【正文】 出 4 個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被 寫 “1”時(shí)，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(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須接上拉電阻。當(dāng) P0口的管腳第一次寫 1 時(shí)，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(jì) 這部分是由單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路組成。 5 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 本章主要闡述了系統(tǒng)各單元的硬件電路設(shè)計(jì)思想及具體硬件組成，本設(shè)計(jì)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(dòng)量程控制電路、 AD 轉(zhuǎn) 換電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、超限報(bào)警電路及相位測量電路共 8 個(gè)部分。這種方法的特點(diǎn)是電路簡單，對(duì)啟動(dòng)電路要求不高，同時(shí)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(diǎn)。而時(shí)間的測量方法有很多種，本設(shè)計(jì)結(jié)合 51 單片機(jī)的特點(diǎn)，采用過零點(diǎn)檢測法。 式 表明，相位差 ? 與時(shí)間差 ?T 有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，只要通過測量時(shí)間差 ?T及信號(hào)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(dòng)開關(guān)作用，即當(dāng)待測信號(hào)的滿足其中某一檔位的指標(biāo)時(shí)，則相應(yīng)的被控電路導(dǎo)通，從而自動(dòng)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(jì)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(shí)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(hào)進(jìn)行分檔降壓處理。相位差測量的基本原理為：對(duì)信號(hào)波形的變換、比較及相關(guān)數(shù)學(xué)運(yùn)算。 3 第 2 章 方案論證 本設(shè)計(jì)中，相位測量儀主要是對(duì)被測網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)音頻范圍內(nèi)的正弦交流信號(hào)的相位的測量， 可測的 信號(hào)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(shì)，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(shí)現(xiàn)數(shù)字化和自動(dòng)化，故本研究采用過零檢測法。需要附加一些電路才可以實(shí)現(xiàn)．倍乘法由于應(yīng)用了積分環(huán)節(jié)，可以濾掉信號(hào)波形中的高次諧波，有效抑制了諧波對(duì)測量準(zhǔn)確度的影響． 矢量法：任何一個(gè)正弦函數(shù)都可以用矢量來表示，如各個(gè)正弦信號(hào)幅度相等、頻率相同，運(yùn)算器運(yùn)用減法器合成得到矢量的模 2/sin2 ?EV ? ．矢量法用于測量小角度范圍時(shí)，靈敏度較好，可行度也較高；但在 180176。其原理是將基準(zhǔn)信號(hào)的過零 時(shí)刻與被測信號(hào)的過零時(shí)刻進(jìn)行比較，由二者之間的時(shí)間間隔與被測信號(hào)周期的比值推算出兩信號(hào)之間的相位差．這種方法的特點(diǎn)是電路簡單，且對(duì)啟動(dòng)采樣電路要求不高，同時(shí)還具有測量分辨率高、線性好和易數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)． 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，即用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)構(gòu)成的無窮級(jí)數(shù)來表示，倍乘法測量相位差所用的運(yùn)算器是一個(gè)乘法器， 2 個(gè)信號(hào)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(gè)積分電路，可以得到一個(gè)直流電壓 ?coskV ? ，電路的輸出和被測信號(hào)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(duì)信號(hào)波形的變換比較；倍乘法 —— 基于對(duì)傅氏級(jí)數(shù)的運(yùn)算；矢量法 —— 基于對(duì)三角函數(shù)的運(yùn)算。 同頻信號(hào)間相位差的測量在電力系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)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(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)實(shí)踐等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)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。 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(jì)量、用電檢查、繼電保護(hù)、差動(dòng)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(shí)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(diǎn)，工業(yè)上常常用此進(jìn)行低頻信號(hào)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(diǎn)檢測法是一種將相位測量變?yōu)闀r(shí)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(jì)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(jì)方法。 兩路信號(hào)（同頻、不同相，一路為待測信號(hào)，另一路 為參考信號(hào)）通過過零比較器電路整形成矩形波信號(hào)，再通過鑒相器，得到相位差信號(hào)。再將該相位差信號(hào)送入單片機(jī)的外部中斷端口，通過單片機(jī)對(duì)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(hào)為同頻不同相的正弦交流信號(hào)，頻率范圍為 20Hz20kHz，幅度為 0V～ 500V。即對(duì)于 被測信號(hào) 是同頻不同相的兩路正弦交流信號(hào)，為了準(zhǔn)確地測量出該相位差，需要對(duì)輸入信號(hào)的波形進(jìn)行整形，本設(shè)計(jì)利用 LM339 組成整形電路，使輸入信號(hào)變成矩形波信號(hào)，再經(jīng)異或門組成的鑒相器電路，輸出即為相位差信號(hào)，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(dòng)量程控制原理論證 本設(shè)計(jì)中，待測信號(hào)是 0V～ 500V 正弦交流信號(hào)，要想進(jìn)行相位測量，則需先將該信號(hào)進(jìn)行降壓處理。 本設(shè)計(jì)中，將待測信號(hào)分成三個(gè)檔位： 500V、 50V、 5V。 相位測量原理論證 由數(shù)學(xué)關(guān)系可知，時(shí)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(duì)應(yīng)的時(shí)間差， T 是信號(hào)周期。 顯然，相位差 ? 的測量本質(zhì)上是時(shí)間的測量。其原理是將基準(zhǔn)信號(hào)通過零的時(shí)刻與被測信 號(hào)通過零的時(shí)刻進(jìn)行比較，由二者之間的時(shí)間間隔推算出兩信號(hào)之間的相位差。 將該相位差信號(hào)送入單片機(jī)的外部中斷接口，對(duì)該信號(hào)的脈沖寬度進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到對(duì)應(yīng)于相位差的時(shí)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(jì)中充分利用了單片機(jī)較強(qiáng)的運(yùn)算能力和控制能力這一特點(diǎn)，使用單片機(jī)外部中斷 INT0、 INT1 接收外部送來的相位差信號(hào)，并在單片機(jī)內(nèi)部完成相應(yīng)的處理及相關(guān)運(yùn)算。 單片機(jī)主控電路 輸入信號(hào) 被測網(wǎng)絡(luò) 時(shí)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(jì)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(chǔ)器 (EPROM)和 128 字節(jié)的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的 AT89C51 單片機(jī)可提供高性價(jià)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(chǔ)器 ?1000 次擦寫周期 ?全靜態(tài)工作： 0hz24hz ?三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 ?1288 位內(nèi)部 RAM ?32 個(gè)可編程 I/O 口線 7 ?2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 ?5 個(gè)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(gè) 8 位漏級(jí)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(chǔ)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(gè)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(yàn)時(shí)， P1 口作為低八位地址接收。并因此作為輸入時(shí)， 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(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。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。 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(shí)器 0 外部輸入） T1（記時(shí)器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3 口同 時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)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(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)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(chǔ)器的選通信號(hào)。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。注意加密方式 1 時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 振蕩器特性 ： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。 石晶 振蕩和陶瓷振蕩均可采用。有余輸入至內(nèi)部 時(shí)鐘信號(hào) 要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)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。它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率 。在通常工作條件下，普通晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬分之五十。這個(gè)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 。對(duì)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(huì)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。 10F。本設(shè)計(jì)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(jí)定時(shí)時(shí)鐘。 89 系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從 RST 引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動(dòng)按鈕復(fù)位和上電復(fù)位。一般采用的辦法是在RST 端和正電源 Vcc 之間接一個(gè)按鈕。由于人的動(dòng)作再快也會(huì)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(shí)間要求。對(duì)于 CMOS 型單片機(jī)，由于在 RST 端內(nèi)部有一個(gè)下拉電阻，故可將外部電阻去掉，而將外接電容減至 1uF。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位， RST 端的高電平信號(hào)必須維持足夠長的時(shí)間。當(dāng) Vcc 掉電時(shí)，必然會(huì)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(gè)負(fù)電壓將不會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生損害。如果系統(tǒng)在上電時(shí)得不到有效的復(fù)位，則程序計(jì)數(shù)器 PC 將得不 11 到一個(gè)合適的初值，因此， CPU 可能會(huì) 從一個(gè)未被定義的位置開始執(zhí)行程序。當(dāng)單片機(jī)已在運(yùn)行當(dāng)中時(shí)，按下復(fù)位鍵后松開，也能使RST 為一段時(shí)間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電或開關(guān)復(fù)位的操作。工作期間，按下 S1， C3 放電。幾個(gè)毫秒后，單片機(jī)又進(jìn)入工作狀態(tài)。單片機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)送到LCD1602 中進(jìn)行輸出顯示。 圖 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(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 12 表 LCD1602 管腳功能表 編號(hào) 符號(hào) 引腳說明 編號(hào) 符號(hào) 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(hào) 15~16 BLA、 BLK 背光源正、負(fù)極 由管腳功能表可