【正文】 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) 14 換、相位測量四個部分。 超限報警電路 的設(shè)計 蜂鳴器俗稱喇叭，是廣泛應(yīng)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(yīng)用場合。 LM7805 是美國四家半導(dǎo)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(guān)電路，其應(yīng)用十分廣泛，在視頻、音頻、計算機(jī)、游戲機(jī)等 13 各種電器上均有應(yīng)用。 穩(wěn)壓電路的設(shè)計 電路提供 +5V 的穩(wěn)定電源，主要用于單片機(jī)（ 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。 12 表 LCD1602 管腳功能表 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 4~6 RS、 RW、 E 數(shù)據(jù)命令選擇 2 VDD 電源正極 7~14 DE0~DE7 數(shù)據(jù) I/O 3 V0 液晶顯示偏壓信號 15~16 BLA、 BLK 背光源正、負(fù)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。單片機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)送到LCD1602 中進(jìn)行輸出顯示。工作期間，按下 S1， C3 放電。如果系統(tǒng)在上電時得不到有效的復(fù)位，則程序計數(shù)器 PC 將得不 11 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。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位， RST 端的高電平信號必須維持足夠長的時間。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以完全能夠滿足復(fù)位的時間要求。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動按鈕復(fù)位和上電復(fù)位。本設(shè)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(zhǔn)確而又穩(wěn)定的 us 級定時時鐘。對外接電容 C C2 雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，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 10 使用石英晶體，我們推薦電容使用 30pF177。在通常工作條件下，普通晶振頻率絕對精度可達(dá)百萬分之五十。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。 振蕩器特性 ： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。注意加密方式 1 時， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR 8EH 地址上置 0。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如表 1 所示： 8 表 1 P3口第二功能表 管腳 功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /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。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 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。 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。 單片機(jī)主控電路 輸入信號 被測網(wǎng)絡(luò) 時差測量電路 穩(wěn)壓電路 顯示電路 6 圖 主控電路圖 AT89C51 單片機(jī) 本設(shè)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(jī)，片內(nèi)含 4K 字節(jié) FLASH 可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器 (EPROM)和 128 字節(jié)的隨機(jī)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(shù)生產(chǎn)， 與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容 ，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(qiáng)大的 AT89C51 單片機(jī)可提供高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。系統(tǒng)總體框圖如圖 所示。其原理是將基準(zhǔn)信號通過零的時刻與被測信 號通過零的時刻進(jìn)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。 相位測量原理論證 由數(shù)學(xué)關(guān)系可知，時間差和相位差有如下關(guān)系： ?? :360: TT ? （ ） 由此可得： 360)/( ?? TT?? （ ） 4 其中， ?T 是相位差 ? 對應(yīng)的時間差， T 是信號周期。 自動量程控制原理論證 本設(shè)計中，待測信號是 0V～ 500V 正弦交流信號，要想進(jìn)行相位測量，則需先將該信號進(jìn)行降壓處理。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 20Hz20kHz，幅度為 0V～ 500V。 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。附近靈敏度降低，讀數(shù)困難且不準(zhǔn)確．由于系統(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。 過零點檢測法是一種將相位測量變?yōu)闀r間測量的方法。 基于數(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(jìn)行低頻信號相位差的精確測量。尤其適用于電能計量、用電檢查、繼電保護(hù)、差動檢測、電力建設(shè)和變送電工程等。是電力系統(tǒng)各部門的必備儀器之一。 同頻信號間相位差的測量在電力系統(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(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。其原理是將基準(zhǔn)信號的過零 時刻與被測信號的過零時刻進(jìn)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(yùn)算器是一個乘法器， 2 個信號是頻 2 率相同的正弦函數(shù)，相位差為 ? ，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)過一個積分電路，可以得到一個直流電壓 ?coskV ? ，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 45176。 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(zhǔn)確度、頻率特性和諧波的敏感性等技術(shù)指標(biāo)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。這樣就構(gòu)成了相位測量系統(tǒng)的測量電路。相位差測量的基本原理為：對信號波形的變換、比較及相關(guān)數(shù)學(xué)運(yùn)算。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(shè)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(zhǔn)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。 式 表明，相位差 ? 與時間差 ?T 有著一一對應(yīng)的關(guān)系，只要通過測量時間差 ?T及信號周期 T ，就可以求得相位差 ? ，這就是相位差的基本測量原理。這種方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(xué)化等優(yōu)點。 圖 系統(tǒng)總體框圖 主控電路設(shè)計 這部分是由單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路組成。因此，在這里我選用 AT89C51單片機(jī)來完成。當(dāng) P0口的管腳第一次寫 1 時，被定義為 高阻 輸入。 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。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 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。 RST：復(fù)位輸入。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。在 FLASH 編程期間，此引腳也 用于施加 12V編程電源（ VPP）。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。 晶振電路的設(shè)計 晶振 是 一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化 ，產(chǎn)生 穩(wěn)定 、 精確 的共振頻率 的元件。 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。 10pF，而如使用陶瓷諧振器建議選擇 40pF177。 復(fù)位電路的設(shè)計 單片機(jī)在啟動時都需要復(fù)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。 手動按鈕復(fù)位 手動按鈕復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端 RST 上加入高電平。 上電復(fù)位 AT89C51 的上電復(fù)位，只要在 RST 復(fù)位輸入引腳上接一電容至 Vcc 端，下接一個電阻到地即可。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。 積分型上電復(fù)位 常用的還有上電或開關(guān)復(fù)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。 S1 松開， C3又充電，在 10K 電阻 上又出現(xiàn)電壓，使得單片機(jī)復(fù)位。顯示電路如圖 所示。背光源根據(jù)其正負(fù)極分別與電源正負(fù)極相連接。 圖 7805 穩(wěn)壓電路 圖 所示，電源電路采用集成穩(wěn)壓管 LM7805 進(jìn)行穩(wěn)壓。 LM7805 是最常用到的穩(wěn)壓芯片。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。主要完成量程的自動選擇和相位差信號的獲得。本設(shè)計中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。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(shè)參考信號的幅值為 ，與接地端直接相連的電阻取 1k，待測信號的幅值為 Vm，則有 * ?? kRx kVm （ ） 由此可知， kVmkRx *1 ?? （ ） 15 因此，當(dāng) Vm 分別為 500V、 50V、 5V時， Rx 對應(yīng)的分別為 199k、 19k、 1k。本設(shè)計采用晶體管來驅(qū)動繼電器。采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復(fù)位或單片機(jī)受控復(fù)位時不吸合。當(dāng)繼電器線圈工作電流為 300mA時，光耦需要輸出大于 的電流，其中 9013 基極對地的電阻分流 。繼電器釋放時，由于繼電器線圈存在電感，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(yīng)電壓。 關(guān)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。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”。 AD0832 簡要介紹 ADC0832 是 NS(National Semiconductor)公司生產(chǎn)的具有 Microwire／ Plus 串行接口的 8 位 A／ D 轉(zhuǎn)換器，通過三線接口與單片機(jī)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。 CH0， CHl 為兩路模擬信號輸入端。 VCC／ REF 為正電源端和基準(zhǔn)電壓輸入端。 ADC0832 的配置位邏輯表如表 1 所列。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。 ADC0832接著在第 4 個時鐘下降沿輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。 相位測量電路的設(shè)計 相位測量模塊主要包括整形電路的設(shè)計和鑒相器電路的設(shè)計。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 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 19 分別是相位差信號及其取反后的信號。所以要加上拉電阻才能保證有高電平輸出，本設(shè)計中采用的是 10K 的上拉電阻。 1V~177。 圖 LM339 管腳圖 LM339 類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。當(dāng)“ +”端電壓高于“ ”端時，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。 JK 觸發(fā)器工作原