1、武汉理工大学单片机应用实践课程设计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 200mv20v 的50Hz 正弦
2、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 日武汉理工大学单片机应用实践课程设计I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
3、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.武汉理工大学单片机应用实践课程设计IIAbstractIn the actual production and life, the effective value plays an extremely important role .
4、Because of the effective value of AC, signal can directly reflect the size of the energy,its 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 u
5、p 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 mod
6、ule to complete sinusoidal RMS measurements. The results through the LCD display.Keywords: sine wave; effective value; single chip microcomputer control; AD736; TLC549.武汉理工大学单片机应用实践课程设计11.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，
7、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 设计流程图信 号 输 入信号衰减选择有 效 值 计 算 放 大 信 号 A/D转换控 制 核 心液 晶 显 示武汉理工大学单片机应用实践课程设计22 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
8、号在 0200mV 内不衰减，200mV2V 内衰减 10 倍，武汉理工大学单片机应用实践课程设计32V15V 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 0460kHz） 、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 200A，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 2.816.5V；-Vs：负电源端，电压范围为-3.2-16.5V； COM：公共端；Vo：输出端；
9、CF：输出端滤波电容，一般取 10F；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 1020F。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 10M，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
10、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33F。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 0.1F 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 10F 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
11、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，武汉理工大学单片机应用实践课程设计4D1、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 有效值测量电路武汉理工大学单片机应用实践课程设计52.2 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
12、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 2.5VREF+Vcc+0.1。REF：负基准电压输入端，-0.1VREF-2.5V。且要求：（REF+）（REF-）1V。VCC：系统电源 3VVcc6V。GND：接地端。/CS：芯片选择输入端，要求输入高电平 VIN2V，输入低电平 VIN0.8V。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，0ANALOGINVcc，当 ANALOGINREF
13、+电压时，转换结果为全“1”(0FFH)，ANALOGINREF-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 引脚图武汉理工大学单片机应用实践课程设计6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 T
14、LC549 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
15、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 转换模块电路图武汉理工大学单片机应用实践课程设计72.3 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
16、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，
17、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。P0P3 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 口一部分控制武汉理工大学单片机应用实践课程设计8TLC549 进行 A/D 转换，一部分控制液晶显示器，P3.2
18、 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 总体电路图武汉理工大学单片机应用实践课程设计9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I/0 口分配 具体分配内容P0 输出液晶显示屏显示内容P2.0 TLC549 外部时钟输入P2.1 串行输出口P2.2 芯片使能端P2.5-P2.6 液晶显示屏控制
19、端P3.2 量程切换武汉理工大学单片机应用实践课程设计104 程序设计4.1 程序框图图 4.1 程序设计框图开 始LCD 初始化启动外部中断 INT0将 A/D 转换后的结果进行量程转化判断 num 的值将结果乘以 10num=1num=0 num=2显示量程 02V 显示量程 020V将结果乘以 100显示有效值否num=0EX0=0，num+num=3外部中断开始结 束EX0=1是武汉理工大学单片机应用实践课程设计114.2 源程序#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit clk =
20、P20; /TLC549 外部时钟输入sbit out = P21; /转换结果数据串行输出端sbit cs = P22; /芯片选择输入端sbit RS=P25; /LCD 控制sbit RW=P26;sbit EN=P27;sbit key=P32; /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 str
21、5=“0-20v “;uchar buffer5=“00000“;uchar danwei=“mv“;uchar ADOUT(void) /A/D 转换武汉理工大学单片机应用实践课程设计12uchar i,x;clk = 0;out = 1;cs = 0;for(i = 0;i8;i+) /串行数据移位输入clk = 1;x=1; /x 的值左移一位后赋值给 xx|=out; /x 与 out 位或后将值赋值给 xclk= 0;cs = 1;for(i=0;i8;i+) /等待 TCL549 保持和转换工作的完成_nop_();return x;void delay1ms(uint ms) /
22、延时 1 毫秒unsigned int i,j;for(i=0;ims;i+)for(j=0;j100;j+);void wr_com(uchar com) /1602 写指令 delay1ms(1);RS=0;RW=0;EN=0;P0=com;武汉理工大学单片机应用实践课程设计13delay1ms(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
23、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 0wr_com(0x06);delay1ms(5); /写一个字符后地址指针加 1wr_com(0x0c);delay1ms(5); /设置开显示，不显示光标void display(uchar *p) /显示武汉理工大学单片机应用实践课程设计14while(*p!=0) /当指针所指的地址的值不是空字符时，执行
24、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 mvdisplay(danwei);wr_com(0xc0+0x07); /显示 0-200mvdisplay(str3);void show(uint date) /显示子函数 buffer0=date/10000+0; /将各个位上的数转换成 ASCLL
25、 码buffer1=date/1000%10+0;buffer2=date/100%10+0;buffer3=date/10%10+0;buffer4=date%10+0;武汉理工大学单片机应用实践课程设计15wr_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)(
26、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 0-200mvdisplay(str3);if(num =1)AD_data1 = AD_data1 * 10;wr_com(0xc0+0x07); /将量程显示改为 0-2vdisplay(str4);if(num =2)AD_data1 = AD_data1 * 100;wr_com(0xc0+0x07); /将量程显示改为 0-20vdisplay(str5);武汉理工大学单
27、片机应用实践课程设计16show( AD_data1); /显示有效值void INTV0() interrupt 0 /外部中断 INT0EX0 = 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。武汉理工大学单片机应用实践课程设计17图 5.1 输入信号有效值为 180mV2.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
28、1.5V3.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 仿真电压数据武汉理工大学单片机应用实践课程设计18输入有效值(V)显示有效值(V)绝对误差(V)相对误差(%)0.06 0.062 0.002 3.30.18 0.182 0.002 1.10.8 0.820 0.02 2.02.0 2.010 0.01 0.59.0 9.200 0.2 2.210.0 10.100 0.1 1.012.8 12.900 0.1 0.814.6 14.700 0.1 0.6随机输入 015V 范围内的 50Hz 正
29、弦信号，部分有效值转化后有误差。误差可能是由如下两方面引起：电阻理论上应用 9k 和 900，而实际只有 9.1k 和 910 两种规格。放大器放大系数理论上是 10 倍，实际电路为 10.1 倍。当测量数据离量程下限不是很近时，基本可以保证 2%以内的误差。6 心得体会通过本次课程设计，我明白了模拟量与数字量之间的转换、单片机控制、显示电路等原理。在课程设计过程中，遇到的问题首先是芯片的使用，例如，TLC549 的使用，LCD 显示器的使用等。通过查找芯片资料解决了芯片使用上的问题。这些问题在课程设计之前，都不清楚，通过查资料，相关书籍，以及请教老师同学，这些问题最终得以解决，为电路的设计做
30、好了铺垫。这次课设让我对单片机的理论有了更加深刻的理解，同时在具体的制作过程中我发现理论和实际还是有很大的差距，仿真与实物存在很大的误差。书本上都是理想化的结论，忽略了很多实际的因素，但这些又是不得不实际考虑的问题，这使我更加深刻的理解到理论联系实际的重要性。课设中通过老师和同学的指导我又学到了不少知识，提高了解决问题的能力。武汉理工大学单片机应用实践课程设计19光阴荏苒，转眼间，为期一周的课程设计已经结束。回想起这几天的时光，有失有得，有悲有喜，有苦有甜。过去的都将成为历史，有些己被淡忘了。但是，忘不了老师的教诲，忘不了朋友的帮助！此时，我要对所有帮助过我的人表示衷心的感谢！参考文献1李群芳
31、，张士军.单片微型计算机与接口技术.M电子工业出版社，20082郭天祥.51 单片机 C 语言教程.M.电子工业出版社，20093陈海宴.51 单片机原理及应用M.北京航空航天大学出版社，20104吴友宇.模拟电子技术基础.北京：清华大学出版社，20095 王东峰.单片机 C 语言应用 100 例M.电子工业出版社，2009武汉理工大学单片机应用实践课程设计20本科生课程设计成绩评定表姓 名 杨博 性 别 男专业、班级 电信 1303 班课程设计题目：50Hz 正弦波有效值测量仪表的设计与实现课程设计答辩或质疑记录：1.衰减信号进入 AD736 接两个二极管起到什么作用？答:起到保护电路的作用。2.信号输入后如何判断是否应该衰减？答：信号输入时应人为判断属于那个量程再调节相应档位实现信号衰减，理论上说此步骤可以利用变成实现自动判别档位功能。3.为什么要接运放电路？答：因为前面对信号进行了衰减处理，而为了使进入单片机的信号还原在此处采用运放。成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日
