50HZ正弦交流信号有效值的测量
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摘要 ........................................................................................................................... I 1. 设计原理 ............................................................................................................... 1 2. 系统硬件设计 ....................................................................................................... 1
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
4
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5 源程序
5.1 主程序
#include "LCD1602.h" #include "ads1115.h"
char i=0，flag; char show_zifu[]={" "}; float resultdata=0;
图 5 单片机控制及显示电路
3
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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
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
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
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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。
资源 P0.0 P0.1 P0.5 P0.6 P0.7 P2 定时器 0
表 1 单片机资源分配表 用途
控制 ADS1115 时钟引脚 控制 ADS1115 数据引脚 控制 LCD1602 使能引脚 控制 LCD1602 读写引脚 控制 LCD1602 功能选择引脚 向 LCD1602 写入数据 设定一定时间，间歇性的开启 ADS1115 进行转换
void set_time() {
//定时 1ms EA = 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++)
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
ห้องสมุดไป่ตู้
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
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
2
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I
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1. 设计原理
信号输入
1/2电阻分压网 络
阻抗匹配
有效值检波
ADS1115测量有 效值
LCD1602显示有 效值
单片机控制
图 1 系统整体结构图
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
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 3 程序框图 ............................................................................................................... 4 4 资源分配表............................................................................................................ 4 5 源程序 ................................................................................................................... 5 5.1 主程序.......................................................................................................... 5 5.2 液晶显示程序 .............................................................................................. 7 5.3 ADS1115 启动程序 .................................................................................... 10 6 性能分析 ............................................................................................................. 15 6.1 实物测试图 ................................................................................................ 15 6.2 测量数据分析 ............................................................................................ 17 参考文献 ................................................................................................................ 17
差小于 0.02V 的要求。
2.3 ADS1115 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 I 2C 兼容串行接口，四个 I 2C 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。
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。
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。
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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。
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摘要 ........................................................................................................................... I 1. 设计原理 ............................................................................................................... 1 2. 系统硬件设计 ....................................................................................................... 1
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
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5 源程序
5.1 主程序
#include "LCD1602.h" #include "ads1115.h"
char i=0，flag; char show_zifu[]={" "}; float resultdata=0;
图 5 单片机控制及显示电路
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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
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
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
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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。
资源 P0.0 P0.1 P0.5 P0.6 P0.7 P2 定时器 0
表 1 单片机资源分配表 用途
控制 ADS1115 时钟引脚 控制 ADS1115 数据引脚 控制 LCD1602 使能引脚 控制 LCD1602 读写引脚 控制 LCD1602 功能选择引脚 向 LCD1602 写入数据 设定一定时间，间歇性的开启 ADS1115 进行转换
void set_time() {
//定时 1ms EA = 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++)
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
ห้องสมุดไป่ตู้
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
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
2
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1. 设计原理
信号输入
1/2电阻分压网 络
阻抗匹配
有效值检波
ADS1115测量有 效值
LCD1602显示有 效值
单片机控制
图 1 系统整体结构图
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
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 3 程序框图 ............................................................................................................... 4 4 资源分配表............................................................................................................ 4 5 源程序 ................................................................................................................... 5 5.1 主程序.......................................................................................................... 5 5.2 液晶显示程序 .............................................................................................. 7 5.3 ADS1115 启动程序 .................................................................................... 10 6 性能分析 ............................................................................................................. 15 6.1 实物测试图 ................................................................................................ 15 6.2 测量数据分析 ............................................................................................ 17 参考文献 ................................................................................................................ 17
差小于 0.02V 的要求。
2.3 ADS1115 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 I 2C 兼容串行接口，四个 I 2C 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。
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。
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。
小二货电子工作室：https://shop137268651.taobao.com/?spm=a230r.7195193.1997079397.2.5t9HIn
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。
5
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