基于單片機(jī)的頻率、電壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著信息化、數(shù)字化在各行各業(yè)的迅猛發(fā)展，武器系統(tǒng)中的信息化、數(shù)字化也將成為未來的發(fā)展趨勢。武器系統(tǒng)中，司乘人員在空間狹小的操作倉里，經(jīng)常要面對功能眾多、大小不等、量程各異的儀表盤，這些儀表盤不僅占用空間，而且不夠直觀，在分秒必爭的戰(zhàn)場中，情況緊急時(shí)，容易造成司乘人員的誤操作或反應(yīng)滯后，給操作帶來不必要的麻煩。本文提出一種進(jìn)行交流電頻率、電壓測量的方法，以簡化武器系統(tǒng)的操作倉，節(jié)省了空間，使司乘人員更加直觀地進(jìn)行系統(tǒng)供電頻率、電壓的監(jiān)測，而不用先找位置，再進(jìn)行各種儀表體積、量程的對比確認(rèn)，最后才進(jìn)行觀測參數(shù)的讀取，簡化了過程，節(jié)省了時(shí)間。

1 頻率、電壓監(jiān)測裝置的硬件設(shè)計(jì)

1.1 ATMEL89系列單片機(jī)簡介

ATMEL89系列單片機(jī)共有AT89C51、AT89C52、89C1051、89C2051等型號，該芯片采用51內(nèi)核，兼容MCS-51產(chǎn)品，100 000次重復(fù)編程／擦寫，具有5 V供電和低壓供電型號。下面以AT89C52為例進(jìn)行說明。ATMEL89C52是美國ATMEL，公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)，具有PLCC、TQFP和DIP等封裝，片內(nèi)含8 kB的程序存儲器，256 B的數(shù)據(jù)存儲器，3個(gè)16 b定時(shí)／計(jì)數(shù)器，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串行通訊口，8各中斷源，內(nèi)部帶有振蕩器、上電復(fù)位和看門狗電路、5個(gè)I／O口、多達(dá)36根I／O線。特別是內(nèi)部的8 kB閃存，為程序開發(fā)提供了很大方便。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

以日常照明所用的50～60 Hz交流電為測量對象進(jìn)行測量原理的摸底，測量系統(tǒng)的硬件電路主要包含供電、隔離變壓、電壓信號比較輸出、A／D轉(zhuǎn)換以及單片機(jī)接口控制、串口輸出部分構(gòu)成，測量系統(tǒng)框圖如圖1所示。



系統(tǒng)電路的工作原理簡述如下：交流電壓經(jīng)過隔離變壓器隔離降壓、限流以后，分成兩路電壓輸入信號。一路輸入用于頻率測量，輸入信號經(jīng)離散器件的分壓、穩(wěn)壓處理，使其滿足電壓比較芯片AD790JN輸入端的要求，通過AD790JN將輸入的正弦波信號轉(zhuǎn)換成5 V的方波信號，然后送到單片機(jī)外部中斷INT0，單片機(jī)接收外部脈沖，啟動定時(shí)／計(jì)數(shù)器對方波信號進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，計(jì)算得出頻率值；另外一路輸入用于電壓測量值，輸入信號經(jīng)過分壓被送到A／D轉(zhuǎn)換部分，經(jīng)過AD574A芯片的轉(zhuǎn)換，將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送到單片機(jī)的P0口，得到量化電壓值；同時(shí)，串口電路部分則負(fù)責(zé)將得到的頻率值、電壓值以十六進(jìn)制代碼形式發(fā)送至上位機(jī)，從而，上位機(jī)對頻率值和電壓值進(jìn)行直觀的顯示。

1.3 系統(tǒng)主要組成電路

(1)波形轉(zhuǎn)換電路

由于交流電壓信號的波形為一定幅值的正弦波，所以首先要將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號，再送到單片機(jī)計(jì)數(shù)端才能對脈沖計(jì)數(shù)。波形轉(zhuǎn)換電路由AD790JN和外圍元器件構(gòu)成，AD790JN的1腳和4腳分別給出了輸入波形對地的正向和負(fù)向電壓范圍，2腳為參考電壓輸入端，這里以交流地為參考，3腳為電壓信號輸入端，7腳、8腳分別為數(shù)字信號輸出端和門限電壓輸入端。電路如圖2所示。



波形由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出，被送至單片機(jī)外部中斷INT0端，啟動定時(shí)／計(jì)數(shù)器T1進(jìn)行計(jì)數(shù)，頻率誤差在±1 Hz。

(2)A／D轉(zhuǎn)換電路

單片機(jī)本身只能識別和處理一種離散的數(shù)字信號，而在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，需要監(jiān)測和控制的是一些電壓、電流等隨時(shí)間連續(xù)變化的電物理量，所以為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的控制和檢測，A／D轉(zhuǎn)換電路是必不可少的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

該A／D設(shè)計(jì)的目的是把檢測到的電壓模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，要求A／D轉(zhuǎn)換的精度達(dá)到±0.1 V，采用AD574A已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)要求。AD574A是12 b逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，具有高精度(12 b)變換和高快(8 b) 轉(zhuǎn)換的功能，片內(nèi)含高精度的參考電壓源和時(shí)鐘，有單極性和雙極性兩種接法，對應(yīng)的輸入電壓范圍分別為0～20 V和-10～+10 V，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為35μs，擁有鎖存的三態(tài)輸出，并與TTL兼容，可直接與MCS-51系列總線相連。設(shè)計(jì)采用單極性接法，具體電路如圖3所示。為了避免輸入電壓在進(jìn)入AD574A輸入端時(shí)電壓衰減，影響測量精度，設(shè)計(jì)中采用加跟隨器OP07進(jìn)行電壓保持。