【正文】 信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。 ALE/PROG：當(dāng)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)。 RST：復(fù)位輸入。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 ： 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。在給出地址 “1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 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(dāng) P2 口 被寫 “1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。 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。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH 進(jìn)行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須接上拉電阻。當(dāng) P0口的管腳第一次寫 1 時，被定義為 高阻 輸入。 GND：接地。因此，在這里我選用 AT89C51單片機(jī)來完成。 圖 為 AT89C51 主控電路圖。 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。 沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 第 3 章 硬件設(shè)計 本章主要闡述了系統(tǒng)各單元的硬件電路設(shè)計思想及具體硬件組成，本設(shè)計共包括以 下模塊：單片機(jī)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。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。而時間的測量方法有很多種， 本設(shè)計 結(jié)合 51 單片機(jī)的特點，采用過零點檢測法。 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。結(jié)合繼電器的自動開關(guān)作用 ，即當(dāng)待測信號的滿足其中某一檔位的指標(biāo)時，則相應(yīng)的被控電路導(dǎo)通，從而自動 量程 控制電路轉(zhuǎn)入相位測量電路進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理等功能。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 。 由于單片機(jī)的工作電壓在 5V 左右，所以在進(jìn)行相位測量前，還需將被測信號進(jìn)行分檔降壓處理。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)運算。 沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 第 2 章 方案論證 本設(shè)計中，相位測量儀主要是對被測網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出信號的相位差進(jìn)行測量。這樣就構(gòu)成了相位測量系統(tǒng)的測量電路。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 0～ 360 度 范圍內(nèi) ，測量精度 可達(dá) 度 。 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 。 ，需要附加一些電路才可以實現(xiàn)．倍乘法由于應(yīng)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(zhǔn)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 2/sin2 ?EV ? ．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 180176。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 相位差所用的運算器是一個乘法器， 2 個信號是頻沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 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 ?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。 課題研究內(nèi)容 相位測量 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。 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。隨著相位測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于 科學(xué)研究、實驗 、 生產(chǎn)實踐 等各個領(lǐng)域，對相位測量技術(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)，相位測量在電力、機(jī)械等部門具有非常重要的意義。 是電力系統(tǒng)各部門的必備儀器之一。沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 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(jìn)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(hù)、 差動檢測 、電力建設(shè)和變送電工程 等 。 課題研究背景 在電子測量技術(shù)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(lǐng)域的常用儀器。 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。 過零點檢測法是一種將相位測量變?yōu)闀r間測量的方法。以內(nèi) ，為使測量范圍擴(kuò)展到 360176。 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 。 基本 要求 本設(shè)計研究 了 一種可測 20Hz20kHz 內(nèi)任意頻率數(shù)字式相位測量儀的設(shè)計方法。 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 。再將該 相位差 信號送入單片機(jī)的外部中斷 端 口，通過單片機(jī)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 。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。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(zhǔn)確地測量出該相位差，需要對輸入信號的波形進(jìn)行整形，本設(shè)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 ，輸出即為相位差信號，再結(jié)合單片機(jī)的數(shù)據(jù) 處理 功能，最后 通過 液晶即可顯示出該相位差 。 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。 本設(shè)計中，將待測信號分成三個檔位 ： 500V、 50V、 5V。 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?? （ ） 沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 其中， ?T 是相位差 ? 對應(yīng)的時間差， T 是信號周期。 顯然，相位差 ? 的測量本質(zhì)上是時間的測量。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。 將 該相位 差信號 送 入單片機(jī)的外部中斷接口，對該信號的脈沖寬度進(jìn)行計數(shù)，從而得到 對應(yīng)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 。 系統(tǒng)總體框圖如 圖 所示。本設(shè)計中充分利用了單片機(jī)較強的運算能力和控制能力這一特點，使用單片機(jī)外部中斷 INT0、 INT1 接收外部送來的相位差信號，并在單片機(jī)內(nèi)部完成相應(yīng)的處理及相關(guān)運算。 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 沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 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。 主要 性能參數(shù)： ?與 MCS51 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： 0hz24hz ?三級加密程序存儲器 ?1288 位 內(nèi)部 RAM 沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 ?32 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 管腳說明： VCC：供電電壓。 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。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲 器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的低八位。 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。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為低八位地址接收。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P2 口輸出地址的高八位。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。當(dāng) P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為 高電平，并用作輸入。 沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如表 1 所示： 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。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR 8EH 地址上置 0。另外，該引腳被略微拉高。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。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)。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。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。