本科畢業(yè)論文基于at89c51單片機的相位測量儀電路設計(完整版)

1、第1章 緒論相位測量儀是電力部門、工廠和礦山、石油化工、冶金系統(tǒng)進行二次回路檢查的理想的高精度儀表。尤其適用于電能計量、用電檢查、繼電保護、差動檢測、電力建設和變送電工程等。是電力系統(tǒng)各部門的必備儀器之一。1.1 課題研究背景在電子測量技術中，相位測量時最基本的測量手段之一，相位測量儀式電子領域的常用儀器。隨著相位測量技術廣泛應用于科學研究、實驗、生產(chǎn)實踐等各個領域，對相位測量技術的要求也向高精度高智能化方向發(fā)展，在低頻范圍內(nèi)，相位測量在電力、機械等部門具有非常重要的意義?；跀?shù)字式相位測量儀的高精度、高智能化、直觀化的特點，工業(yè)上常常用此進行低頻信號相位差的精確測量。同頻信號間相位差的測量在

2、電力系統(tǒng)、工業(yè)自動化、智能控制及通信、電子、地球物理勘探等許多領域都有著廣泛的應用。尤其在工業(yè)領域中，相位不僅是衡量安全的重要依據(jù)，還可以為節(jié)約能源提供參考。1.2 課題研究內(nèi)容相位差的測量原理主要有三種：過零檢測法基于對信號波形的變換比較；倍乘法基于對傅氏級數(shù)的運算；矢量法基于對三角函數(shù)的運算。過零點檢測法是一種將相位測量變?yōu)闀r間測量的方法。其原理是將基準信號的過零時刻與被測信號的過零時刻進行比較，由二者之間的時間間隔與被測信號周期的比值推算出兩信號之間的相位差這種方法的特點是電路簡單，且對啟動采樣電路要求不高，同時還具有測量分辨率高、線性好和易數(shù)字化等優(yōu)點倍乘法：任何一個周期函數(shù)都可以用傅

3、氏級數(shù)表示，即用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)構(gòu)成的無窮級數(shù)來表示，倍乘法測量相位差所用的運算器是一個乘法器，2個信號是頻率相同的正弦函數(shù)，相位差為，運算結(jié)果經(jīng)過一個積分電路，可以得到一個直流電壓，電路的輸出和被測信號相位差的余弦成比例，因此其測量范圍在45以內(nèi)，為使測量范圍擴展到360，需要附加一些電路才可以實現(xiàn)倍乘法由于應用了積分環(huán)節(jié)，可以濾掉信號波形中的高次諧波，有效抑制了諧波對測量準確度的影響矢量法：任何一個正弦函數(shù)都可以用矢量來表示，如各個正弦信號幅度相等、頻率相同，運算器運用減法器合成得到矢量的模矢量法用于測量小角度范圍時，靈敏度較好，可行度也較高；但在180附近靈敏度降低，讀數(shù)困難且不準確由

4、于系統(tǒng)輸出為一余弦或正弦函數(shù)，因此這種方法適用于較寬的頻帶范圍。上述3種測量相位的方法各有優(yōu)勢，從測量范圍、靈敏度、準確度、頻率特性和諧波的敏感性等技術指標來看，過零檢測法的輸出正比于相位差的脈沖數(shù)，且易于實現(xiàn)數(shù)字化和自動化，故本研究采用過零檢測法。本設計研究了一種可測20Hz-20kHz內(nèi)任意頻率數(shù)字式相位測量儀的設計方法。主要內(nèi)容是以AT89C51為控制核心，實現(xiàn)對音頻范圍內(nèi)的正弦交流信號的相位的測量，可測的信號相位差在0360度范圍內(nèi)，測量精度可達0.1度。兩路信號（同頻、不同相，一路為待測信號，另一路為參考信號）通過過零比較器電路整形成矩形波信號，再通過鑒相器，得到相位差信號。這樣就構(gòu)

5、成了相位測量系統(tǒng)的測量電路。再將該相位差信號送入單片機的外部中斷端口，通過單片機對數(shù)據(jù)的處理，最后方可得到所要測量的相位差，并在液晶上顯示出測量結(jié)果。第2章 方案論證本設計中，相位測量儀主要是對被測網(wǎng)絡的輸入、輸出信號的相位差進行測量。這樣的兩路待測信號為同頻不同相的正弦交流信號，頻率范圍為20Hz-20kHz，幅度為0V500V。相位差測量的基本原理為：對信號波形的變換、比較及相關數(shù)學運算。即對于被測信號是同頻不同相的兩路正弦交流信號，為了準確地測量出該相位差，需要對輸入信號的波形進行整形，本設計利用LM339組成整形電路，使輸入信號變成矩形波信號，再經(jīng)異或門組成的鑒相器電路，輸出即為相位差

6、信號，再結(jié)合單片機的數(shù)據(jù)處理功能，最后通過液晶即可顯示出該相位差。由于單片機的工作電壓在5V左右，所以在進行相位測量前，還需將被測信號進行分檔降壓處理。2.1 自動量程控制原理論證本設計中，待測信號是0V500V正弦交流信號，要想進行相位測量，則需先將該信號進行降壓處理。常見的交流降壓法有降壓變壓器降壓法、電容降壓法、電感降壓法、純電阻電路降壓法，考慮到本設計中的降壓過程不得引入新的相移，否則影響下一步的相位測量的精準度，此處選擇最后一種方法，即純電阻電路的降壓法，該電路實現(xiàn)起來直觀、簡易且誤差小。本設計中，將待測信號分成三個檔位：500V、50V、5V。結(jié)合繼電器的自動開關作用，即當待測信號

7、的滿足其中某一檔位的指標時，則相應的被控電路導通，從而自動量程控制電路轉(zhuǎn)入相位測量電路進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理等功能。2.2 相位測量原理論證由數(shù)學關系可知，時間差和相位差有如下關系： （2.1）由此可得： （2.2） 其中，是相位差對應的時間差，是信號周期。式2.2表明，相位差與時間差有著一一對應的關系，只要通過測量時間差及信號周期，就可以求得相位差，這就是相位差的基本測量原理。顯然，相位差的測量本質(zhì)上是時間的測量。而時間的測量方法有很多種，本設計結(jié)合51單片機的特點，采用過零點檢測法。其原理是將基準信號通過零的時刻與被測信號通過零的時刻進行比較，由二者之間的時間間隔推算出兩信號之間的相位差。這種方

8、法的特點是電路簡單，對啟動電路要求不高，同時該方法還具有測量分辨率高、線性好、易于數(shù)學化等優(yōu)點。將該相位差信號送入單片機的外部中斷接口，對該信號的脈沖寬度進行計數(shù)，從而得到對應于相位差的時間差和周期，再根據(jù)上述求解相位差的公式便可得到所求，并由液晶顯示最終測得的相位差。第3章 硬件設計本章主要闡述了系統(tǒng)各單元的硬件電路設計思想及具體硬件組成，本設計共包括以下模塊：單片機主控電路、顯示電路、穩(wěn)壓電路、自動量程控制電路、AD轉(zhuǎn)換電路、繼電器驅(qū)動電路、超限報警電路及相位測量電路共8個部分。系統(tǒng)總體框圖如圖3.1所示。單片機主控電路輸入信號被測網(wǎng)絡時差測量電路穩(wěn)壓電路顯示電路圖3.1 系統(tǒng)總體框圖3.

9、1 主控電路設計這部分是由單片機、晶振電路、復位電路組成。本設計中充分利用了單片機較強的運算能力和控制能力這一特點，使用單片機外部中斷INT0、INT1接收外部送來的相位差信號，并在單片機內(nèi)部完成相應的處理及相關運算。圖3.2為AT89C51主控電路圖。圖3.2 主控電路圖AT89C51單片機本設計中采用的核心控制器是AT89C51，它是美國ATMEL公司生產(chǎn)的一款低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4K字節(jié)FLASH可反復擦寫的只讀程序存儲器(EPROM)和128 字節(jié)的隨機數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出

10、管腳相兼容，片內(nèi)內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元，功能強大的AT89C51單片機可提供高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。因此，在這里我選用AT89C51單片機來完成。與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容4K字節(jié)可編程Flash存儲器1000次擦寫周期全靜態(tài)工作：0hz-24hz三級加密程序存儲器1288位內(nèi)部RAM32個可編程I/O口線2個16位定時/計數(shù)器5個中斷源可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠

11、用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須接上拉電阻。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P

12、2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如表1所示：表1

13、P3口第二功能表管腳功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時器0外部輸入）P3.5T1（記時器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩

14、器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR 8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1

15、時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。晶振電路的設計晶振是一種能把電能和機械能相互轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生穩(wěn)定、精確的共振頻率的元

16、件。它結(jié)合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率。單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率的基礎之上的。在通常工作條件下，普通晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十。AT89C5l 中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高量程反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見圖3.3。 圖3.3 晶振電路外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容C1、C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容C1、C2雖然沒有十分嚴格的要求，

17、但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，我們推薦電容使用30pF10pF，而如使用陶瓷諧振器建議選擇40pF10F。也可以采用外部時鐘，這種情況下，外部時鐘脈沖接到XTAL1端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。本設計采用前一種方法，選用33pF的電容和12MHz的石英晶體相配合，這樣可以提供準確而又穩(wěn)定的us級定時時鐘。單片機在啟動時都需要復位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。89系列單片機的復位信號是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，

18、如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響應并將系統(tǒng)復位。單片機系統(tǒng)的復位方式有：手動按鈕復位和上電復位。1、手動按鈕復位手動按鈕復位需要人為在復位輸入端RST上加入高電平。一般采用的辦法是在RST端和正電源Vcc之間接一個按鈕。當人為按下按鈕時，則Vcc的+5V電平就會直接加到RST端。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒，所以完全能夠滿足復位的時間要求。2、上電復位AT89C51的上電復位，只要在RST復位輸入引腳上接一電容至Vcc端，下接一個電阻到地即可。對于CMOS型單片機，由于在RST端內(nèi)部有一個下拉電阻，故可將外部電阻去掉，而將外

19、接電容減至1uF。上電復位的工作過程是在加電時，復位電路通過電容加給RST端一個短暫的高電平信號，此高電平信號隨著Vcc對電容的充電過程而逐漸回落，即RST端的高電平持續(xù)時間取決于電容的充電時間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復位，RST端的高電平信號必須維持足夠長的時間。上電時，Vcc的上升時間約為10ms，而振蕩器的起振時間取決于振蕩頻率，如晶振頻率為10MHz，起振時間為1ms；晶振頻率為1MHz，起振時間則為10ms。當Vcc掉電時，必然會使RST端電壓迅速下降到0V以下，但是，由于內(nèi)部電路的限制作用，這個負電壓將不會對器件產(chǎn)生損害。另外，在復位期間，端口引腳處于隨機狀態(tài)，復位后，系統(tǒng)將端口置

20、為全“l(fā)”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時得不到有效的復位，則程序計數(shù)器PC將得不到一個合適的初值，因此，CPU可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序。3、積分型上電復位常用的還有上電或開關復位電路，上電后，由于電容的充電和反相門的作用，使RST持續(xù)一段時間的高電平。當單片機已在運行當中時，按下復位鍵后松開，也能使RST為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電或開關復位的操作。本設計采用的是上電復位，如圖3.3所示，原理是上電時，C3充電，在10K電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機復位；幾個毫秒后，C3充滿，10K電阻上電流降為0，電壓也為0，使得單片機進入工作狀態(tài)。工作期間，按下S1，C3放電。S1松開，C3又充電，在

21、10K電阻上又出現(xiàn)電壓，使得單片機復位。幾個毫秒后，單片機又進入工作狀態(tài)。圖3.3 復位電路3.2 顯示電路的設計本設計采用由液晶LCD1602組成的顯示的電路。單片機將處理后的數(shù)據(jù)送到LCD1602中進行輸出顯示。顯示電路如圖3.4所示。圖3.4 液晶LCD1602顯示電路LCD1602液晶顯示屏以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。其各管腳功能如表3.4所示。表3.4 LCD1602管腳功能表編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地46RS、RW、E數(shù)據(jù)命令選擇2VDD電源正極714DE0DE7數(shù)據(jù)I/O3V0液晶顯示偏壓

22、信號1516BLA、BLK背光源正、負極由管腳功能表可知，VSS接地，VDD接5V電源正極，V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端（接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高）， 通過一個10K的電位器R3調(diào)整對比度。背光源根據(jù)其正負極分別與電源正負極相連接。單片機的P3.7P3.5口分別與LCD1602液晶顯示屏的RS、RW、E引腳相連接，來控制LCD的初始化及顯示模式。P1.0P1.7口分別與LCD1602液晶顯示屏的DE0DE7引腳相連接，來顯示所測量的數(shù)據(jù)。3.3 穩(wěn)壓電路的設計電路提供+5V的穩(wěn)定電源，主要用于單片機（AT89C51）及周邊外圍電路、液晶顯示、AD轉(zhuǎn)換、相位測量、超限報警等電路

23、。圖3.5 7805穩(wěn)壓電路圖3.5所示，電源電路采用集成穩(wěn)壓管LM7805進行穩(wěn)壓。電池提供的12V直流電壓通過LM7805可以輸出穩(wěn)定的5V電壓。電池提供的12V電壓可用于驅(qū)動繼電器的工作。LM7805是美國四家半導體公司的三端固定穩(wěn)壓集成電路，用于將輸入的電壓穩(wěn)壓集為5V后提供給有關電路，其應用十分廣泛，在視頻、音頻、計算機、游戲機等各種電器上均有應用。LM7805是最常用到的穩(wěn)壓芯片。他使用方便，用很簡單的電路就可以輸入一個直流穩(wěn)壓電源，它的輸出電壓恰好為5V，剛好是51系列單片機工作所需的電壓，它有很多的系列，如KA7805、ADS7805、CW7805等等，性能上有微小差別，用的最

24、多的還是LM7805,。LM7805有三個引腳，分別為Vin:輸入引腳，電壓為12V；Vout:輸出引腳，電壓為5V；GND:接地端。3.4 超限報警電路的設計蜂鳴器俗稱喇叭，是廣泛應用于各種電子產(chǎn)品的一種元器件，它用于提示、報警、音樂等許多應用場合。蜂鳴器與家用電器上面的喇叭在用法上也有相似之處，通常工作電流比較大，電路上的TTL電平基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，需要增加一個電流放大的電路才可以。本設計采用了一種很簡單的電路來實現(xiàn)蜂鳴器的聯(lián)結(jié)，而且增加了三極管來增加通過蜂鳴器的電流。如圖3.6所示，蜂鳴器的負極性的一端接地，正極性的一端接在PNP三極管的集電極上，三極管的基極由P2.7管腳來控制，當

25、待測信號不在規(guī)定的測量范圍時，P2.7腳為低電平，三極管導通，這樣蜂鳴器電路形成回路，發(fā)出警報聲；在沒有超限的情況下，該管腳為高電平，則三極管截止，蜂鳴器不響。圖3.6超限報警電路3.5 時差檢測電路的設計時差檢測電路主要包含以下幾個主要模塊：自動量程控制、繼電器驅(qū)動、AD轉(zhuǎn)換、相位測量四個部分。主要完成量程的自動選擇和相位差信號的獲得。以下將闡述各個部分的具體設計方法。本設計中，相位測量儀主要是對被測網(wǎng)絡的輸入、輸出信號的相位差進行測量。這樣的兩路待測信號為同頻不同相的正弦交流信號，幅度為0V500V，而單片機和相位測量電路的工作電壓是5V，因此在進行相位測量前必須做分檔降壓的處理。本設計中

26、選用純電阻電路的降壓法，這樣電路實現(xiàn)起來簡單可行，最重要的是不會引入新的相移。具體電路如圖3.7所示。圖3.7 自動量程控制電路從圖3.7可以看到，自動量程控制分為兩個支路，分別是被測網(wǎng)絡的輸入和輸出兩部分，被測網(wǎng)絡的輸出作為待測信號（上面一條支路），被測網(wǎng)絡的輸入作為參考信號（下面一條支路），每一路信號都將經(jīng)過三個檔位的選擇電路，從上至下分別為500V檔、50V檔、5V檔。選通開關這里用的是電磁式繼電器，選通原理是這樣的：當繼電器驅(qū)動電路檢測到對應的IO口為低電平時，則繼電器吸合，對應的檔位同時被選通。降壓電路里分壓電阻的取值因輸入信號的幅值的不同而不同，若設參考信號的幅值為2.5V，與接地

27、端直接相連的電阻取1k，待測信號的幅值為Vm，則有 （3.1）由此可知， （3.2）因此，當Vm分別為500V、50V、5V時，Rx對應的分別為199k、19k、1k。 電磁式繼電器一般用功率接口集成電路或晶體管驅(qū)動。在使用較多繼電器的系統(tǒng)中，可用功率接口集成電路驅(qū)動，例如SN75468等。一片SN75468可以驅(qū)動7個繼電器，驅(qū)動電流可達500mA，輸出端最大工作電壓為100V。本設計采用晶體管來驅(qū)動繼電器。如圖3.8所示。圖3.8 繼電器驅(qū)動電路繼電器的動作由單片機的P2.0、P2.1、P2.2口控制。當三者之一輸出低電平時，對應的繼電器J吸合，同時分檔電路里對應的繼電器也吸合，對應檔位導

28、通；若為高電平，繼電器J釋放。采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復位或單片機受控復位時不吸合。繼電器J由晶體管9013驅(qū)動，9013可以提供300mA的驅(qū)動電流，適用于繼電器線圈工作電流小于300mA的場合?；诠怆婑詈掀饔休^高的電流傳輸比，且最小值為50%。晶體管9013的電流放大倍數(shù)大于50。當繼電器線圈工作電流為300mA時，光耦需要輸出大于6.8mA的電流，其中9013基極對地的電阻分流0.8mA。輸入光耦的電流必須大于13.6mA，才能保證向繼電器提供300mA的電流。這里的二極管D的作用是保護晶體管9013。當繼電器J吸合時，二極管D截止，不影響電路工作。繼電器釋放時，由于繼電器線

29、圈存在電感，這時晶體管9013已經(jīng)截止，所以會在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應電壓。這個感應電壓的極性是上負下正，正端接在T的集電極上。當感應電壓與12V電源電壓之和大于晶體管的集電結(jié)的反向耐壓時，晶體管有可能損壞。加入二極管后，繼電器線圈產(chǎn)生的感應電流由二極管D流過，因此不會產(chǎn)生很高的感應電壓，晶體管便得到了保護。關于電磁繼電器：電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會

30、在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。如圖3.9所示，選通的待測信號輸入到AD0832的CH1端，但先要經(jīng)過整流二極管，將交流轉(zhuǎn)換為直流后方可輸入到AD0832中進行轉(zhuǎn)換和判斷。圖3.9 AD轉(zhuǎn)換電路判斷依據(jù)是：對于未知的輸入信號，首選的是將信號送入最大檔位進行測量。若經(jīng)過整流二極管轉(zhuǎn)換后的待測信號幅值Vm滿足1VVm2.5V，表示該檔是合理的檔位，可以將其送入相位

31、測量電路進行后續(xù)處理；若Vm2.5V，表示該信號超過了本設計規(guī)定的測量范圍，同時發(fā)出超限報警信號。ADC0832是NS(National Semiconductor)公司生產(chǎn)的具有MicrowirePlus串行接口的8位AD轉(zhuǎn)換器，通過三線接口與單片機連接，功耗低，性能價格比較高，芯片引腳少，適宜在袖珍式智能儀器中使用。主要特點有：8位分辨率，逐次逼近型，基準電壓為5V；輸入模擬信號電壓范圍為05V；輸入和輸出CMOS兼容；在250KHz時鐘頻率時，轉(zhuǎn)換時間為32us；具有兩個可供選擇的模擬輸入通道；功耗低，15mW。ADC0832有DIP和SOIC兩種封裝，本設計額中采用的是DIP封裝，如上

32、圖3.9所示。各引腳說明如下：CS為片選端，低電平有效。CH0，CHl為兩路模擬信號輸入端。DI為兩路模擬輸入選擇輸入端。D0為模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果串行輸出端。CLK為串行時鐘輸入端。VCCREF為正電源端和基準電壓輸入端。GND為電源地。配置位說明：ADC0832工作時，模擬通道的選擇及單端輸入和差分輸入的選擇，都取決于輸入時序的配置位。當差分輸入時，要分配輸入通道的極性，兩個輸人通道的任何一個通道都可作為正極或負極。ADC0832的配置位邏輯表如表1所列。表3.5 ADC0832配置位的說明輸入格式配置位選擇通道號CH0CHlCH0CHl差分LL+-LH-+單端HL+HH+表中“+”表示輸入通道的

33、端點為正極性；“-”表示輸入端點為負極性；H或L表示高、低電平。輸入配置位時，高位(CHO)在前，低位(CHl)在后。工作時序：當CS由高變低時，選中ADC0832。在時鐘的上升沿，DI端的數(shù)據(jù)移人ADC0832內(nèi)部的多路地址移位寄存器。在第一個時鐘期間，DI為高，表示啟動位，緊接著輸入兩位配置位。當輸入啟動位和配置位后，選通輸入電平與吼和模擬通道，轉(zhuǎn)換開始。轉(zhuǎn)換開始后，經(jīng)過一個時鐘周期延遲，以使選定的通道穩(wěn)定。ADC0832接著在第4個時鐘下降沿輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)輸出時先輸出最高位(D7DO)；輸出完轉(zhuǎn)換結(jié)果后，又以最低位開始重新輸出一遍數(shù)據(jù)(D7DO)，兩次發(fā)送的最低位共用。當片選CS為高

34、時，內(nèi)部所有寄存器清0，輸出變?yōu)楦咦钁B(tài)。如果要再進行一次模數(shù)轉(zhuǎn)換，片選CS必須再次從高向低跳變，后面再輸入啟動位和配置位。相位測量模塊主要包括整形電路的設計和鑒相器電路的設計。其中，整形電路采用的是過零比較法將待測信號變成矩形波信號，然后再送給鑒相器電路進行下一步的處理。而且，為了避免待測信號和參考信號在整形電路中產(chǎn)生附加相移或者發(fā)生相對相移，本設計對兩路信號采用了相同的整形電路，這樣即使發(fā)生相移，也能保證二者的相對相移為0。具體電路如圖3.10所示。其中，Ua、Ub分別是待測信號和參考信號；Uc、Ud分別是經(jīng)過過零比較整形后的兩路矩形波信號；Ue、Uf分別是經(jīng)過三極管轉(zhuǎn)換電路得到的只有0、1

35、電平的矩形波信號，用以作為JK觸發(fā)器的時鐘信號；Ug、Uh分別是經(jīng)JK觸發(fā)器后的二分頻信號，同時也是鑒相器的輸入信號；Ui、Uj分別是相位差信號及其取反后的信號。為了避免待測信號在過零點時含有干擾，這里用LM339組成如下圖所示的整形電路，還應注意的是，LM339的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值。所以要加上拉電阻才能保證有高電平輸出，本設計中采用的是10K的上拉電阻。圖3.10 相位測量電路LM3

36、39電壓比較器芯片內(nèi)部裝有四個獨立的電壓比較器，圖3.11是很常見LM339引腳圖的集成電路圖。利用lm339可以方便的組成各種電壓比較器電路和振蕩器電路。該電壓比較器的特點是：1）失調(diào)電壓小，典型值為2mV；2）電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為1V18V；3）對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0（Ucc-1.5V）Vo；5）差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；6）輸出端電位可靈活方便地選用。LM339集成塊采用C-14型封裝。由于LM339使用靈活，應用廣泛，所以世界上各大IC生產(chǎn)廠、公司竟相推出自己的四比較器，如IR2339、ANI339、SF339等

37、，它們的參數(shù)基本一致，可互換使用。圖3.11 LM339管腳圖LM339類似于增益不可調(diào)的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號檢

38、測等場合是比較理想的。LM339可構(gòu)成 單限比較器、 遲滯比較器 、雙限比較器（窗口比較器） 、振蕩器等；還可以組成高壓數(shù)字邏輯門電路，并可直接與TTL、CMOS電路接口。相位測量電路中用到兩個JK觸發(fā)器，二者工作原理一樣，這里以前者為例來加以闡述：JK觸發(fā)器的J端、K端及電源端均接到+5V上，清零端通過C9接地，當接通電源瞬間，清除端通過C9處于低電平，使Q端置為低電平；C9逐漸充電完畢，這時清零端通過R30處于高電平。當CLK端接收到觸發(fā)脈沖時，Q端有低電平變?yōu)楦唠娖剑划斚乱粋€脈沖到來，Q端又由高電平變?yōu)榈碗娖剑绱瞬粩喾磸汀?4LS113為雙下降沿J-K觸發(fā)器，有預置位端。其管腳圖如圖3

39、.12所示。圖3.12 74LS113管腳圖引腳介紹：/CP1、/CP2 時鐘輸入端（下降沿有效）J1、J2、K1、K2 數(shù)據(jù)輸入端Q1、Q2、/Q1、/Q2 輸出端/SD1、/SD2 直接置位端（低電平有效）功能表如表3.6所示：表3.6 74LS113功能表（說明：H高電平，L低電平，X任意，高到低電平跳變）鑒相器就是異或門電路，在鑒相器的輸入波形Ug、Uh中，正脈沖寬度就是Ug和Uh相位差所對應的時間差，由此可見，鑒相器在相位測量電路中起到了測量時間差的重要作用。如圖3.13所示。圖3.13 鑒相器輸入輸出波形圖由圖可知，鑒相器的輸出信號是兩輸入信號的二倍頻信號，而該輸入信號是經(jīng)過JK觸

40、發(fā)器的二分頻信號，由此可知，該相位差信號和待測信號是同頻的。第4章 軟件設計在目前的單片機軟件開發(fā)中，常用的語言是匯編語言和C語言兩種。匯編語言是一種文字用助記符來表示機器指令的符號語言，其優(yōu)點是程序占用資源少、運行速度快、執(zhí)行效率高，但具有缺乏通用性、程序可移植性差、編程比高級語言困難等缺點。C語言是是一種結(jié)構(gòu)化程序設計語言，可產(chǎn)生緊湊代碼。C語言作為一種非常方便的語言而得到廣泛的支持，C語言程序本身并不依賴于機器硬件系統(tǒng)，基本上不做修改就可以根據(jù)單片機的不同較快的移植過來。鑒于C語言編程有眾多優(yōu)點，在本設計中，采用的是C語言編寫程序。4.1 C語言的簡介語言特點C是高級語言。它把高級語言的

41、基本結(jié)構(gòu)和語句與低級語言的實用性結(jié)合起來。C 語言可以像匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進行操作， 而這三者是計算機最基本的工作單元。 C是結(jié)構(gòu)式語言。結(jié)構(gòu)式語言的顯著特點是代碼及數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護以及調(diào)試。C 語言是以函數(shù)形式提供給用戶的，這些函數(shù)可方便的調(diào)用，并具有多種循環(huán)、條件語句控制程序流向，從而使程序完全結(jié)構(gòu)化。C語言功能齊全。具有各種各樣的數(shù)據(jù)類型，并引入指針概念，可使程序效率更高。另外C語言也具有強大的圖形功能，支持多種顯示器和驅(qū)動器。而且計算功能、邏輯判斷功能也比較強大，可以實現(xiàn)決策目的的游戲。

42、 C語言對編寫需要硬件進行操作的場合，明顯優(yōu)于其它解釋型高級語言，有一些大型應用軟件也是用C語言編寫的。 語言的優(yōu)勢C語言是一種結(jié)構(gòu)化的高級語言。其優(yōu)點是可讀性好，移植容易，是普遍使用的一種計算機語言。C語言是一種編譯型程序設計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。C語言有功能豐富的庫函數(shù)、運算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。C語言是一種結(jié)構(gòu)化程序設計語言，它支持當前程序設計中廣泛采用的由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設計技術。此外，C語言程序具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)，從而為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設計方法提供了有力的保障。因此，使用C語言進行程序設計

43、已成為軟件開發(fā)的一個主流。用C語言來編寫目標系統(tǒng)軟件，會大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進和擴充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。4.2系統(tǒng)軟件設計思想本系統(tǒng)對核心測量電路相位測量部分進行了詳細的軟件設計。該軟件設計主要包括主程序的設計、中斷服務子程序的設計、液晶顯示程序的設計。首先要對相位差的測量過程有個基本的了解，經(jīng)分檔降壓后的待測信號輸入相位測量電路，經(jīng)過整形、鑒相一系列處理后，最終得到了相位差信號，將該相位差信號送入P3.2口（INT0），再將取反后的相位差信號送入P3.3口（INT1）。通過軟件計數(shù)的方法對相位差信號的高電平和低電平分別計數(shù)10個，同時開啟定時

44、器，記錄相應的時間。具體算法如下：設相位差信號高電平的時間為t1，低電平的時間為t2，則相位差t為 （4.1） 其中，相位差信號高電平的時間為t1，通過INT1測得，因為INT1管腳接入的是相位差取反后的信號，而取反信號低電平的時間就是原信號高電平的時間，當外部中斷INT1的中斷服務子程序啟動時，軟件計數(shù)也同時開始了，定時器T0開始定時，沒來一次下降沿，軟件計數(shù)自動加1，知道計數(shù)值為10，關閉定時器T0，并記錄此時所用時間，改時間相當于10倍的t1；同理，相位差低電平的時間為t2，通過INT0測得，相位差信號直接送了INT0口，所以記錄INT0低電平的時間即為t2，當外部中斷INT0的中斷服務

45、子程序啟動時，同樣軟件計數(shù)的方法，并結(jié)合定時器T1定時，最后可求得相當于10倍t2的時間。再根據(jù)式4.1方可得到所測相位差，并通過液晶顯示出來。若有不清楚之處，可參見下圖幫助理解。是否初始化開始t1和t2是否非零顯示當前相位差寫入以下字符串：“”圖4.1 主程序流程圖本設計用到了兩個外部中斷，二者原理相同，故此處不再贅述，以INT1中斷服務子程序為例，有一下流程圖，如圖4.2所示。外部中斷INT1入口開啟定時器T0軟件計數(shù)值a是否為0定時器T0初始化計數(shù)值a自加a是否計數(shù)到10關閉定時器T0，a重新從0開始計數(shù)記錄此時定時器的時間值返回是是否否圖4.2 INT1中斷服務子程序4.3 Keil3

46、的使用本設計的軟件設計是在Keil3中完成的，下面就來介紹一下他的使用步驟。打開Keil Vision3，在菜單欄中選擇“Project”“New Project”，彈出“Create New Project”對話窗口，選擇目標路徑，在“文件名”欄中輸入項目名后，如圖4.2所示。圖4.2 “CreateNewProject”對話窗口單擊“保存(S)”按鈕，彈出“Select Device for Target”對話窗口。在此對話窗口的“Database”欄中，單擊“Atmel”前面的“+”號，或者直接雙擊“Atmel”，在其子類中選擇“AT89C51，確定CPU類型，如圖4.3所示。圖4.3

47、選擇CPU在Keil Vision3的菜單欄中選擇“File”一“New”命令，新建文檔，然后在菜單欄中選擇“File”一“Save”命令，保存此文檔，這時會彈出“Save As”對話窗口，在“文件名(N)”一欄中，為此文本命名，注意要填寫擴展名“.c”，如圖4.4所示。圖4.4 保存文件單擊“保存(S)”按鈕，這樣在編寫C語言時，Keil會自動識別該語言的關鍵字，并以不同的顏色顯示，以減少在輸入代碼時出現(xiàn)的語法錯誤。程序編寫完后，再次保存。在Keil中“Project Workspace”子窗口中，單擊“Targetl”前的“+”號，展開此目錄。在“Source Group1”文件夾上單擊鼠

48、標右鍵，在右鍵菜單中選擇“Add File to GroupGroupSourcel”，彈出“Add File to Group”對話窗口，在此對話窗口的“文件類型”欄中，選擇“C Source File（*.c）”，并找到剛才編寫的“.c”文件，雙擊此文件，將其添加到Source Group中，此時的“Project Workspace”子窗口如圖4.5所示。圖4.5 “Project Workspace”子窗口在“Project Workspace”窗口中的“Target 1文件夾上單擊鼠標右鍵，在彈出的右鍵菜單中選擇“Option for Target”選項，這時會彈出“Options

49、for Target”對話窗口，在本設計中，根據(jù)實際需要，需要將時鐘頻率變?yōu)?2.0MHz并生成HEX文件。在此對話窗口中選擇“Output”選項卡，選中“Create HEX File”選項，如圖4.6所示。圖4.6 “Options for Target”對話窗口在Keil的菜單欄中選擇“Project”一“Build Target”命令，編譯源文件。如果編凋成功，則在Keil的“Output Window”子窗口中會顯示如圖4.7所示的信息；如果編譯不成功，雙擊“Output Window”窗口中的錯誤信息，則會在編輯窗口中指示錯誤的語句。圖4.7 編譯源文件程序調(diào)試完畢后，再次在菜單欄

50、中選擇“Debug”“Start/Stop Debug Session”選項，退出調(diào)試環(huán)境。第5章 實驗調(diào)試本章主要介紹了本設計的仿真調(diào)試環(huán)境以及調(diào)試結(jié)果、誤差來源等相關問題。5.1 Proteus中仿真圖的繪制與調(diào)試打開Proteus ISIS編輯環(huán)境，如圖5.1所示。添加器件AT89C51，注意在Proteus中添加的CPU一定要與Keil中選擇的CPU相同，否則無法執(zhí)行Keil生成的hex文件。其工作界面分為原理圖編輯窗口（Editing window）、預覽窗口（Overview window）和工具欄。圖5.1 Proteus ISIS 編輯環(huán)境打開繪圖界面后，首先新建一個繪圖文件，

51、選擇“File”“New Design”，并保存成.dsn型文件。b.繪制仿真原理圖（1）添加元器件：元件拾取共有兩種辦法，一種是按類別查找和拾取元件，另一種是直接查找和拾取元件。我采用的是前一種方法，元件通常以其英文名稱或器件代號在庫中存放。我們在取一個元件時，首先要清楚它屬于哪一大類，然后還要知道它歸屬哪一子類，這樣就縮小了查找范圍，然后在子類所列出的元件中逐個查找，根據(jù)顯示的元件符號、參數(shù)來判斷是否找到了所需要的元件。雙擊找到的元件名，該元件便拾取到編輯界面中了。右側(cè)列表中自上而下分別為元件圖形和元件封裝。具體如圖5.2所示。圖5.2 分類拾取元件示意圖（2）元件的放置在原理圖編輯區(qū)的藍

52、色方框內(nèi)，單擊鼠標左鍵即完成元件的釋放。如圖5.3所示。圖5.3 元件的放置示意圖（3）電路連線PROTEUS的連線是非常智能的，它會判斷你下一步的操作是否想連線從而自動連線，而不需要選擇連線的操作，只需用鼠標左鍵單擊編輯區(qū)元件的一個端點拖動到要連接的另外一個元件的端點，先松開左鍵后再單擊鼠標左鍵，即完成一根連線。如果要刪除一根連線，右鍵雙擊連線即可。完成連線后即可得到圖5.4所示的仿真原理圖。圖5.4 連線后的完整原理圖（4）導入.HEX文件選中AT89C51并單擊鼠標左鍵，打開“Edit Component”對話窗口，在此窗口中的“Program File”欄中，選擇先前用Keil生成的H

53、EX文件，如圖5.5所示。圖5.5 “Edit Component”對話窗口在Proteus ISIS的菜單欄中選擇“File”“Save Design”命令，保存設計。在保存設計文件時，最好將與一個設計相關的文件(如Keil項目文件、源程序、Proteus設計文件)都存放在一個目錄下，以便查找。單擊Proteus ISIS界面左下角的按鈕，進入程序調(diào)試狀態(tài)。當兩路信號的相位差在0360范圍內(nèi)改變時，對于20Hz，100 Hz，1kHz，10kHz的信號來說，相位差會是怎么變化呢？下面由表5.1來進行詳細說明。表5.1 相位差測量數(shù)據(jù)表差位相相位差頻率55012935920 Hz5.050.0

54、129.0359.0100 Hz5.050.0129.0359.01 kHz4.949.7129.3358.910 kHz4.249.2128.4359.35.2誤差分析本設計中，相位測量部分采用了軟件計數(shù)的方法，而且是沿觸發(fā)狀態(tài)，對相位差脈沖進行計數(shù)（每來一個上升沿，計數(shù)值加1），因此其誤差來自所計脈沖數(shù)，此誤差最大，為一個脈沖，因此，最大誤差為 （5.1）其中，為待測信號的頻率?？梢?，測高頻時誤差較小，而測低頻時誤差相對較大。除了軟件上帶來的誤差外，實際電路方面也會因相互間的干擾帶來誤差。但這些誤差都可以保證在本設計允許的誤差范圍之內(nèi)。第6章 結(jié)語經(jīng)過測試，可以看到系統(tǒng)能夠正常工作，測量結(jié)

55、果都能保證在允許的誤差范圍之內(nèi)，本設計基本實現(xiàn)了預期目標，通過軟硬件的完美結(jié)合，克服了以往只能測量某一頻率信號相位的局限。整個電路用到的芯片和元器件均為平時常用的電路中的，其價格比較便宜，市面上也很容易購買到，總體性能符合任務要求，界面美觀友好，操作簡單方便。因此，本次電路設計的性價比相對較高。當然系統(tǒng)中還存在很多的不足，與目前市場上普遍使用的三相伏安相位儀相比還有很大的差距，還有許多需要改進的地方。本系統(tǒng)僅設計了幾個核心模塊供使用，但是在未來隨著個人能力的不斷完善和發(fā)展，還可以開發(fā)更多的功能模塊來滿足其需求。電子技術的飛速發(fā)展帶動了很多行業(yè)的發(fā)展，它帶給人們最直觀的價值就是減少了人力物力的投資，到處都是數(shù)字化的影子，這也提高了人們的工作質(zhì)量和工作效率，從而提高了整個社會的生產(chǎn)力。致 謝四季更替，當大學生活的第四個夏天來到時，我的大學生