50HZ正弦交流信号有效值的测量V3.0

目录摘要 (I)1. 设计原理 (1)2. 系统硬件设计 (1)2.1电阻分压以及阻抗匹配模块 (1)2.2 有效值检波模块 (2)2.3 ADS1115电压检测模块 (3)2.4单片机控制及显示模块 (3)2.5系统整体原理图 (4)3程序框图 (5)4资源分配表 (5)5源程序 (6)5.1主程序 (6)5.2液晶显示程序 (8)5.3 ADS1115启动程序 (11)6性能分析 (19)6.1实物测试图 (19)6.2测量数据分析 (20)7总结与体会 (21)参考文献 (22)摘要有效值能直接反应交流信号的能量大小，具有简单的叠加性，计算起来方便，对于研究功率、噪声、失真度、频谱纯度等有十分重要的作用。

因此，有效值在实际应用中使用十分广泛。

本文主要介绍了对50HZ正弦交流信号有效值的测量方法的设计与实现。

根据要求，测量电路由电阻分压网络、基于OPA277的阻抗匹配模块、基于AD637的有效值检测模块以及基于ADS1115的电压测量模块组成，控制部分选用STC89C52单片机，所测量的有效值通过LCD1602显示。

关键词：有效值、AD637、STC89C52单片机1. 设计原理图1 系统整体结构图由图1系统整体框图可知，此测量有效值系统主要由分压网络、阻抗匹配、有效值检波、电压测量、单片机控制以及液晶显示等模块组成。

题目要求的输入信号输入范围为0~15V ，这远远大于一般有效值检波以及AD 转换芯片的输入电压值，因此，在前级需要加一级电阻分压网络，将输入信号的幅值衰减一般，使其适合测量。

本系统选用的有效值检波模块基于AD637芯片，AD637是一个高精度RMS-DC 转换芯片，但其输入阻抗较小，在信号输入前通过一级运算放大器进行阻抗匹配，提升电路整体的稳定性，经过AD637的转换，输出对应交流信号的直流有效值，在单片机的控制下，ADS1115进行电压检测，并将检测的值返回给单片机通过LCD1602显示。

此系统对控制芯片的要求并不高，选用52单片机足以实现所需求的功能。

单片机首先对内部定时器以及LCD1602进行初始化后，进入等待模式，当达到所设定的时间时，进入中断开启ADS1115进行电压值的测量，并将测量值通过LCD1602显示，之后退出中断等待下一次中断的来临。

2. 系统硬件设计2.1电阻分压以及阻抗匹配模块由于题目所要求的电压范围为0~15V ，大于一般芯片的测量范围，因此采用两个10K 的电阻进行分压，使输入信号衰减一半，如图2所示，衰减后的信号1/2电阻分压网络阻抗匹配有效值检波ADS1115测量有效值单片机控制LCD1602显示有效值信号输入通过OPA277进行阻抗匹配，以提升系统整体的稳定性。

图2 电阻分压及阻抗匹配电路2.2 有效值检波模块为了实现对有效值的检测，需先将交流信号转化成直流有效值，如图3所示，在此系统中，选用AD637完成此功能。

AD637是一款完整的高精度、单芯片均方根直流转换器，可计算任何复杂波形的真均方根值。

它提供集成电路均方根直流转换器前所未有的性能，精度、带宽图3 有效值检波电路和动态范围与分立和模块式设计相当。

AD637提供波峰因数补偿方案，允许以最高为10的波峰因数测量信号，额外误差小于1%。

宽带宽允许测量200 mV均方根、频率最高达600 kHz的输入信号以及1 V均方根以上、频率最高达8 MHz 的输入信号。

片内缓冲放大器既可以用作输入缓冲，也可以用于有源滤波器配置。

该滤波器可以用来降低交流纹波量，从而提高精度。

满足题目对精度0.01V，误差小于0.02V的要求。

2.3ADS1115电压检测模块经过前级AD637的转换，输入ADS1115的信号为直流有效值，ADS1115是具有16位分辨率的高精度模拟到数字转换器（ADC），其数据传输通过一个2I C 兼容串行接口，四个2I C从地址,由2.0V至5.5V单电源供电。

ADS1115可以执行转换速率高达每秒860个样本（SPS）。

板载PGA的ADS1115提供从电源的输入范围为±256mV的低，允许大型和小型的信号进行高分辨率测量。

如图4所示，使用ADS1115测量电压，足以满足精度的要求。

图4 ADS1115电压检测电路图2.4单片机控制及显示模块系统的控制部分由52单片机实现，单片机具有体积小，操作方便，应用灵活，运行稳定准确等特点，现以广泛应用于各领域。

此系统对控制部分要求不高，在单片机最小系统的基础上增加一些基本外设即可。

如图5所示，最小系统由单片STC89C52、复位电路、振荡电路组成，振荡电路为单片机工作提供时钟源，但程序跑飞的时候，可通过控制电路使程序从头开始执行。

图中与单片机相连的是LCD1602液晶显示屏，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

它由若干个5*7或者5*11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。

通过单片机控制LCD1602可显示设定的英文字符和数字等信息。

图5 单片机控制及显示电路2.4系统整体原理图如图6所示，是此系统的整体电路图。

图6 系统整体电路图3程序框图如图7所示，是此系统的程序流程框图。

开始初始化LCD1602初始化定时器等待中断否定时到达设定时间是开启ADS1115测量电压显示测量电压值图7 程序流程图4 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 单片机资源分配表5 源程序5.1 主程序#include "LCD1602.h"#include "ads1115.h"char i=0，flag;char show_zifu[]={"Design by lq"}; float resultdata=0;void set_time(){//定时1msEA = 1;TMOD |= 0X01;TH0 = (65536-1000)/256;TL0 = (65536-1000)%256;EA = 1;ET0 = 1;TR0 = 1;TF0 = 0;}void main(){lcd_init();set_time();for(i=0;i<12;i++){lcd_sendcmd(0x80+i);lcd_senddat(show_zifu[i]);}lcd_sendcmd(0xc0);lcd_senddat('V');lcd_sendcmd(0xc1);lcd_senddat(':');while(1){if(flag == 1){resultdata = AD_last(0) *2;lcd_show_float(0xc2,resultdata);flag = 0;}}}void inter() interrupt 1{static uint j=0;j++;while(j==200){flag = 1;j=0;}TH0 = (65536-1000)/256;TL0 = (65536-1000)%256;TR0 = 1;TF0 = 0;}5.2液晶显示程序#ifndef __LCD1602_H__#define __LCD1602_H__#include <reg52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char/************各IO口声明************/sbit LCD1602_EN=P0^5;sbit LCD1602_RW=P0^6;sbit LCD1602_RS=P0^7;#define lcd_DATA P2/****************各io口定义值的替换*****************/#define LCD1602_EN_H LCD1602_EN = 1 #define LCD1602_EN_L LCD1602_EN = 0 #define LCD1602_RW_H LCD1602_RW = 1 #define LCD1602_RW_L LCD1602_RW = 0#define LCD1602_RS_H LCD1602_RS = 1 #define LCD1602_RS_L LCD1602_RS = 0/***************子函数名****************/void delay(uint s);void lcd_input_byte(uchar byte);void lcd_sendcmd(uchar cmd);void lcd_senddat(uchar dat);void lcd_init();void lcd_show_float(uchar add,float num);/*****************************/#endif#include "LCD1602.h"void delay(uint s){uint i,j;for (i=0;i<s;i++)for (j=1;j<=110;j++) ;}void lcd_input_byte(uchar byte){LCD1602_RW_L;lcd_DATA = byte;LCD1602_EN_L;LCD1602_EN_H;delay(10);}void lcd_sendcmd(uchar cmd){LCD1602_RS_L;lcd_input_byte(cmd);}void lcd_senddat(uchar dat){LCD1602_RS_H;lcd_input_byte(dat);}void lcd_init(){lcd_sendcmd(0x38); /*设置2行数据，5*7数据*/ lcd_sendcmd(0x38);lcd_sendcmd(0x08); /*显示关闭*/lcd_sendcmd(0x01); /*显示清屏*/lcd_sendcmd(0x06); /*显示光标移动设置*/lcd_sendcmd(0x0c); /*显示开及光标移动*/ delay(50);}void lcd_show_float(uchar add,float num){uchar temp[6]={"00.00V"},i;int show_num;show_num = num * 100; //保留两位小数temp[0] = show_num /1000 +'0';temp[1] = show_num /100%10 +'0';temp[3] = show_num /10%10 +'0';temp[4] = show_num %10 +'0';for(i=0;i<6;i++){lcd_sendcmd(add + i);lcd_senddat(temp[i]);}}5.3 ADS1115启动程序/**********ADS1115驱动程序头文件*******/ #include <reg52.h>//定义头文件#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define u8 unsigned char#define u16 unsigned int#define ulong unsigned longvoid delay_1115(uint ms);void AD_Start(void);void AD_Stop(void);void Send_byte(uchar byte);uint Read_byte(void);void AD_Config(uchar channel);void Point(void);u16 Read_result(void);float AD_last(uchar channel_ad);/**********ADS1115 AD1 驱动程序*******/ #include <reg52.h>//定义头文件#include "ads1115.h"sbit AD1115_SCL=P0^0;sbit AD1115_SDA=P0^1;#define SCL_H AD1115_SCL = 1#define SCL_L AD1115_SCL = 0#define SDA_H AD1115_SDA = 1#define SDA_L AD1115_SDA = 0uchar Initdata[4];u16 result=0;void delay_1115(uint ms){u16 a;while(ms--){a=120;while(a--);}}/**************************函数名称：void AD_Start(void)函数功能：ADS1115开始通信信号返回值：无**************************/ void AD_Start(void){SDA_L;delay_1115(2);SCL_H;delay_1115(1);SDA_H;delay_1115(2);SDA_L;SCL_L;delay_1115(2);}/**************************函数名称：void AD_Stop(void)函数功能：ADS1115结束通信信号返回值：无**************************/ void AD_Stop(void){SDA_L;SCL_H;SDA_H;}/**************************函数名称：void Send_byte(uchar byte)函数功能：ADS1115单字节传输返回值：无**************************/void Send_byte(uchar byte){uchar i;for(i=0;i<8;i++){if((byte<<i)&0x80) //从高位开始传SDA_H;else SDA_L;SCL_H;delay_1115(1);SCL_L;}SDA_H;SCL_H;delay_1115(1);SCL_L;// delay_ms(1);}/**************************函数名称：void Read_byte(void)函数功能：ADS1115 read a byte返回值：tempuint Read_byte(void){uchar temp=0,flag;uchar i;for(i=0;i<8;i++){temp=temp<<1;SCL_L;delay_1115(1);SCL_H;delay_1115(1);flag = P0;if( flag & 0x02) //数据位为1temp|=0x01;delay_1115(1);}SCL_L; // ACK 结束时序delay_1115(1);SDA_L;SCL_H;delay_1115(1);SCL_L;SDA_H;return temp;}函数名称：void AD_Config(uchar channel)函数功能：ADS1115 channel choose返回值：无**************************/void AD_Config(uchar channel){uchar channel_code=0;uchar i;switch(channel){case 0:channel_code=0xc2;break; //通道0配置寄存器的高8位case 1:channel_code=0xd2;break; //通道1case 2:channel_code=0xe2;break; //通道2case 3:channel_code=0xf2;break; //通道3default: break;}Initdata[0]=0x90;// address and write command 地址为0x90Initdata[1]=0x01;// points to Config registerInitdata[2]=channel_code; // congfig the high byte ,choose the channel Initdata[3]=0xe3; //speed:860sps ，SCL_H;AD_Start();for(i=0;i<4;i++){Send_byte(Initdata[i]);delay_1115(1);}AD_Stop();}/**************************函数名称：void Point(void)函数功能：ADS1115 write to pointer register 返回值：无**************************/void Point(void) //配置pointer register{SCL_H;AD_Start();Send_byte(0x90);delay_1115(1);Send_byte(0x00);delay_1115(1);AD_Stop();delay_1115(1);}/**************************函数名称：uchar Read_result(void)函数功能：read ADS1115's conversation result 返回值：result**************************/u16 Read_result(void){uchar result_L=0,result_H=0;SCL_H;AD_Start();delay_1115(1);Send_byte(0x91);delay_1115(1);delay_1115(1);result_H=Read_byte();delay_1115(1);result_L=Read_byte();delay_1115(1);AD_Stop();result=result_H*256+result_L; //即高位结果向左移8位与低8位构成一个字return result;}/**************************函数名称：uchar AD_last(void)函数功能：get the last result返回值：last**************************/float AD_last(uchar channel_ad){float last2=0;u16 last1=0;AD_Config(channel_ad);//选择通道delay_1115(5);Point();delay_1115(5);last1=Read_result(); //正值最大为0x7fff，选取FS为4.096last2=4.096*(last1/32768.0);return last2;}6性能分析6.1实物测试图图8 系统实物图图9 输入1Vpp信号测量图图10 输入5Vpp信号测量图图11输入10Vpp信号测量图图12 输入15Vpp信号测量图图8为整套系统实物图，主要由电源模块、峰值有效值转换模块、A/D电压检测模块以及单片机控制模块组成。