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。

1 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 V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CMOS8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 B的数据存储器，3个16 b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个I／O口、多达36根I／O线。特别是内部的8 kB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5 V的方波信号，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A／D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的1脚和4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、8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。

(2)A／D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。

该A／D设计的目的是把检测到的电压模拟量转换成数字量，要求A／D转换的精度达到±0.1 V，采用AD574A已经满足设计要求。AD574A是12 b逐次逼近式A／D转换器，具有高精度(12 b)变换和高快(8 b) 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 V和-10～+10 V，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3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。