基于單片機的頻率、電壓監(jiān)測系統(tǒng)設計

隨著信息化、數字化在各行各業(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，容易造成司乘人員的誤操作或反應滯后，給操作帶來不必要的麻煩。本文提出一種進行交流電頻率、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行系統(tǒng)供電頻率、電壓的監(jiān)測，而不用先找位置，再進行各種儀表體積、量程的對比確認，最后才進行觀測參數的讀取，簡化了過程，節(jié)省了時間。

1 頻率、電壓監(jiān)測裝置的硬件設計

1.1 ATMEL89系列單片機簡介

ATMEL89系列單片機共有AT89C51、AT89C52、89C1051、89C2051等型號，該芯片采用51內核，兼容MCS-51產品，100 000次重復編程／擦寫，具有5 V供電和低壓供電型號。下面以AT89C52為例進行說明。ATMEL89C52是美國ATMEL，公司生產的低電壓、高性能CMOS8位單片機，具有PLCC、TQFP和DIP等封裝，片內含8 kB的程序存儲器，256 B的數據存儲器，3個16 b定時／計數器，1個標準串行通訊口，8各中斷源，內部帶有振蕩器、上電復位和看門狗電路、5個I／O口、多達36根I／O線。特別是內部的8 kB閃存，為程序開發(fā)提供了很大方便。

1.2 系統(tǒng)設計框圖

以日常照明所用的50～60 Hz交流電為測量對象進行測量原理的摸底，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轉換以及單片機接口控制、串口輸出部分構成，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換成5 V的方波信號，然后送到單片機外部中斷INT0，單片機接收外部脈沖，啟動定時／計數器對方波信號進行定時計數，計算得出頻率值；另外一路輸入用于電壓測量值，輸入信號經過分壓被送到A／D轉換部分，經過AD574A芯片的轉換，將輸入的模擬量轉換成數字量送到單片機的P0口，得到量化電壓值；同時，串口電路部分則負責將得到的頻率值、電壓值以十六進制代碼形式發(fā)送至上位機，從而，上位機對頻率值和電壓值進行直觀的顯示。

1.3 系統(tǒng)主要組成電路

(1)波形轉換電路

由于交流電壓信號的波形為一定幅值的正弦波，所以首先要將其轉化為數字脈沖信號，再送到單片機計數端才能對脈沖計數。波形轉換電路由AD790JN和外圍元器件構成，AD790JN的1腳和4腳分別給出了輸入波形對地的正向和負向電壓范圍，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。



波形由模擬量轉換成數字量輸出，被送至單片機外部中斷INT0端，啟動定時／計數器T1進行計數，頻率誤差在±1 Hz。

(2)A／D轉換電路

單片機本身只能識別和處理一種離散的數字信號，而在實際的控制系統(tǒng)中，需要監(jiān)測和控制的是一些電壓、電流等隨時間連續(xù)變化的電物理量，所以為了實現單片機對一個應用系統(tǒng)的控制和檢測，A／D轉換電路是必不可少的設計環(huán)節(jié)。

該A／D設計的目的是把檢測到的電壓模擬量轉換成數字量，要求A／D轉換的精度達到±0.1 V，采用AD574A已經滿足設計要求。AD574A是12 b逐次逼近式A／D轉換器，具有高精度(12 b)變換和高快(8 b) 轉換的功能，片內含高精度的參考電壓源和時鐘，有單極性和雙極性兩種接法，對應的輸入電壓范圍分別為0～20 V和-10～+10 V，最大轉換時間為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。設計采用單極性接法，具體電路如圖3所示。為了避免輸入電壓在進入AD574A輸入端時電壓衰減，影響測量精度，設計中采用加跟隨器OP07進行電壓保持。