【正文】 ....................... 2 2 方案選擇 ................................................................................................................... 2 設(shè)計(jì)方案論證 ................................................................................................ 2 相位差測量方案選擇 .................................................................................... 3 3 系統(tǒng)原理 ................................................................................................................... 4 原理框圖 ........................................................................................................ 4 相位差的測量 ................................................................................................ 5 MCU 測量時(shí)間差及周期 ............................................................................... 5 4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) ................................................................................................... 6 相位測量模塊設(shè)計(jì) ........................................................................................ 7 輸入電路設(shè)計(jì) ..................................................................................... 7 鑒相器 ................................................................................................. 9 相位測量電路設(shè)計(jì) ........................................................................... 10 STM32 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) .................................................................................. 14 AT89C51 的特性分析 ........................................................................ 16 時(shí)鐘和啟動(dòng) ....................................................................................... 17 復(fù)位電路 ........................................................................................... 18 顯示模塊設(shè)計(jì) .............................................................................................. 19 5 軟件設(shè)計(jì) ................................................................................................................. 20 結(jié)束語 ......................................................................................................................... 23 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................................... 24 附 錄 ..................................................................................................................... 25 基于 stm32 的低頻相位測量儀 設(shè)計(jì) 1 1 緒論 近年來 ， 隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，相位測量技術(shù)也廣泛應(yīng)用于國防、科研、生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域，很多測量儀 逐漸 向 “ 智能儀器 ” 和 “ 自動(dòng)測試系統(tǒng) ” 發(fā)展，這使得儀器的功能豐富而使用簡單。 ?；?stm32 的低頻相位測量儀 設(shè)計(jì) I 授課學(xué)期 20xx 學(xué)年至 20xx 學(xué)年 第 一 學(xué)期 學(xué) 院 電子工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 學(xué) 號(hào) 20xx12701058 20xx12701042 20xx12701027 20xx12701044 20xx12701074 姓 名 羅春華 何振華 李智靈 吳詩鳳 凌瓊娜 任課教 師 秦興盛 交稿日 期 20xx/11/7 成 績 閱讀 教師簽名 日 期 廣西 師范大學(xué) 學(xué)工部（處） 制 基于 stm32 的低頻相位測量儀 設(shè)計(jì) II 基于 stm32 的低頻相位測量儀 設(shè)計(jì) 摘 要 ： 本設(shè)計(jì) 提出了一種基于 stm32f103rbt6 單片機(jī)開發(fā)的低頻數(shù)字相位測量儀的 方案 。相位測量模 塊采用對(duì)輸入的兩路信號(hào)（同頻率、不同相位）通過比較器整形、鑒相器異或之后得到的相位差，輸入到單片機(jī)的中斷口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理； 采用 LCD1602 顯示被測信號(hào)的相位差。對(duì)相位測量的要求也逐步向高精度、高智能化方向發(fā)展，在低頻范圍內(nèi)，相位測量在電力、機(jī)械等部門有著尤其重要的意義 [1]。 還有測量兩列同頻信號(hào)的相位差在研究網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)的頻率特性中具有重要的意義。 可以做 工頻配電柜的數(shù)字相位儀表，亦可作大中專院校相位因數(shù)研究等實(shí)驗(yàn)儀表，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、單片機(jī)原理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)與具體應(yīng)用對(duì)象相結(jié)合而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更是受世人青睞。 研究表明基于離散 傅里葉 變換原理的相位測量方法具有測量精度高 、 抗干擾能力強(qiáng) 、 電路設(shè)計(jì)簡單等特點(diǎn)。尤其在工業(yè)領(lǐng)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。以上部分構(gòu)成了相位測量系統(tǒng)的相位測量電路 [3]。 相位和相位差的概念 [4]： 令正弦信號(hào)為 ： ?? ? ?0s in ?? ?? tAtA m （ ） 式中 Am稱為幅值（最大值），且 AAm 2? ， A 稱為有效值； ?? 0??? ?? tt 稱基于 stm32 的低頻相位測量儀 設(shè)計(jì) 3 為相位， 0? 稱為初相位， ? 稱為角頻率。 補(bǔ)償： Freq=Freq+Freq*9/500000+Freq*2/5000000； 相位差計(jì)算： DutyCycle=Freq*TIM_GetCapture1(TIM5)*(TIM5_Period+1)/7200； 通過十分頻，然后計(jì)算相位差。 基于 stm32 的低頻相位測量儀 設(shè)計(jì) 4 倍乘法：任何 一個(gè) 周期函數(shù)都可以用傅氏級(jí)數(shù)表示，在這里運(yùn)算器是一個(gè)乘法器，兩個(gè)信號(hào)是頻率相同的正弦數(shù)，相位差為一個(gè)角度 ? ，運(yùn)算結(jié)果再經(jīng)過一個(gè)積分電路，得 到 直流電壓： ?coskV? （ ） 電路的輸出和被測信號(hào)相位差余弦成比例，因此其測量范圍在 45176。 矢量法：任何 一個(gè) 正弦函數(shù)都可以用矢量來表示，如兩個(gè)正弦信號(hào)幅度相等、頻率相同 ,運(yùn)算器運(yùn)用減法器則合成矢量的模： 2sin2 ?EV ? （ ） 這種方法用于測量小角度，靈敏度較好，可行度也較好 ； 而在靠近 180176。 3 系統(tǒng)原理 原理 框圖 以單片機(jī)為核心的相位測量儀原理框圖如圖 31 所示： 整 形 電 路整 形 電 路整 形 電 路整 形 電 路鑒 相 器鑒 相 器M C U / T IM 2 / T IM 3 / T IM 5M C U / T IM 2 / T IM 3 / T IM 5顯 示顯 示待 測 信 號(hào) A待 測 信 號(hào) B 圖 31 以 MCU 為核心的相位測量儀原理框圖 兩路待測信號(hào)經(jīng)整形后變成了矩形信號(hào) A、 B，且可以認(rèn)為 A 和 B 是同頻率、不同相位的矩形波。因此從這個(gè)意義上講，異或門可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的二倍頻。 STM32 的通用定時(shí)器可以被用于：測量輸入信號(hào)的脈沖長度 (輸入捕獲 )或者產(chǎn)生輸出波形 (輸出比較和 PWM)等。 2)16 位可編程 (可以實(shí)時(shí)修改 )預(yù)分頻器 (TIMx_PSC)，計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率的分頻系數(shù)為 1～ 65535 之間的任意數(shù)值。 通過相位測量電路采集到得兩個(gè)同頻正弦信號(hào)的相位差所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差以及信號(hào)周期，送到單片機(jī)的 定時(shí)器 外部中斷口，讓單片機(jī)最小系統(tǒng)完成讀取數(shù)據(jù)，并能根據(jù)所讀取的 數(shù)據(jù)計(jì)算出兩路同頻信號(hào)之間的相位差 ， 這就充分的發(fā)揮了單片機(jī)控制運(yùn)算基于 stm32 的低頻相位測量儀 設(shè)計(jì) 7 能力強(qiáng)的特點(diǎn) 。 輸入電路 設(shè)計(jì) 輸入電路 被測信號(hào)是周期相同、幅度和相位不同的兩路正弦信號(hào)，為了準(zhǔn)確地測量出正弦信號(hào)的相位差，需要 對(duì) 輸入波形進(jìn)行整形 [9]，使輸入信號(hào)變成矩形波信號(hào)，并送給鑒相器進(jìn)行處理。如圖 41 所示 ，電路中我