基于单片机的相位测量仪电路设计.docx

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基于单片机的相位测量仪电路设计

第1章绪论

相位测量仪是电力部门、工厂和矿山、石油化工、冶金系统进行二次回路检查的理想的高精度仪表。

尤其适用于电能计量、用电检查、继电保护、差动检测、电力建设和变送电工程等。

是电力系统各部门的必备仪器之一。

1.1课题研究背景

在电子测量技术中，相位测量时最基本的测量手段之一，相位测量仪式电子领域的常用仪器。

随着相位测量技术广泛应用于科学研究、实验、生产实践等各个领域，对相位测量技术的要求也向高精度高智能化方向发展，在低频范围内，相位测量在电力、机械等部门具有非常重要的意义。

基于数字式相位测量仪的高精度、高智能化、直观化的特点，工业上常常用此进行低频信号相位差的精确测量。

同频信号间相位差的测量在电力系统、工业自动化、智能控制及通信、电子、地球物理勘探等许多领域都有着广泛的应用。

尤其在工业领域中，相位不仅是衡量安全的重要依据，还可以为节约能源提供参考。

1.2课题研究内容

1.2.1相位测量

相位差的测量原理主要有三种：

过零检测法——基于对信号波形的变换比较；倍乘法——基于对傅氏级数的运算；矢量法——基于对三角函数的运算。

过零点检测法是一种将相位测量变为时间测量的方法。

其原理是将基准信号的过零时刻与被测信号的过零时刻进行比较，由二者之间的时间间隔与被测信号周期的比值推算出两信号之间的相位差．这种方法的特点是电路简单，且对启动采样电路要求不高，同时还具有测量分辨率高、线性好和易数字化等优点．

倍乘法：

任何一个周期函数都可以用傅氏级数表示，即用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示，倍乘法测量相位差所用的运算器是一个乘法器，2个信号是频率相同的正弦函数，相位差为

，运算结果经过一个积分电路，可以得到一个直流电压

，电路的输出和被测信号相位差的余弦成比例，因此其测量范围在45°以内，为使测量范围扩展到360°，需要附加一些电路才可以实现．倍乘法由于应用了积分环节，可以滤掉信号波形中的高次谐波，有效抑制了谐波对测量准确度的影响．

矢量法：

任何一个正弦函数都可以用矢量来表示，如各个正弦信号幅度相等、频率相同，运算器运用减法器合成得到矢量的模

．矢量法用于测量小角度范围时，灵敏度较好，可行度也较高；但在180°附近灵敏度降低，读数困难且不准确．由于系统输出为一余弦或正弦函数，因此这种方法适用于较宽的频带范围。

上述3种测量相位的方法各有优势，从测量范围、灵敏度、准确度、频率特性和谐波的敏感性等技术指标来看，过零检测法的输出正比于相位差的脉冲数，且易于实现数字化和自动化，故本研究采用过零检测法。

1.2.2基本要求

本设计研究了一种可测20Hz-20kHz内任意频率数字式相位测量仪的设计方法。

主要内容是以AT89C51为控制核心，实现对音频范围内的正弦交流信号的相位的测量，可测的信号相位差在0～360度范围内，测量精度可达0.1度。

两路信号（同频、不同相，一路为待测信号，另一路为参考信号）通过过零比较器电路整形成矩形波信号，再通过鉴相器，得到相位差信号。

这样就构成了相位测量系统的测量电路。

再将该相位差信号送入单片机的外部中断端口，通过单片机对数据的处理，最后方可得到所要测量的相位差，并在液晶上显示出测量结果。

第2章方案论证

本设计中，相位测量仪主要是对被测网络的输入、输出信号的相位差进行测量。

这样的两路待测信号为同频不同相的正弦交流信号，频率范围为20Hz-20kHz，幅度为0V～500V。

相位差测量的基本原理为：

对信号波形的变换、比较及相关数学运算。

即对于被测信号是同频不同相的两路正弦交流信号，为了准确地测量出该相位差，需要对输入信号的波形进行整形，本设计利用LM339组成整形电路，使输入信号变成矩形波信号，再经异或门组成的鉴相器电路，输出即为相位差信号，再结合单片机的数据处理功能，最后通过液晶即可显示出该相位差。

由于单片机的工作电压在5V左右，所以在进行相位测量前，还需将被测信号进行分档降压处理。

2.1自动量程控制原理论证

本设计中，待测信号是0V～500V正弦交流信号，要想进行相位测量，则需先将该信号进行降压处理。

常见的交流降压法有降压变压器降压法、电容降压法、电感降压法、纯电阻电路降压法，考虑到本设计中的降压过程不得引入新的相移，否则影响下一步的相位测量的精准度，此处选择最后一种方法，即纯电阻电路的降压法，该电路实现起来直观、简易且误差小。

本设计中，将待测信号分成三个档位：

500V、50V、5V。

结合继电器的自动开关作用，即当待测信号的满足其中某一档位的指标时，则相应的被控电路导通，从而自动量程控制电路转入相位测量电路进行后续数据处理等功能。

2.2相位测量原理论证

由数学关系可知，时间差和相位差有如下关系：

（2.1）

由此可得：

（2.2）

其中，

是相位差

对应的时间差，

是信号周期。

式2.2表明，相位差

与时间差

有着一一对应的关系，只要通过测量时间差

及信号周期

，就可以求得相位差

，这就是相位差的基本测量原理。

显然，相位差

的测量本质上是时间的测量。

而时间的测量方法有很多种，本设计结合51单片机的特点，采用过零点检测法。

其原理是将基准信号通过零的时刻与被测信号通过零的时刻进行比较，由二者之间的时间间隔推算出两信号之间的相位差。

这种方法的特点是电路简单，对启动电路要求不高，同时该方法还具有测量分辨率高、线性好、易于数学化等优点。

将该相位差信号送入单片机的外部中断接口，对该信号的脉冲宽度进行计数，从而得到对应于相位差的时间差和周期，再根据上述求解相位差的公式便可得到所求，并由液晶显示最终测得的相位差。

第3章硬件设计

本章主要阐述了系统各单元的硬件电路设计思想及具体硬件组成，本设计共包括以下模块：

单片机主控电路、显示电路、稳压电路、自动量程控制电路、AD转换电路、继电器驱动电路、超限报警电路及相位测量电路共8个部分。

系统总体框图如图3.1所示。

图3.1系统总体框图

3.1主控电路设计

这部分是由单片机、晶振电路、复位电路组成。

本设计中充分利用了单片机较强的运算能力和控制能力这一特点，使用单片机外部中断INT0、INT1接收外部送来的相位差信号，并在单片机内部完成相应的处理及相关运算。

图3.2为AT89C51主控电路图。

图3.2主控电路图

3.1.1AT89C51单片机

本设计中采用的核心控制器是AT89C51，它是美国ATMEL公司生产的一款低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4K字节FLASH可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128字节的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，片内内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机可提供高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

因此，在这里我选用AT89C51单片机来完成。

3.1.1.1主要性能参数：

•与MCS-51产品指令系统完全兼容

•4K字节可编程Flash存储器

•1000次擦写周期

•全静态工作：

0hz-24hz

•三级加密程序存储器

•128×8位内部RAM

•32个可编程I/O口线

•2个16位定时/计数器

•5个中断源

•可编程串行UART通道

•低功耗空闲和掉电模式

3.1.1.2管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表1所示：

表1P3口第二功能表

管脚

功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外部中断0）

P3.3

/INT1（外部中断1）

P3.4

T0（记时器0外部输入）

P3.5

T1（记时器1外部输入）

P3.6

/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

振荡器特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

3.1.2晶振电路的设计

晶振是一种能把电能和机械能相互转化，产生稳定、精确的共振频率的元件。

它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率。

单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率的基础之上的。

在通常工作条件下，普通晶振频率绝对精度可达百万分之五十。

AT89C5l中有一个用于构成内部振荡器的高量程反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图3.3。

图3.3晶振电路

外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。

对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF±10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF±10F。

也可以采用外部时钟，这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。

本设计采用前一种方法，选用33pF的电容和12MHz的石英晶体相配合，这样可以提供准确而又稳定的us级定时时钟。

3.1.3复位电路的设计

单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。

89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。

当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。

单片机系统的复位方式有：

手动按钮复位和上电复位。

1、手动按钮复位

手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。

一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。

当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。

由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以完全能够满足复位的时间要求。

2、上电复位

AT89C51的上电复位，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。

对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1uF。

上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。

为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。

上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。

当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。

另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。

如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。

3、积分型上电复位

常用的还有上电或开关复位电路，上电后，由于电容的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。

当单片机已在运行当中时，按下复位键后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。

本设计采用的是上电复位，如图3.3所示，原理是上电时，C3充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C3充满，10K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。

工作期间，按下S1，C3放电。

S1松开，C3又充电，在10K电阻上又出现电压，使得单片机复位。

几个毫秒后，单片机又进入工作状态。

图3.3复位电路

3.2显示电路的设计

本设计采用由液晶LCD1602组成的显示的电路。

单片机将处理后的数据送到LCD1602中进行输出显示。

显示电路如图3.4所示。

图3.4液晶LCD1602显示电路

LCD1602液晶显示屏以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到广泛的应用。

其各管脚功能如表3.4所示。

表3.4LCD1602管脚功能表

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

1

VSS

电源地

4~6

RS、RW、E

数据命令选择

2

VDD

电源正极

7~14

DE0~DE7

数据I/O

3

V0

液晶显示偏压信号

15~16

BLA、BLK

背光源正、负极

由管脚功能表可知，VSS接地，VDD接5V电源正极，V0为液晶显示器对比度调整端（接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高），通过一个10K的电位器R3调整对比度。

背光源根据其正负极分别与电源正负极相连接。

单片机的P3.7~P3.5口分别与LCD1602液晶显示屏的RS、RW、E引脚相连接，来控制LCD的初始化及显示模式。

P1.0~P1.7口分别与LCD1602液晶显示屏的DE0~DE7引脚相连接，来显示所测量的数据。

3.3稳压电路的设计

电路提供+5V的稳定电源，主要用于单片机（AT89C51）及周边外围电路、液晶显示、AD转换、相位测量、超限报警等电路。

图3.57805稳压电路

图3.5所示，电源电路采用集成稳压管LM7805进行稳压。

电池提供的12V直流电压通过LM7805可以输出稳定的5V电压。

电池提供的12V电压可用于驱动继电器的工作。

LM7805是美国四家半导体公司的三端固定稳压集成电路，用于将输入的电压稳压集为5V后提供给有关电路，其应用十分广泛，在视频、音频、计算机、游戏机等各种电器上均有应用。

LM7805是最常用到的稳压芯片。

他使用方便，用很简单的电路就可以输入一个直流稳压电源，它的输出电压恰好为5V，刚好是51系列单片机工作所需的电压，它有很多的系列，如KA7805、ADS7805、CW7805等等，性能上有微小差别，用的最多的还是LM7805,。

LM7805有三个引脚，分别为Vin:

输入引脚，电压为12V；Vout:

输出引脚，电压为5V；GND:

接地端。

3.4超限报警电路的设计

蜂鸣器俗称喇叭，是广泛应用于各种电子产品的一种元器件，它用于提示、报警、音乐等许多应用场合。

蜂鸣器与家用电器上面的喇叭在用法上也有相似之处，通常工作电流比较大，电路上的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路才可以。

本设计采用了一种很简单的电路来实现蜂鸣器的联结，而且增加了三极管来增加通过蜂鸣器的电流。

如图3.6所示，蜂鸣器的负极性的一端接地，正极性的一端接在PNP三极管的集电极上，三极管的基极由P2.7管脚来控制，当待测信号不在规定的测量范围时，P2.7脚为低电平，三极管导通，这样蜂鸣器电路形成回路，发出警报声；在没有超限的情况下，该管脚为高电平，则三极管截止，蜂鸣器不响。

图3.6超限报警电路

3.5时差检测电路的设计

时差检测电路主要包含以下几个主要模块：

自动量程控制、继电器驱动、AD转换、相位测量四个部分。

主要完成量程的自动选择和相位差信号的获得。

以下将阐述各个部分的具体设计方法。

3.5.1自动量程控制电路的设计

本设计中，相位测量仪主要是对被测网络的输入、输出信号的相位差进行测量。

这样的两路待测信号为同频不同相的正弦交流信号，幅度为0V～500V，而单片机和相位测量电路的工作电压是5V，因此在进行相位测量前必须做分档降压的处理。

本设计中选用纯电阻电路的降压法，这样电路实现起来简单可行，最重要的是不会引入新的相移。

具体电路如图3.7所示。

图3.7自动量程控制电路

从图3.7可以看到，自动量程控制分为两个支路，分别是被测网络的输入和输出两部分，被测网络的输出作为待测信号（上面一条支路），被测网络的输入作为参考信号（下面一条支路），每一路信号都将经过三个档位的选择电路，从上至下分别为500V档、50V档、5V档。

选通开关这里用的是电磁式继电器，选通原理是这样的：

当继电器驱动电路检测到对应的IO口为低电平时，则继电器吸合，对应的档位同时被选通。

降压电路里分压电阻的取值因输入信号的幅值的不同而不同，若设参考信号的幅值为2.5V，与接地端直接相连的电阻取1k，待测信号的幅值为Vm，则有

（3.1）

由此可知，

（3.2）

因此，当Vm分别为500V、50V、5V时，Rx对应的分别为199k、19k、1k。

3.5.2继电器驱动电路的设计

电磁式继电器一般用功率接口集成电路或晶体管驱动。

在使用较多继电器的系统中，可用功率接口集成电路驱动，例如SN75468等。

一片SN75468可以驱动7个继电器，驱动电流可达500mA，输出端最大工作电压为100V。

本设计采用晶体管来驱动继电器。

如图3.8所示。

图3.8继电器驱动电路

继电器的动作由单片机的P2.0、P2.1、P2.2口控制。

当三者之一输出低电平时，对应的继电器J吸合，同时分档电路里对应的继电器也吸合，对应档位导通；若为高电平，继电器J释放。

采用这种控制逻辑可以使继电器在上电复位或单片机受控复位时不吸合。

继电器J由晶体管9013驱动，9013可以提供300mA的驱动电流，适用于继电器线圈工作电流小于300mA的场合。

基于光电耦合器有较高的电流传输比，且最小值为50%。

晶体管9013的电流放大倍数大于50。

当继电器线圈工作电流为300mA时，光耦需要输出大于6.8mA的电流，其中9013基极对地的电阻分流0.8mA。

输入光耦的电流必须大于13.6mA，才能保证向继电器提供300mA的电流。

这里的二极管D的作用是保护晶体管9013。

当继电器J吸合时，二极管D截止，不影响电路工作。

继电器释放时，由于继电器线圈存在电感，这时晶体管9013已经截止，所以会在线圈的两端产生较高的感应电压。

这个感应电压的极性是上负下正，正端接在T的集电极上。

当感应电压与12V电源电压之和大于晶体管的集电结的反向耐压时，晶体管有可能损坏。

加入二极管后，继电器线圈产生的感应电流由二极管D流过，因此不会产生很高的感应电压，晶体管便得到了保护。

关于电磁继电器：

电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。

这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：

继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

3.5.3AD0832转换电路的设计

3.5.3.1AD0832工作原理

如图3.9所示，选通的待测信号输入到AD0832的CH1端，但先要经过整流二极管，将交流转换为直流后方可输入到AD0832中进行转换和判断。

图3.9AD转换电路

判断依据是：

对于未知的输入信号，首选的是将信号送入最大档位进行测量。

若经过整流二极管转换后的待测信号幅值Vm满足1V

Vm

2.5V，表示该档是合理的档位，可以将其送入相位测量电路进行后续处理；若Vm<1V，表示该信号相对于当前档位偏小，则选通下一档位，采用相同的方法进行比较判断；若Vm>2.5V，表示该信号超过了本设计规定的测量范围，同时发出超限报警信号。

3.5.3.2AD0832简要介绍

ADC0832是NS（NationalSemiconductor）公司生产的具有Microwire／Plus串行接口的8位A／D转换器，通过三线接口与单片机连接，功耗低，性能价格比较高，芯片引脚少，适宜在袖珍式智能仪器中使用。

主要特点有：

8位分辨率，逐次逼近型，基准电压为5V；输入模拟信号电压范围为0～5V；输入和输出CMOS兼容；在250KHz时钟频率时，转换时间为32us；具有两个可供选择的模拟输入通道；功耗低，15mW。

ADC0832有DIP和SOIC两种封装，本设计额中采用的是DIP封装，如上图3.9所示。

各引脚说明如下：

CS为片选端，低电平有效。

CH0，CHl为两路模拟信号输入端。

DI