基于单片机的频率、电压监测系统设计随着信息化、数字化在各行各业的迅猛发展,武器系统中的信息化、数字化也将成为未来的 发展趋势。武器系统中,司乘人员在空间狭小的操作仓里,经常要面对功能众多、大小不等、 量程各异的仪表盘,这些仪表盘不仅占用空间,而且不够直观,在分秒必争的战场中,情况 紧急时,容易造成司乘人员的误操作或反应滞后,给操作带来不必要的麻烦。本文提出一种 进行交流电频率、电压测量的方法,以简化武器系统的操作仓,节省了空间,使司乘人员更 加直观地进行系统供电频率、电压的监测,而不用先找位置,再进行各种仪表体积、量程的 对比确认,最后才进行观测参数的读取,简化了过程,节省了时间。 频率、电压监测装置的硬件设计1.1 ATMEL89 系列单片机简介 ATMEL89 系列单片机共有 AT89C51、AT89C52、89C1051、89C2051 等型号,该芯片采用 51 内核,兼容MCS-51 产品,100 000 次重复编程/擦写,具有5 供电和低压供电型号。下面以 AT89C52 为例进行说明。ATMEL89C52 是美国 ATMEL,公司生产的低电压、高性 能CMOS 位单片机,具有PLCC、TQFP和DIP 等封装,片内含8 kB 的程序存储器,256 的数据存储器,3个16 定时/计数器,1个标准串行通讯口,8 各中断源,内部带有振 荡器、上电复位和看门狗电路、5 线。特别是内部的8kB 闪存, 为程序开发提供了很大方便。 1.2 系统设计框图 以日常照明所用的50~60 Hz 交流电为测量对象进行测量原理的摸底,测量系统的硬件电路 主要包含供电、隔离变压、电压信号比较输出、A/D 转换以及单片机接口控制、串口输出 部分构成,测量系统框图如图1 所示。 系统电路的工作原理简述如下:交流电压经过隔离变压器隔离降压、限流以后,分成两路电 压输入信号。一路输入用于频率测量,输入信号经离散器件的分压、稳压处理,使其满足电 压比较芯片AD790JN 输入端的要求,通过 AD790JN 将输入的正弦波信号转换成 波信号,然后送到单片机外部中断INT0,单片机接收外部脉冲,启动定时/计数器对方波 信号进行定时计数,计算得出频率值;另外一路输入用于电压测量值,输入信号经过分压被 送到 转换部分,经过AD574A 芯片的转换,将输入的模拟量转换成数字量送到单片 机的P0 口,得到量化电压值;同时,串口电路部分则负责将得到的频率值、电压值以十六 进制代码形式发送至上位机,从而,上位机对频率值和电压值进行直观的显示。 1.3 系统主要组成电路 (1)波形转换电路 由于交流电压信号的波形为一定幅值的正弦波,所以首先要将其转化为数字脉冲信号,再送 到单片机计数端才能对脉冲计数。波形转换电路由AD790JN 和外围元器件构成,AD790JN 脚分别给出了输入波形对地的正向和负向电压范围,2脚为参考电压输入端,这 里以交流地为参考,3 脚为电压信号输入端,7 脚分别为数字信号输出端和门限电压输入端。电路如图2 所示。 波形由模拟量转换成数字量输出,被送至单片机外部中断 INT0 端,启动定时/计数器 T1 进行计数,频率误差在1 Hz。 转换电路单片机本身只能识别和处理一种离散的数字信号,而在实际的控制系统中,需要监测和控制 的是一些电压、电流等随时间连续变化的电物理量,所以为了实现单片机对一个应用系统的 控制和检测,A/D 转换电路是必不可少的设计环节。 转换的精度达到0.1 V,采用AD574A 已经满足设计要求。AD574A 是12 逐次逼近式A/D转换器,具有 高精度(12 转换的功能,片内含高精度的参考电压源和时钟,有单极性和双极性两种接法,对应的输入电压范围分别为0~20 和-10~+10V,最大转换时间为35μs, 拥有锁存的三态输出,并与 TTL 兼容,可直接与 MCS-51 系列总线相连。设计采用单极性 接法,具体电路如图 所示。为了避免输入电压在进入AD574A 输入端时电压衰减,影响 测量精度,设计中采用加跟随器OP07 进行电压保持。 (3)单片机处理控制电路 单片机是整个系统的核心,根据系统设计的要求和单片机的总体性能,如运算速度、抗干扰 能力、I/O 端口、中断源、存储容量、性价比等,我们采用性能优越的AT89C52 芯片作为 核心。在设计中,其外围控制电路如图4 所示。 (4)串口通讯电路 当单片机内部处理了数据后,通过RS 422 串口将所得的频率、电压值发送至上位机,RS 422 串口具有较好的抗干扰能力,保证了数据通讯的可靠性。其电路图如图5 所示。 (5)电路抗干扰处理 通常在单片机的工作现场中存在许多干扰源,这些干扰源会影响系统的正常工作,因此必须 进行抗干扰处理。在实际中主要的干扰是电源干扰,数字模拟电路间的相互作用等,所以抗 干扰处理主要也是针对这些方面。 抑制电源的干扰通常使用线路滤波器消除电源脉冲干扰的高频分量,用隔离变压器隔离感应 干扰的传输。在该设计中,对交流电采用隔离变压器隔离降压,再经过稳压管、电容去耦、 滤波处理,电压波形稳定,无毛刺。对。DC-DC 的输入直流电压,设计中在DC-DC 前端利 用电源滤波器结合电容进行滤波处理,避免了电源模块干扰。另一方面,在PCB 设计时, 进行模块化设计,使模拟电路部分和数字电路部分在 PCB 上分割清晰,还进行了地线加粗 处理,使地线尽可能连成网状,并对数字部分敷铜接地处理,提高了抗干扰能力。由于设计 以原理摸底为目的,所以使用元器件时,兼顾成本考虑,例如在 AD790 芯片类型选择时, 选用了JN 型,而没有选AQ 型,因为前者为工业级,后者为军品级,在价格上相差甚远。 系统控制软件设计2.1 软件设计的特点 该设计的软件主要是根据设计的功能在KeilC51 下编写的,软件能可靠地实现系统功能。该 设计软件具有以下特点: (1)软件结构清晰、简洁、合理; (2)各功能程序实现模块化、子程序化,这样既便于调试、连接,又便于移植修改; (3)调试过的程序进行规范化,除去修改“痕迹”,规范化的程序可为以后的软件模块化、标 准化打下基础。 2.2 控制信号组合表 AD574A 的工作状态由CE,CS,R/C,12/8,A0 个控制信号决定。这些控制信号的组合功能如表1 所示: 该设计在实验室进行了软硬件的调试。系统上电后,对输入电压进行了适当调整,输出端数据发生了相应的变化。通过对输出量化数据的转化,求得电压值,与前端实际输入电压值进 行比较,误差在0.1 内,串口送出的频率值误差在1Hz。通过一段时间的运行,系统运 行状况良好,能够稳定、可靠地进行电压、频率测量.