lmf100芯片的工频选频表设计硬件子系统(附件)
由于目前低频电子设备普遍受到工频的干扰，所以如何滤除工频是个很实际的问题。工频选频表不仅可以滤除工频干扰，还可以对选频电压和选频电流进行测量，运用的范围非常广泛，因此对工频选频表的研究有很大意义。本文详细介绍了工频选频表的设计，以开关电容滤波器LMF100实现带通滤波，外加运算放大器实现滤除工频。用STC15F2K60S2单片机作为控制核心，由输入信号采样模块、量程自动转换模块、滤波模块、单片机控制模块和显示模块构成。它可以对40HZ~70HZ信号的进行选频并能测量出选择频率的电压或电流有效值，最后通过显示屏LCD1602显示出来。关键词 选频表，带通滤波，STC15F2K60S2，LMF100目 录
1 绪论 1
1. 1 课题的背景及意义 1
1.2 课题的技术发展状况 2
2 工频选频表的总体设计 4
2.1 系统的功能与要求 4
2.2 系统各部分设计方案的论证 5
2.3 系统的总体设计思路 7
2.4 系统的总体设计框图 8
3 工频选频表硬件设计 8
3.1 采样模块 8
3.2 量程自动转换模块 11
3.3 滤波电路模块 16
3.4 控制模块 20
3.5 人机接口模块 23
结 论 27
致 谢 28
参考文献 29
附录A 电路原理图 30
附录B 电路原理图 31
1 绪论
1. 1 课题的背景及意义
在平时日常生活中，工频及其谐波的干扰几乎无处不在。所以如何测量和滤除工频是一个很实际的问题。因此首先要对工频有一定的理解。我国动力电统一使用50Hz的交流电，工频是指其工作频率（即50Hz），而英美等国家的工频为60Hz。工频电磁波的波长没有方向性，而且任何金属都可能被穿透[1]。因此，无法将其隔离在固定空间，也使得人们必然受其干扰。工频产生的途径有很多种，如输电线路、变压器以及各种低频电子设备。但它主要来源于电力的传送、分配以及使用。随着社会经济地不断发展，各行各业对电力需求也不断地
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。因此首先要对工频有一定的理解。我国动力电统一使用50Hz的交流电，工频是指其工作频率（即50Hz），而英美等国家的工频为60Hz。工频电磁波的波长没有方向性，而且任何金属都可能被穿透[1]。因此，无法将其隔离在固定空间，也使得人们必然受其干扰。工频产生的途径有很多种，如输电线路、变压器以及各种低频电子设备。但它主要来源于电力的传送、分配以及使用。随着社会经济地不断发展，各行各业对电力需求也不断地增加，所以我国输电线路的等级也在不断地提高。我国超高压输变电线不断地增长和设备不断地增加，在其经过的区域及附近产生工频电场和工频磁场也就越来越多[2]。由此可知，工频对环境的影响及人群健康日益受到广泛的关注。
工频的危害首先体现在对环境的影响，主要表现在：
（1） 对电视机和收音机信号的接收产生影响，从而导致居民无法正常收看与收听节目[3]。
（2） 电晕放电会引起电能的损耗，而且对居民正常生活产生一定影响。
（3） 当工频干扰距离较近时，对CRT显示器有影响，电脑无法正常显示。
（4） 当通讯线靠近或跨越高压输电线路时，会对通讯或广播产生干扰。
另一方面，工频还会对人体健康造成影响，主要体现在：
（1） 工频主要以电场辐射形式作用在人身上，如果一个人过多的受到电磁辐射，身体就会受到损伤。
（2） 而如果当电磁辐射超过一定强度，那么人体便会产生负面效应，如头疼、记忆衰退、血压升高等症状[4]。
（3） 在电磁辐射超强度的环境下长期作业的工作人员，身体不仅会受到损伤，严重的甚至会引起部分人员白内障甚至致癌等症状。
可见，对工频的检测和滤除是一个应用广泛的实际问题。而课题的设计目的是通过单片机控制，然后运用LMF100芯片设计出一个具有工频选频功能的电路。该电路运用软硬件相结合，可以对输入信号频率进行选择，对电压和电流进行检测和测量，并且滤除工频干扰。
1.2 课题的技术发展状况
传统的测量仪器，不仅需要在测量前先对测量值得估算，而且在测量时还需要进行量程的转换。实际操作中，很容易将仪表弄坏而且操作复杂，不能满足大众的需求。而随着社会的不断发展和科技的不断进步，单片机的运用逐步走向各个领域[5]，我们可以通过单片机来控制系统，运用滤波电路去除工频干扰。可见，滤波器是本次设计的核心部分。
1.2.1 滤波器的发展历程
滤波器是一种能对频率进行选择的电路, 它可以让有用的频率信号通过 ，同时让无用的频率信号大大衰减，从而对信号进行处理。
以下是滤波器的发展历程。
表1.1 滤波器的发展
时间
种类
二十世纪二十年代
LC滤波器
二十世纪五十年代
无源滤波器
二十世纪六十年代
数字滤波器
二十世纪七十年代
有源滤波器
二十世纪八十年代
开关电容滤波器（SCF）
二十世纪九十年代至今
各种新型滤波器
我国对比一些发达国家使用滤波器时间较晚，在二十世纪五十年代以后才能够广泛使用，而且当时只能在话路滤波以及报路滤波中使用滤波器。随着近几十年的不断发展，我国滤波器的研制已经能跟上国际发展趋势。然而从整体方面来说，我国在有源滤波器的发展比无源滤波器的缓慢，还不能对有源滤波器进行大量生产和应用。
据调查数据显示，LC滤波器、晶体滤波器和机械滤波器占了我国滤波器市场的很大比例，而其余各类滤波器占比例很小。随着电子工业的兴起与不断进步，要求滤波器的性能和功能也越来越严格。然而专门研制机构、集成工艺和材料工业的缺乏，导致我国滤波器生产跟不上研制的步伐。为缩短这个差距，电子工程和科技人员有着重大的使命。
1.2.2 滤波器的分类
根据滤波器所能处理信号的类型，可以将其分为模拟滤波器和数字滤波器；根据物理量的分类，可以将其分为频率选择、幅度选择、时间选择和信息选择等四类滤波器；按频率通带范围的类型，可以将其分为低通、高通、带通、带阻、全通等五类滤波器。滤波技术的发展与我们的生活密切相关，与高科技产品同步发展。小到日常用品中的电视，大到高科技中的飞机都离不开滤波器。所以说对滤波技术和滤波器的深入研究具有很重要的理论价值和实际意义。下面介绍模拟滤波器、数字滤波器和开关电容滤波器。
（1） 模拟滤波技术的几个发展阶段
无源滤波技术阶段
从20世纪20年代到60年代，无源滤波器是这个时期的主导者。其主要有电阻、电感和电容等无源元件组成。其主要应用于电话和收音机等通讯设备中。无源滤波器的结构非常简单而且使用方便，工作频率也非常高。但它的体积和重量大。而且当它工作在较低的频率时，所需电感比较大，并且电感的品质因数比较低，严重影响滤波效果和使用范围。为了减小滤波器的体积和成本，人们寻求其他电路来代替电感。
有源RC滤波技术阶段
20世纪70年代的研究发现，用有源电路来代替电感可以实现无源网络的频率特性。这种由电阻R、电容C和集成运放电路组成的滤波器称为RC有源滤波电路。首先由于电路中没有使用不用电感，所以其具有体积小
1 绪论 1
1. 1 课题的背景及意义 1
1.2 课题的技术发展状况 2
2 工频选频表的总体设计 4
2.1 系统的功能与要求 4
2.2 系统各部分设计方案的论证 5
2.3 系统的总体设计思路 7
2.4 系统的总体设计框图 8
3 工频选频表硬件设计 8
3.1 采样模块 8
3.2 量程自动转换模块 11
3.3 滤波电路模块 16
3.4 控制模块 20
3.5 人机接口模块 23
结 论 27
致 谢 28
参考文献 29
附录A 电路原理图 30
附录B 电路原理图 31
1 绪论
1. 1 课题的背景及意义
在平时日常生活中，工频及其谐波的干扰几乎无处不在。所以如何测量和滤除工频是一个很实际的问题。因此首先要对工频有一定的理解。我国动力电统一使用50Hz的交流电，工频是指其工作频率（即50Hz），而英美等国家的工频为60Hz。工频电磁波的波长没有方向性，而且任何金属都可能被穿透[1]。因此，无法将其隔离在固定空间，也使得人们必然受其干扰。工频产生的途径有很多种，如输电线路、变压器以及各种低频电子设备。但它主要来源于电力的传送、分配以及使用。随着社会经济地不断发展，各行各业对电力需求也不断地
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
。因此首先要对工频有一定的理解。我国动力电统一使用50Hz的交流电，工频是指其工作频率（即50Hz），而英美等国家的工频为60Hz。工频电磁波的波长没有方向性，而且任何金属都可能被穿透[1]。因此，无法将其隔离在固定空间，也使得人们必然受其干扰。工频产生的途径有很多种，如输电线路、变压器以及各种低频电子设备。但它主要来源于电力的传送、分配以及使用。随着社会经济地不断发展，各行各业对电力需求也不断地增加，所以我国输电线路的等级也在不断地提高。我国超高压输变电线不断地增长和设备不断地增加，在其经过的区域及附近产生工频电场和工频磁场也就越来越多[2]。由此可知，工频对环境的影响及人群健康日益受到广泛的关注。
工频的危害首先体现在对环境的影响，主要表现在：
（1） 对电视机和收音机信号的接收产生影响，从而导致居民无法正常收看与收听节目[3]。
（2） 电晕放电会引起电能的损耗，而且对居民正常生活产生一定影响。
（3） 当工频干扰距离较近时，对CRT显示器有影响，电脑无法正常显示。
（4） 当通讯线靠近或跨越高压输电线路时，会对通讯或广播产生干扰。
另一方面，工频还会对人体健康造成影响，主要体现在：
（1） 工频主要以电场辐射形式作用在人身上，如果一个人过多的受到电磁辐射，身体就会受到损伤。
（2） 而如果当电磁辐射超过一定强度，那么人体便会产生负面效应，如头疼、记忆衰退、血压升高等症状[4]。
（3） 在电磁辐射超强度的环境下长期作业的工作人员，身体不仅会受到损伤，严重的甚至会引起部分人员白内障甚至致癌等症状。
可见，对工频的检测和滤除是一个应用广泛的实际问题。而课题的设计目的是通过单片机控制，然后运用LMF100芯片设计出一个具有工频选频功能的电路。该电路运用软硬件相结合，可以对输入信号频率进行选择，对电压和电流进行检测和测量，并且滤除工频干扰。
1.2 课题的技术发展状况
传统的测量仪器，不仅需要在测量前先对测量值得估算，而且在测量时还需要进行量程的转换。实际操作中，很容易将仪表弄坏而且操作复杂，不能满足大众的需求。而随着社会的不断发展和科技的不断进步，单片机的运用逐步走向各个领域[5]，我们可以通过单片机来控制系统，运用滤波电路去除工频干扰。可见，滤波器是本次设计的核心部分。
1.2.1 滤波器的发展历程
滤波器是一种能对频率进行选择的电路, 它可以让有用的频率信号通过 ，同时让无用的频率信号大大衰减，从而对信号进行处理。
以下是滤波器的发展历程。
表1.1 滤波器的发展
时间
种类
二十世纪二十年代
LC滤波器
二十世纪五十年代
无源滤波器
二十世纪六十年代
数字滤波器
二十世纪七十年代
有源滤波器
二十世纪八十年代
开关电容滤波器（SCF）
二十世纪九十年代至今
各种新型滤波器
我国对比一些发达国家使用滤波器时间较晚，在二十世纪五十年代以后才能够广泛使用，而且当时只能在话路滤波以及报路滤波中使用滤波器。随着近几十年的不断发展，我国滤波器的研制已经能跟上国际发展趋势。然而从整体方面来说，我国在有源滤波器的发展比无源滤波器的缓慢，还不能对有源滤波器进行大量生产和应用。
据调查数据显示，LC滤波器、晶体滤波器和机械滤波器占了我国滤波器市场的很大比例，而其余各类滤波器占比例很小。随着电子工业的兴起与不断进步，要求滤波器的性能和功能也越来越严格。然而专门研制机构、集成工艺和材料工业的缺乏，导致我国滤波器生产跟不上研制的步伐。为缩短这个差距，电子工程和科技人员有着重大的使命。
1.2.2 滤波器的分类
根据滤波器所能处理信号的类型，可以将其分为模拟滤波器和数字滤波器；根据物理量的分类，可以将其分为频率选择、幅度选择、时间选择和信息选择等四类滤波器；按频率通带范围的类型，可以将其分为低通、高通、带通、带阻、全通等五类滤波器。滤波技术的发展与我们的生活密切相关，与高科技产品同步发展。小到日常用品中的电视，大到高科技中的飞机都离不开滤波器。所以说对滤波技术和滤波器的深入研究具有很重要的理论价值和实际意义。下面介绍模拟滤波器、数字滤波器和开关电容滤波器。
（1） 模拟滤波技术的几个发展阶段
无源滤波技术阶段
从20世纪20年代到60年代，无源滤波器是这个时期的主导者。其主要有电阻、电感和电容等无源元件组成。其主要应用于电话和收音机等通讯设备中。无源滤波器的结构非常简单而且使用方便，工作频率也非常高。但它的体积和重量大。而且当它工作在较低的频率时，所需电感比较大，并且电感的品质因数比较低，严重影响滤波效果和使用范围。为了减小滤波器的体积和成本，人们寻求其他电路来代替电感。
有源RC滤波技术阶段
20世纪70年代的研究发现，用有源电路来代替电感可以实现无源网络的频率特性。这种由电阻R、电容C和集成运放电路组成的滤波器称为RC有源滤波电路。首先由于电路中没有使用不用电感，所以其具有体积小
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