外接低阻抗的输入电压（≤200mV），通常被测电压需经耦合电容Cc与此端相连，通常Cc的取值范围为10～20μF。当此端作为输入端时，第2脚VIN应接到COM；

VIN：高阻抗输入端，适合于接高阻抗输入电压，一般以分压器作为输入级，分压器的总输入电阻可选10MΩ，以减少对被测电压的分流。该端有两种工作方式可选择：第一种为输出AC+DC方式。该方式将1脚（Cc）与8脚（COM）短接，其输出电压为效流真有效值与直流分量之和；第二种方式为AC方式。该方式是将1脚经隔直电容Cc接至8脚，这种方式的输出电压为真有效值，它不包含直流分量。

CAV：平均电容。它是AD736的关键外围元件，用于进行平均值运算。其大小将直接响应到有效值的测量精度，尤其在低频时更为重要。多数情况下可选33μF。

有效值测量模块电路如图2.1.3所示，AD736有多种典型应用电路，包括低输入阻抗方式、高输入阻抗方式下的双电源供电电路和9V单电源供电电路。本方案采用高输入阻抗下的双电源供电方式，该电路中的+Vs与COM、-Vs与COM 之间均并联一只0.1μF的电容以便滤掉该电路中的高频干扰。 CC与COM之间并联一个10μF的电容起隔直作用。若将图中1脚与8脚短接而使Cc失效，则所选择的就是AC+DC方式；去掉短路线，即为AC方式。R为限流电阻，D1、D2为双向限幅二极管，超过压保护作用，选IN4148高速开关二极管。

图2.1.2 AD736结构及引脚图

图2.1.3 有效值测量电路

2.2 A/D转换模块

A/D转换模块的核心是TLC549芯片，TLC549是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位A/D转换器，采用了CMOS工艺，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于 17us，最大转换速率为 40000HZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为 3V至 6V。它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。

TLC549各引脚功能如下：

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。

VCC：系统电源3V≤Vcc≤6V。

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输出操作，无需与芯片内部系统时钟同步。

图2.2.1 TLC549引脚图

有效值在输入TLC549前需经过同相放大器，计算其放大倍数设置为10倍。

当/CS变为低电平后， TLC549芯片被选中，同时前次转换结果的最高有效位MSB （A7）自 DATA OUT 端输出，接着要求自 I/O CLOCK端输入8个外部时钟信号，前7个 I/O CLOCK信号的作用，是配合 TLC549 输出前次转换结果的A6-A0 位，并为本次转换做准备：在第4个 I/O CLOCK 信号由高至低的跳变之后，片内采样/保持电路对输入模拟量采样开始，第8个 I/O CLOCK 信号的下降沿使片内采样/保持电路进入保持状态并启动 A/D开始转换。转换时间为 36 个系统时钟周期，最大为 17us。直到 A/D转换完成前的这段时间内，TLC549 的控制逻辑要求：或者/CS保持高电平，或者 I/O CLOCK 时钟端保持36个系统时钟周期的低电平。由此可见，在自 TLC549的 I/O CLOCK 端输入8个外部时钟信号期间需要完成以下工作：读入前次A/D转换结果；对本次转换的输入模拟信号采样并保持；启动本次 A/D转换开始。

图2.2.2 A/D转换模块电路图

2.3核心控制模块

本次课设采用AT89C52单片机作为核心控制模块。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。

AT89C52为8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：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。

图2.3.1 AT89C52引脚图

在本设计中P0口输出LCD液晶显示器显示的相关信息， P2口一部分控制TLC549进行A/D转换，一部分控制液晶显示器，P3.2口与独立按键相连，控制

量程转换。

图2.3.2 单片机核心控制模块电路图

2.4显示模块

显示模块通过液晶显示器显示正弦信号的量程和有效值。LM016L的8位数据端接单片机的P0口，三个控制端RS、RW、E也分别与单片机的P2口相连。

图2.4 LCD显示模块

2.5总体电路图

图2.5 总体电路图

3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 资源分配表

4程序设计

4.1程序框图

图4.1 程序设计框图

4.2源程序

#include

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit clk = P2^0; //TLC549外部时钟输入sbit out = P2^1; //转换结果数据串行输出端sbit cs = P2^2; //芯片选择输入端sbit RS=P2^5; //LCD控制

sbit RW=P2^6;

sbit EN=P2^7;

sbit key=P3^2; //外部中断口，量程选择

uchar num; //量程标志

uchar AD_data;

uint AD_data1;

uchar code str1[]={"value: "};

uchar code str2[]={"range: "};

uchar code str3[]={"0-200mv"};

uchar code str4[]={"0-2v "};

uchar code str5[]={"0-20v "};

uchar buffer[5]={"00000"};

uchar danwei[]={"mv"};

uchar ADOUT(void) //A/D转换{

uchar i,x;

clk = 0;

out = 1;

cs = 0;

for(i = 0;i<8;i++) //串行数据移位输入

{

clk = 1;

x<<=1; //x的值左移一位后赋值给x

x|=out; //x与out位或后将值赋值给x

clk= 0;

}

cs = 1;

for(i=0;i<8;i++) //等待TCL549保持和转换工作的完成_nop_();

return x;

}

void delay1ms(uint ms) //延时1毫秒

{unsigned int i,j;

for(i=0;i

for(j=0;j<100;j++);

}

void wr_com(uchar com) //1602写指令

{

delay1ms(1);

RS=0;

RW=0;

EN=0;

P0=com;

delay1ms(1);

EN=1;

delay1ms(1);

EN=0;

}

void wr_dat(uchar dat) //1602写数据

{

delay1ms(1);;

RS=1;

RW=0;

EN=0;

P0=dat;

delay1ms(1);

EN=1;

delay1ms(1);

EN=0;

}

void lcd_init() //1602初始化设置

{

delay1ms(15);

wr_com(0x38);delay1ms(5); //设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口wr_com(0x08);delay1ms(5); //关显示，不显示光标

wr_com(0x01);delay1ms(5); //显示清0，数据指针清0

wr_com(0x06);delay1ms(5); //写一个字符后地址指针加1

wr_com(0x0c);delay1ms(5); //设置开显示，不显示光标

}

void display(uchar *p) //显示

{

while(*p!='\0') //当指针所指的地址的值不是空字符时，执行程序{

wr_dat(*p);

p++;

delay1ms(1);

}

}

init_play() //初始化显示

{

lcd_init(); //1602初始化显示

wr_com(0x80); //显示value:

display(str1);

wr_com(0xc0); //换行显示range：

display(str2);

wr_com(0x80+0x0c); //显示mv

display(danwei);

wr_com(0xc0+0x07); //显示0-200mv

display(str3);

}

void show(uint date) //显示子函数

{

buffer[0]=date/10000+'0'; //将各个位上的数转换成ASCLL码

buffer[1]=date/1000%10+'0';

buffer[2]=date/100%10+'0';

buffer[3]=date/10%10+'0';

buffer[4]=date%10+'0';

wr_com(0x80+0x07); //显示有效值数值

display(buffer);

}

void main()

{

init_play(); //初始化显示

IE = 0x81; //允许总中断中断,使能INT0外部中断

IT0=1; //触发方式为脉冲负边沿触发

key=1; //I/O口初始化

while(1)

{

AD_data = ADOUT();

AD_data1=(unsigned int)((unsigned long int)AD_data*500/255); //将结果进行量程转化if(num ==0)

{

AD_data1 = AD_data1 * 1;

wr_com(0xc0+0x07); //将量程显示改为0-200mv

display(str3);

}

if(num ==1)

{

AD_data1 = AD_data1 * 10;

wr_com(0xc0+0x07); //将量程显示改为0-2v

display(str4);

}

if(num ==2)

{

AD_data1 = AD_data1 * 100;

wr_com(0xc0+0x07); //将量程显示改为0-20v

display(str5);

}

show( AD_data1); //显示有效值

}

}

void INTV0() interrupt 0 //外部中断INT0

{

EX0 = 0;

num++;

if(num ==3)

num = 0;

EX0 = 1;

}

5仿真测试

将由上述C语言程序通过Keil软件生成的HEX文件下载到Proteus电路图中的单片机上进行仿真，仿真结果如下：

1. 当输入信号有效值180mV时，液晶显示如图5.1所示。

图5.1 输入信号有效值为180mV

2.当输入信号有效值1.5V时，液晶显示如图5.2所示。

图5.2 输入信号有效值为1.5V 3.当输入信号有效值12.8V时，液晶显示如图5.3所示。

图5.3 输入信号有效值为12.8V

多组信号数据测量结果见下表

表2 仿真电压数据