一种基于MSP430单片机的交流频率检测系统

文章摘要：摘要：本文提出了一种交流信号过零检测的电路，即捕获交流信号的零点，并借助MSP430单片机内部的16位定时器A（Timer A）的脉冲捕获功能便能得到该交流信号的周期进而能得到它的频率。系统的硬件部分主要由MSP430单片机以及整流桥、光电耦合器、三级管等器件构成；而软件部分主要是基于MSP430单片机的C语言程序，包括系统的初始化、定时器的设置等。该系统的实验结果和电路仿真吻合较好，具有一定的应用价值。 关键字：过零检测，脉冲捕获，MSP430，单片机，16位定时器A 1 引言由于频率信号具有抗干扰性强、易于传输、测量准确度较高等优点，因此许多非频率量的传感信号都转换为频率量来进行测量和处理

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　　摘要：本文提出了一种交流信号过零检测的电路，即捕获交流信号的零点，并借助MSP430单片机内部的16位定时器A（Timer A）的脉冲捕获功能便能得到该交流信号的周期进而能得到它的频率。系统的硬件部分主要由MSP430单片机以及整流桥、光电耦合器、三级管等器件构成；而软件部分主要是基于MSP430单片机的C语言程序，包括系统的初始化、定时器的设置等。该系统的实验结果和电路仿真吻合较好，具有一定的应用价值。
　　关键字：过零检测，脉冲捕获，MSP430，单片机，16位定时器A

　　1 引言

　　由于频率信号具有抗干扰性强、易于传输、测量准确度较高等优点，因此许多非频率量的传感信号都转换为频率量来进行测量和处理。因此频率测量方法愈来愈引起关注和研究。

　　频率测量是测量和控制系统领域的最基本测量之一。当今用的最多的测量信号频率的仪器是频率计，由于频率计在测量过程中需要一个时基信号作为测量信号频率的时基。时基信号一般是由本机振荡电路发生的，尽管现在多用石英晶体振荡器，但是仍然不能保证时基信号的精度,因此频率计的测量精度也就成了问题。传统的频率测量方法有两种^[1]：一种是测频法,在一定时间间隔T内测出待测信号重复变化次数N，频率即为 ；另一种方法是测周法,在被测信号的一个周期内测出标准高频信号f的个数N，则被测频率 。

本文介绍了一种测宽法^[2]，借助光电耦合原理，将交流信号转变成周期脉冲信号，通过捕获脉冲信号的下降沿，由定时器计数，通过二次计数的差值便能得到脉冲信号的周期，进而可以计算出所测交流信号的频率。

　　2 硬件电路设计

　　硬件电路完成的任务是：

　　（1）模拟电路部分的设计，其功能是进行信号的转化。交流信号通过整流桥、光电耦合器等模拟器件便能得到周期脉冲信号。

　　（2）数字电路部分的设计，其功能是进行信号的检测。MSP430单片机内部的16位定时器A具有脉冲捕获功能，能将脉冲信号的占空比检测出来。

图1为它的基本结构图。

图1 系统的基本结构

　　2.1 模拟电路部分的设计　

　　图2为模拟部分原理。下面主要阐述该电路的工作原理：

图2   模拟部分原理图

考虑到交流信号中可能含有一定的直流信号，而直流信号会引起交流波形的上移或下移，这可能会导致原有交流信号没有零点，这就谈不上过零检测、周期脉冲了，因此要根据交流信号的实际情况，在交流信号的出口处用设个适当的电容，起到隔直的作用。

R1和R2是限流电阻，保护后面的稳压管、二极管、光电耦合器在额定功耗范围内。由于这里的交流信号源选取的是220V市电正弦信号，所以R1和R2的阻值要比较大而且功率要比较大，该系统使用的是 、1W的电阻。

D1和D2是齐纳稳压管，主要作用是限压，保护整流桥的整流二极管使其反向电压在范围之内。该系统选用的稳压管型号是1N4736其稳压范围是 ，远远小于整流二极管的反向耐压。图3为稳压管的端电压（即图1中的Vi1－Vi2）波形。

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