【正文】 較整形后的兩路矩形波信號(hào)； Ue、 Uf 分別是經(jīng)過(guò)三極管轉(zhuǎn)換電路得到的只有 0、 1 電平的矩形波信號(hào)，用以作為 JK 觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)； Ug、 Uh 分別是經(jīng) JK 觸發(fā)器后的二分頻信號(hào)，同時(shí)也是鑒相器的輸入信號(hào)； Ui、 Uj分別是相位差信號(hào)及其取反后的信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)分別接入單片機(jī)的 和 口 。 相位差測(cè)量模塊 相位測(cè)量模塊主要包括整形電路的設(shè)計(jì)和鑒相器電路的設(shè)計(jì)。 STC12C5A60S2 系列 1T 單片機(jī)特點(diǎn)如下： 1. 增強(qiáng)型 8051 CPU,1T,單時(shí)鐘 / 機(jī)器周期 2 . 工作電壓 :有 3 . 3 V 和 2 . 2 V 兩種電壓的單片機(jī)可以選擇，可以最大的適應(yīng)你所需要的設(shè)計(jì)需求 3. 工作頻率范圍 :0 35MHz 4. 用戶(hù)應(yīng)用程序空間 選擇多 5. 片上集成 1280 字節(jié) RAM 6. 通用 I/O 口 (36/40/44 個(gè) ) 8. 有 EEPROM 功能 9. 看門(mén)狗 10. 內(nèi)部集成 MAX810 專(zhuān) 用復(fù)位電路 11. 外部掉電檢測(cè)電路 12. 時(shí)鐘源 :外部高精度晶體 或者 內(nèi)部 R/C 振蕩器 13. 共 4 個(gè) 16 位定時(shí)器 ,16 位定時(shí)器 T0 和 T1 引腳信號(hào)介紹： ～ ： P0 口 8 位雙向口線(xiàn) ～ ： P1 口 8 位雙向口線(xiàn) ～ ： P2 口 8 位雙向口線(xiàn) ～ ： P3 口 8 位雙向口線(xiàn) P1 口的第二功能如表 31： 表 P1 口第二功能表 引腳號(hào) 第二功能 T2（定時(shí)器∕計(jì)數(shù)器 T2的外部記數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出 T2EX(定時(shí)器 ) MOSI(在系統(tǒng)編程用 ) MISO(在系統(tǒng)編程用 ) MCK(在系統(tǒng)編程用 ) 6 P3 口的第二功能如表 32: 表 P3 口第二功能表 引腳號(hào) 第二功能 RXD（串行輸入） TXD（串行輸出） INT0（外部中斷 0） INT0 外部中斷 0） T0（定時(shí)器 0 外部輸入） T1（定時(shí)器 1 外部輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） 單片機(jī)電路如圖 3所示 ： 圖 3 單片機(jī)最小系統(tǒng) 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì) 7 圖 4 7805 穩(wěn)壓電路 圖 4 所示，電源電路采用集成穩(wěn)壓管 LM7805 進(jìn)行穩(wěn)壓。 式 表明，相位差 ? 與時(shí)間差 ?T 有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，只要通過(guò)測(cè)量時(shí)間差 ?T 及信號(hào)周 期 T ，就可以求得相位差 ? 。 3 相位測(cè)量方案選擇和論證 方案一： 過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法： 原理是將基準(zhǔn) 信號(hào)的過(guò)零時(shí)刻與被測(cè)信號(hào)的過(guò)零時(shí)刻進(jìn)行比較 ，由二者之間的時(shí)間間隔與被測(cè)信號(hào)周期的比值推算出兩信號(hào)之間的相位差。 方案二： 點(diǎn)陣顯示。 方案一成本比較低 ， 適合做設(shè)計(jì)，方案二運(yùn)算速度高，性能好，所以?xún)煞N方案都有可取之處。 方案論證 控制部分的方案選擇和論證 方案一： 采用傳統(tǒng)的 8 位單片機(jī)，例如 STC12C5A60S2 作為控制核心。單片機(jī)和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)缺少了外圍設(shè)備等。相位差的測(cè)量是研究網(wǎng)絡(luò)相頻特性中不可缺少的重要方面 。 相位測(cè)量?jī)x是 適用于電能計(jì)量、用電檢查、繼電保護(hù)、差動(dòng)檢測(cè)、電力建設(shè)和變送電工程等 的 一種高精度儀器儀表。隨著相位測(cè)量技術(shù)廣泛 應(yīng)用于科學(xué)研究、實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)實(shí)踐等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)相位測(cè)量技術(shù)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(cè)量在電力、機(jī)械等部門(mén)具有非常重要的意義。系統(tǒng)采用液晶 1602顯示被測(cè)信號(hào)的頻率、相位差。 基于單片機(jī)的相位測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)制作 摘 要 本次設(shè)計(jì) 提出了一種基于 8051 單片機(jī)開(kāi)發(fā)的相位差測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)， 系統(tǒng)以單片機(jī)8051 及計(jì)數(shù)器 為核心 , 構(gòu)成完備的測(cè)量系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 , 程序簡(jiǎn)單可讀寫(xiě)性強(qiáng) ,軟件采用 C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。基于數(shù)字式相位測(cè)量?jī)x的高精度、高智能化、直觀(guān)化的特點(diǎn)，工業(yè)上常常用此進(jìn)行低頻信號(hào)相位差的精確測(cè)量。 相位測(cè)量?jī)x 是電力系統(tǒng)各部門(mén)的必備儀器之一。 近年來(lái)隨著電子技術(shù)的發(fā)展，儀器儀表也得到了充足的發(fā)展。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。 該 單片機(jī)是目前最流行以及開(kāi)發(fā)平臺(tái)最低的一種嵌入式控制芯片，目前已經(jīng)廣泛運(yùn)用于市場(chǎng)上，高校的教學(xué)也有講這方面的知識(shí)。但是方案一做設(shè)計(jì)容易上手，方案比較通用，而且貨源充足，有利于生產(chǎn)。用點(diǎn)陣顯示美觀(guān)，但是分辨率不高，而且需要的功率比較大，單個(gè) LED出現(xiàn)問(wèn)題后會(huì)對(duì)整個(gè)點(diǎn)陣的顯示產(chǎn)生影響。 方案二： 倍乘法：用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)構(gòu)成的無(wú)窮級(jí)數(shù)來(lái)表示， 然后再通過(guò)運(yùn)算得出相位差。 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)共包括以下模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)主控電路、顯示電路 和相位測(cè)量等電路 。電池提供的 12V 直流電壓通過(guò) LM7805 可以輸出穩(wěn)定的 5V電壓。待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)在進(jìn)入相位差測(cè)量電路 之前先經(jīng)過(guò)一個(gè)整流二極管，使交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)。 這里用 LM339 組成如下圖所示的整形電路 。該電壓比較器的特點(diǎn)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 236V，雙電源電壓為177。 圖 6 LM339 管腳圖 JK觸發(fā)器工作原理的簡(jiǎn)要介紹 相位測(cè)量電路中用到兩個(gè) JK 觸發(fā)器， JK 觸發(fā)器的 J 端、 K 端及電源端均接到 +5V上，清零端通過(guò) C9 接地，當(dāng)接通電源瞬間，清除端通過(guò) C9處于低電平，使 Q端置為低 9 電平； C9 逐漸充電完畢，這時(shí)清零端通過(guò) R30 處于高電平。 圖 7 74LS113管腳圖 引腳介紹： /CP /CP2 時(shí)鐘輸入端（下降沿有效） J J K K2 數(shù)據(jù)輸入端 Q Q /Q /Q2 輸出端 /SD /SD2 直接置位端（低電平有效） 功能表如表 所示： 表 74LS113 功能表 （說(shuō)明： H— 高電平， L— 低電平， X— 任意， ? — 高到低電平跳變） 鑒相器電路的設(shè)計(jì) 鑒相器就是異或門(mén)電路， 輸入波形 Ug、 Uh 中，正脈沖寬度就是 Ug 和 Uh 相位差所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差 。 第 3 腳： VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端 第 4 腳： RS為寄存器選擇 第 5 腳 ： R/W為讀寫(xiě)信號(hào)線(xiàn) 第 6 腳： E端為使能端 第 7～ 14 腳： D0～ D7 數(shù)據(jù)線(xiàn)。由于 C語(yǔ)言通俗易懂，移植性好， 13 所以本次設(shè)計(jì)使用 C語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)程序。具體算法如下： 設(shè)相位差信號(hào)高電平的時(shí)間為 t1，低電平的時(shí)間為 t2，則相位差 t為 36021 1 ??? tt tt （ ） 其中，相位差信號(hào)高電平的時(shí)間為 t1，通過(guò) INT1 測(cè)得，因?yàn)?INT1 管腳接入的是相位差取反后的信號(hào)，而取反信號(hào)低電平的時(shí)間就是原信號(hào)高電平的時(shí)間，當(dāng)外部中斷INT1 的中斷服務(wù)子程序啟動(dòng)時(shí)，軟件計(jì)數(shù)也同時(shí)開(kāi)始了，定時(shí)器 T0開(kāi)始定時(shí)，沒(méi)來(lái)一次下降沿，軟件計(jì)數(shù)自動(dòng)加 1，知道計(jì)數(shù)值為 10，關(guān)閉定時(shí)器 T0，并記錄此時(shí)所用時(shí)間，改時(shí)間相當(dāng)于 10 倍的 t1；同理，相位差低電平的時(shí)間為 t2，通過(guò) INT0 測(cè)得，相位差信號(hào)直接送了 INT0 口，所以記錄 INT0 低電平的時(shí)間即為 t2，當(dāng)外部中斷 INT0 的中斷服務(wù)子程序啟動(dòng)時(shí)，同樣軟件計(jì) 數(shù)的方法，并結(jié)合定時(shí)器 T1 定時(shí)，最后可求得相當(dāng)于10倍 t2 的時(shí)間。在后面的調(diào)試中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，許多的硬件故障時(shí)在調(diào)試軟件的時(shí)候才慢慢的發(fā)現(xiàn)的，如果我們先排除掉系統(tǒng)中一些較為明確的硬 件故障，然后再對(duì)其進(jìn)行然間測(cè)試，這樣就可以調(diào)高測(cè)試的效率，減少測(cè)試的時(shí)間，使測(cè)試的可靠性更加好。 （ 2）器件調(diào)試 元器件在使用的 過(guò)程中也可能會(huì)失效，其中原因可能是本身元器件壞掉了或者是由于組裝元器件的時(shí)候元器件失效了。電源的故障包括下面幾個(gè)方面，有時(shí)候因?yàn)殡妷褐挡环显O(shè)定的要求，有時(shí)候是電源的插座和引線(xiàn)借口不對(duì)，電源的功率不 足，負(fù)載能力很差。 軟件調(diào)試 在本系統(tǒng)中，硬件電路 采用 了 集成芯片設(shè) 計(jì)。 （ 1）按鍵部分軟件調(diào)試 觀(guān)察按鍵按下之后顯示界面是否按照理論設(shè)計(jì)變化，發(fā)現(xiàn) 只 在按下 一次按 鍵之后，液晶上的字符會(huì)移動(dòng)很多位， 這說(shuō)明硬件有抖動(dòng)。例如：若定時(shí) /計(jì)數(shù)器的初始化出錯(cuò)，則時(shí)鐘將不能工作；若顯示程序出錯(cuò)，則將不能正確顯示時(shí)鐘單元內(nèi)容；若定時(shí) /計(jì)數(shù)器中斷服務(wù)子程序出錯(cuò)，則其顯示數(shù)據(jù)的變化規(guī)律將不正常。 Proteus 中仿真圖的繪制與調(diào)試 仿真圖的繪制 打開(kāi) Proteus ISIS 編輯環(huán)境，如圖 12 所示。 （ 1）添加元器件：元件拾取共有兩種辦法，一