lmf100芯片的工频选频表设计软件子系统(附件)
在日常生活中，有时候我们需要选择性的对某一频率的信号进行测量，这时候就需要使用选频表。选频表可以在对某频率信号测量的同时滤除其他信号的干扰，具有较高的抗干扰能力和灵敏度。本课题设计的选频表用开关电容滤波器LMF100实现带通滤波，控制系统选用STC15F2K60S2加强版51单片机，它内置有片内A/D转换，不需要在设计中再添加外部A/D转换器，减少了成本。本次课题以STC15F2K60S2为控制核心，由有效值测量模块、带通滤波器选频、A/D转换模块、量程自动选择模块、键盘和显示模块构成，使用C语言编程来实现各模块的功能。它可以实现40HZ~70HZ信号的选频并对选择频率进行电压或者电流有效值的测量。关键词 选频表，滤波，有效值，STC15F2K60S2，LMF100目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题发展和现状 1
1.3 课题研究目的 4
2 系统方案选择 4
2.1 功能要求 4
2.2 各模块方案选择和介绍 4
2.3 开发环境介绍 10
2.4 总体设计方案 11
3 系统软件设计 11
3.1 系统软件总体设计 11
3.2 有效值和滤波算法 12
3.3 量程转换设计 14
3.4 A/D转换设计 17
3.5 人机接口设计 18
4 单片机程序下载步骤 21
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
附件 程序（C语言） 27
1 绪论
1.1 课题研究背景
工频在平时的生活中特别常见。工频一般是指城市交流电的频率，它是电气质量的重要指标之一。我国的电力工业的工频是50赫兹，世界上其他的一些国家或地区和我国有一些不同，例如美国和英国的工频就是60赫兹。工频会产生辐射干扰我们的日常生活生产，这种干扰就是工频干扰。工频干扰会干扰电气设备和电子设备，从而使电气设备和电子设备产生运行异常。本课题就是要设计一个可以避免50赫兹工频干扰的工频选频表。选频表可以对某一个频
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平时的生活中特别常见。工频一般是指城市交流电的频率，它是电气质量的重要指标之一。我国的电力工业的工频是50赫兹，世界上其他的一些国家或地区和我国有一些不同，例如美国和英国的工频就是60赫兹。工频会产生辐射干扰我们的日常生活生产，这种干扰就是工频干扰。工频干扰会干扰电气设备和电子设备，从而使电气设备和电子设备产生运行异常。本课题就是要设计一个可以避免50赫兹工频干扰的工频选频表。选频表可以对某一个频率的信号进行测量的同时，把其他频率的信号和杂音滤除掉，以提高测量结果的精确性。
本课题的选频表属于数字式仪表的一种。第一台数字式仪表在20世纪50年代被制造出来，随着电子技术的发展，数字式仪表和数字化测量技术也获得了飞速的发展。现在全世界已经生产出了很多种数字仪表。与传统的指针电压表相比，数字式选频表有很多优点，比如:精确度高、操作比较简单、灵敏度高、测量速度快等。虽然数字仪表的成本较高且观察动态过程不直观，但是随着现代电子科技发展，这些缺点会逐渐变小。从模拟到数字，从单通道到综合多通道测量发展，从单仪表到测量信息系统过度，将各种量变为统一的量进行测量等是最近这些年测量技术的主要发展趋势。如果按照仪器出现的顺序和功能特点，仪表可以分为三大类。第一种是模拟仪表，如指针式的电压表、电流表等。这类仪表至今还被广泛使用这。第二种数字仪表，它的准确性和灵敏度等很多方面都比模拟式仪表更高。这种仪表是把模拟信号转变为数字信号来实现各种测量功能的。数字仪表因为其灵敏度和精确度高的优点已经被各大行业广泛使用。第三种是智能仪表，它们集采集数据、数据显示处理和优化控制功能于一体。智能仪表相比于前两种仪表稳定性和可靠性都高出不少，因此以后一段时间智能仪表的发展很重要。因为现在人们对测量的精确度和稳定性的要求越来越高，所以像选频表这类可靠稳定的数字仪表在最近这些年里得到了很大的发展和普及。
近年来计算机在各个领域内的发展和渗透，带动了单片机的应用和传统控制设备的更新。在检测控制的单片机系统中，单片机大多数时候都会作为控制部分。电子计算机的进步和单片机的发展，也为数字仪表的发展做出了很大的贡献。本课题就是以单片机和滤波器为核心来实现对选频表的设计。
1.2 课题发展和现状
1.2.1 滤波器的国内外发展状况
滤波器一般是指具有信号处理能力的设备。滤波器在很多领域的应用都特别广泛；在所有电子器件里，滤波器可以算是技术最为复杂的一种了。滤波器的优劣直接决定着产品的好坏，所以各国对滤波器的研究与应用都非常重视。
滤波器最早出现在20世纪20年代初，当时美国和德国科学家发明出了LC滤波器，直接导致了世界上第一个多路复用系统的出现。无源滤波器的技术的成熟是在20世纪50年代的时候。从60年代开始，因为计算机技术和集成工艺的发展，滤波器朝着降低功耗、缩小体积、提高精度、增加功能、价钱低廉和稳定可靠等方面发展，加速了新型滤波器的出现和原有滤波器的发展。80年代开始，人们开始在集成工艺的基础上研究其他新型滤波器，尽可能在提高滤波器的性能的同时扩大应用范围。90年代到现在人们一直在为了滤波器可以在更多产品中应用而努力。同时也在研究更多新型滤波器。我国滤波器的广泛使用相较于发达国家来说要晚了很多。我国在50年代才开始对滤波器进行广泛使用，且主要是话路滤波和报路滤波。经过几十年的发展，我国对于滤波器的研制和生产应用已经跟上了发达国家的步伐，但是同时又缺少专门研制机构，导致集成工艺和材料工业跟不上，使我国很多新型滤波器的研发与应用和发达国家相差一段距离。
滤波器的分类有很多种。按照选择物理量来分类，可以分成频率选择滤波器、幅度选择滤波器、时间选择滤波器和信息选择滤波器四种。按频率特性可以分成四种：把频率fc作为分界线，频率在fc以下的可以通过，fc以上的除去，这样的滤波器称为低通滤波器；把频率fc作为分界线，频率在fc以下的除去，fc以上的可通过，这样的滤波器称为高通滤波器；把频率f1和fh作为分界线，f1和fh之间的频率可以通过，f1以下与fh以上的频率除去，这样的滤波器称为带通滤波器；把频率f1和fh作为分界线，f1和fh之间的频率除去，f1以下与fh以上的频率可以通过，这样的滤波器称为带阻滤波器。如果按构成方式分类可以分成模拟滤波器和数字滤波器，模拟滤波器又分为无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器是指仅由电阻、电感器和电容器等无源原件构成的滤波器；有源滤波器是指除无源原件以外，还采用具有放大作用的有源元件构成的滤波器；数字滤波器是指把信号电压变成数字数值，进行数字运算的滤波器[1]。
20世纪60年代单片集成运算放大器被发明出来，为有源滤波器的发展开辟了道路。20世纪70年代初，有源滤波器的发展吸引了人们的注意，直到70年代末单片RC有源滤波器被发明出来，它的出现是滤波器集成上前进的一大步。但是运放的增益和相移都是频率的函数，这严重限制了RC有源滤波器的频率范围。70年代中期高频RC有源滤波器被生产出来，但是
1 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题发展和现状 1
1.3 课题研究目的 4
2 系统方案选择 4
2.1 功能要求 4
2.2 各模块方案选择和介绍 4
2.3 开发环境介绍 10
2.4 总体设计方案 11
3 系统软件设计 11
3.1 系统软件总体设计 11
3.2 有效值和滤波算法 12
3.3 量程转换设计 14
3.4 A/D转换设计 17
3.5 人机接口设计 18
4 单片机程序下载步骤 21
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
附件 程序（C语言） 27
1 绪论
1.1 课题研究背景
工频在平时的生活中特别常见。工频一般是指城市交流电的频率，它是电气质量的重要指标之一。我国的电力工业的工频是50赫兹，世界上其他的一些国家或地区和我国有一些不同，例如美国和英国的工频就是60赫兹。工频会产生辐射干扰我们的日常生活生产，这种干扰就是工频干扰。工频干扰会干扰电气设备和电子设备，从而使电气设备和电子设备产生运行异常。本课题就是要设计一个可以避免50赫兹工频干扰的工频选频表。选频表可以对某一个频
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平时的生活中特别常见。工频一般是指城市交流电的频率，它是电气质量的重要指标之一。我国的电力工业的工频是50赫兹，世界上其他的一些国家或地区和我国有一些不同，例如美国和英国的工频就是60赫兹。工频会产生辐射干扰我们的日常生活生产，这种干扰就是工频干扰。工频干扰会干扰电气设备和电子设备，从而使电气设备和电子设备产生运行异常。本课题就是要设计一个可以避免50赫兹工频干扰的工频选频表。选频表可以对某一个频率的信号进行测量的同时，把其他频率的信号和杂音滤除掉，以提高测量结果的精确性。
本课题的选频表属于数字式仪表的一种。第一台数字式仪表在20世纪50年代被制造出来，随着电子技术的发展，数字式仪表和数字化测量技术也获得了飞速的发展。现在全世界已经生产出了很多种数字仪表。与传统的指针电压表相比，数字式选频表有很多优点，比如:精确度高、操作比较简单、灵敏度高、测量速度快等。虽然数字仪表的成本较高且观察动态过程不直观，但是随着现代电子科技发展，这些缺点会逐渐变小。从模拟到数字，从单通道到综合多通道测量发展，从单仪表到测量信息系统过度，将各种量变为统一的量进行测量等是最近这些年测量技术的主要发展趋势。如果按照仪器出现的顺序和功能特点，仪表可以分为三大类。第一种是模拟仪表，如指针式的电压表、电流表等。这类仪表至今还被广泛使用这。第二种数字仪表，它的准确性和灵敏度等很多方面都比模拟式仪表更高。这种仪表是把模拟信号转变为数字信号来实现各种测量功能的。数字仪表因为其灵敏度和精确度高的优点已经被各大行业广泛使用。第三种是智能仪表，它们集采集数据、数据显示处理和优化控制功能于一体。智能仪表相比于前两种仪表稳定性和可靠性都高出不少，因此以后一段时间智能仪表的发展很重要。因为现在人们对测量的精确度和稳定性的要求越来越高，所以像选频表这类可靠稳定的数字仪表在最近这些年里得到了很大的发展和普及。
近年来计算机在各个领域内的发展和渗透，带动了单片机的应用和传统控制设备的更新。在检测控制的单片机系统中，单片机大多数时候都会作为控制部分。电子计算机的进步和单片机的发展，也为数字仪表的发展做出了很大的贡献。本课题就是以单片机和滤波器为核心来实现对选频表的设计。
1.2 课题发展和现状
1.2.1 滤波器的国内外发展状况
滤波器一般是指具有信号处理能力的设备。滤波器在很多领域的应用都特别广泛；在所有电子器件里，滤波器可以算是技术最为复杂的一种了。滤波器的优劣直接决定着产品的好坏，所以各国对滤波器的研究与应用都非常重视。
滤波器最早出现在20世纪20年代初，当时美国和德国科学家发明出了LC滤波器，直接导致了世界上第一个多路复用系统的出现。无源滤波器的技术的成熟是在20世纪50年代的时候。从60年代开始，因为计算机技术和集成工艺的发展，滤波器朝着降低功耗、缩小体积、提高精度、增加功能、价钱低廉和稳定可靠等方面发展，加速了新型滤波器的出现和原有滤波器的发展。80年代开始，人们开始在集成工艺的基础上研究其他新型滤波器，尽可能在提高滤波器的性能的同时扩大应用范围。90年代到现在人们一直在为了滤波器可以在更多产品中应用而努力。同时也在研究更多新型滤波器。我国滤波器的广泛使用相较于发达国家来说要晚了很多。我国在50年代才开始对滤波器进行广泛使用，且主要是话路滤波和报路滤波。经过几十年的发展，我国对于滤波器的研制和生产应用已经跟上了发达国家的步伐，但是同时又缺少专门研制机构，导致集成工艺和材料工业跟不上，使我国很多新型滤波器的研发与应用和发达国家相差一段距离。
滤波器的分类有很多种。按照选择物理量来分类，可以分成频率选择滤波器、幅度选择滤波器、时间选择滤波器和信息选择滤波器四种。按频率特性可以分成四种：把频率fc作为分界线，频率在fc以下的可以通过，fc以上的除去，这样的滤波器称为低通滤波器；把频率fc作为分界线，频率在fc以下的除去，fc以上的可通过，这样的滤波器称为高通滤波器；把频率f1和fh作为分界线，f1和fh之间的频率可以通过，f1以下与fh以上的频率除去，这样的滤波器称为带通滤波器；把频率f1和fh作为分界线，f1和fh之间的频率除去，f1以下与fh以上的频率可以通过，这样的滤波器称为带阻滤波器。如果按构成方式分类可以分成模拟滤波器和数字滤波器，模拟滤波器又分为无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器是指仅由电阻、电感器和电容器等无源原件构成的滤波器；有源滤波器是指除无源原件以外，还采用具有放大作用的有源元件构成的滤波器；数字滤波器是指把信号电压变成数字数值，进行数字运算的滤波器[1]。
20世纪60年代单片集成运算放大器被发明出来，为有源滤波器的发展开辟了道路。20世纪70年代初，有源滤波器的发展吸引了人们的注意，直到70年代末单片RC有源滤波器被发明出来，它的出现是滤波器集成上前进的一大步。但是运放的增益和相移都是频率的函数，这严重限制了RC有源滤波器的频率范围。70年代中期高频RC有源滤波器被生产出来，但是
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