基于單片機(jī)的相位測量儀電路設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 013。當(dāng)繼電器 J 吸合時，二極管 D 截止，不影響電路工作。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。這個感應(yīng)電壓的極性是上負(fù)下正 ，正端接在 T 的集電極上。當(dāng)感應(yīng)電壓與 12V 電源電壓之和大于晶體管的集電結(jié)的反向耐壓時，晶體管有可能損壞。加入二極管后，繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流由二極管D 流過，因此不會產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，晶體管便得到了保護(hù)。 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。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。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 轉(zhuǎn) 換 電路的設(shè)計 AD0832 工作原理 如圖 所示，選通的待測信號 輸入到 AD0832 的 CH1 端， 但先要經(jīng)過整流二極管，將交流轉(zhuǎn)換為直流 后 方可輸入到 AD0832 中進(jìn)行轉(zhuǎn)換和判斷 。 圖 AD 轉(zhuǎn)換電路 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） 17 判斷依據(jù)是：對于未知的輸入信號，首選的是將信號送入最大檔位 進(jìn)行測量 。若經(jīng) 過整流二極管轉(zhuǎn)換 后的待測信號幅值 Vm 滿足 1V? Vm? ，表示該檔是合理的檔位，可以將 其送入相位測量電路進(jìn)行后續(xù)處理；若 Vm1V，表示該信號相對于當(dāng)前檔位偏小，則選通下一檔位，采用相同的方法進(jìn)行比較判斷 ；若 Vm，表示該信號超過了本設(shè)計規(guī)定的測量范圍，同時發(fā)出超限報警信號。 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。主要特點有： 8 位分辨率，逐次逼近型，基準(zhǔn)電壓 為 5V；輸入模擬信號電壓范圍為 0～ 5V；輸入和輸 出 CMOS 兼容；在 250KHz時鐘頻率時，轉(zhuǎn)換時間為 32us；具有兩個可供選擇的模擬輸入通道；功耗低， 15mW。 ADC0832 有 DIP 和 SOIC 兩種封裝，本設(shè)計額中采用的是 DIP 封裝，如上圖 所示。 各引腳說明如下： CS 為片選端，低電平有效。 CH0， CHl 為兩路模擬信號輸入端。 DI 為兩路模擬輸入選擇輸入端。 D0 為模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果串行輸出端。 CLK 為串行時鐘輸入端。 VCC／ REF 為正電源端和基準(zhǔn)電壓輸入端。 GND 為電源地。 配置位說明 ： ADC0832 工作時，模擬通道的選擇及單端輸入和差分輸入的選擇，都取決于輸入時序的配置位。當(dāng)差分輸入時，要分配輸入通道的極性，兩個輸人通道的任何一個通道都可作為正極或負(fù)極。 ADC0832 的配置位邏輯表如表 1 所列。 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） 18 表 ADC0832 配置位的說明 輸入格式 配置位 選擇通道號 CH0 CHl CH0 CHl 差分 L L + L H + 單端 H L + H H + 表中“ +”表示輸入通道的端點為正極性；“ ”表示輸入端點為負(fù)極性； H 或 L表示高、低電平。輸入配置位時，高位 (CHO)在前，低位 (CHl)在后。 工作時序： 當(dāng) CS 由高變低時，選中 ADC0832。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。在第一個時鐘期間， DI 為高，表示啟動位，緊接著輸入兩位配置位。當(dāng)輸入啟動位和配置位后，選通輸入電平與吼和模擬通道，轉(zhuǎn)換開始。轉(zhuǎn)換開始后，經(jīng)過一個時鐘周期延遲，以使選定的通道穩(wěn)定。 ADC0832接著在第 4 個時鐘下降沿輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)輸出時先輸出最高位 (D7～ DO)；輸出完轉(zhuǎn)換結(jié)果后，又以最低位開始重新輸出一遍數(shù)據(jù) (D7～ DO)，兩次發(fā)送的最低位共用。當(dāng)片選 CS 為高時，內(nèi)部所有寄存器清 0，輸出變?yōu)楦咦钁B(tài)。如果要再進(jìn)行一次模數(shù)轉(zhuǎn)換，片選 CS 必須再次從高向低跳變，后面再輸入啟動位和配置位。 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，整形電路采用的是過零比較法將待測信號變成矩形波信號，然后再送給鑒相器電路進(jìn)行下一步的處理。而且，為了避免待測信號和參考信號在整形電路中產(chǎn)生附加相移或者發(fā)生相對相移，本設(shè)計對兩路信號采用了相同的整形電路，這樣即使發(fā)生相移，也能保證二者的相對相移為 0。具體電路如圖 所示。 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） 19 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分別是相位差信號及其取反后的信號。 為了避免待測信號在過零點時含有干擾，這里用 LM339 組成如下圖所示的整形電路，還應(yīng)注意的是， LM339 的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選 315K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當(dāng)輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。 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。 圖 相位測量電路 LM339 簡要介紹 LM339 電壓比較器芯片內(nèi)部裝有四個獨(dú)立的電壓比較器， 圖 是很常見LM339 引腳圖的集成電路 圖 。利用 lm339 可以方便的組成 各種電壓比較器電路和振蕩器電 路。 該電壓比較器的特點是： 1）失調(diào)電壓小，典型值為 2mV； 2）電源電壓范圍寬，單電源為 236V，雙電源電壓為177。 1V~177。 18V； 3）對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬； 4）共模范圍很大，為 0~（ ） Vo ； 5）差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓； 6）輸出端電位可靈活方便地選用。 LM339 集成塊采用 C14 型封裝。由于 LM339 使用靈活，應(yīng)用廣泛，所以世界上各大 IC 生產(chǎn)廠、公司竟相推出自己的四比較器，如 IR233 ANI33 SF339 等，它們的參數(shù)基本一致，可互換 使沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 用。 圖 LM339 管腳圖 LM339 類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“ +”表示，另一個稱為反相輸入端，用“ ”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇 LM339 輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電壓。當(dāng)“ +”端電壓高于“ ”端時，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“ ”端電壓高于“ +”端時，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV 就能確保輸出 能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把 LM339 用在弱信號檢測等場合是比較理想的。 LM339 可構(gòu)成 單限比較器、 遲滯比較器 、雙限比較器（窗口比較器） 、振蕩器等； 還可以組成高壓數(shù)字邏輯門電路，并可直接與TTL、 CMOS 電路接口。 JK 觸發(fā)器 工作原理 的簡要介紹 相位測量電路中用到兩個 JK 觸發(fā)器，二者工作原理一樣，這里以前者為例來加以闡述： JK 觸發(fā)器的 J 端、 K 端及電源端均接到 +5V 上，清零端通過 C9 接地，當(dāng)接通電源瞬間，清除端通過 C9 處于低電平，使 Q 端置為低電平； C9 逐漸充電完畢，這時 清零端通過 R30 處于高電平。當(dāng) CLK 端接收到觸發(fā)脈沖時， Q 端有低電平變?yōu)楦唠娖?；?dāng)下一個脈沖到來， Q 端又由高電平變?yōu)榈碗娖?，如此不斷反?fù)。 74LS113 為雙下降沿 JK 觸發(fā)器，有預(yù)置位端。 其管腳圖如圖 所示。 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） 21 圖 74LS113 管腳圖 引腳介紹： /CP /CP2 時鐘輸入端（下降沿有效） J J K K2 數(shù)據(jù)輸入端 Q Q /Q /Q2 輸出端 /SD /SD2 直接置位端（低電平有效） 功能表如表 所示： 表 74LS113 功能表 （說明： H— 高電平， L— 低電平， X— 任意， ? — 高到低電平跳變 ） 鑒相器電路的設(shè)計 鑒相器就是異或門電路，在鑒相器的輸入波形 Ug、 Uh 中，正脈沖寬度就是 Ug和 Uh 相位差所對應(yīng)的時間差 ?T ， 由此可見，鑒相器在相位測量電路中起到了測量時沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 間差的重要作用。 如圖 所示。 圖 鑒相器輸入輸出波形圖 由圖可知 ，鑒相器的輸出信號是兩輸入信號的二倍頻信號，而該輸入信號是經(jīng)過JK 觸發(fā)器的 二分頻信號，由此可知，該相位差信號和待測信號是同頻的。 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） 23 第 4 章 軟件設(shè)計 在目前的單片機(jī)軟件開發(fā)中，常用的語言是匯編語言和 C語言兩種。匯編語言是一種文字用助記符來表示機(jī)器指令的符號語言，其優(yōu)點是程序占用資源少、運(yùn)行速度快、執(zhí)行效率高，但具有缺乏通用性、程序可移植性差、編程比高級語言困難等缺點。C語言是是一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言，可產(chǎn)生緊湊代碼。 C語言作為一種非常方便的語言而得到廣泛的支持， C語言程序本身并不依賴于機(jī)器硬件系統(tǒng)，基本上不做修改就可以根據(jù)單片機(jī)的不同較快的移植過來。鑒于 C語言編程有眾多優(yōu)點，在本 設(shè)計中，采用的是 C語言編寫程序。 C 語言的簡介 C 語言特點 C 是高級語言。它把高級語言的基本結(jié)構(gòu)和語句與低級語言的實用性結(jié)合起來。C 語言可以像匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進(jìn)行操作， 而這三者是計算機(jī)最基本的工作單元。 C 是結(jié)構(gòu)式語言。結(jié)構(gòu)式語言的顯著特點是代碼及數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨(dú)立。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護(hù)以及調(diào)試。 C 語言是以函數(shù)形式提供給用戶的，這些函數(shù)可方便的調(diào)用，并具有多種循環(huán)、條件語句控制程序流向，從而使程序完全 結(jié)構(gòu)化。 C 語言功能齊全。具有各種各樣的數(shù)據(jù)類型，并引入 指針 概念，可使程序效率更高。另外 C 語言也具有強(qiáng)大的圖形功能，支持多種顯示器和驅(qū)動器。而且計算功能、邏輯判斷功能也比較強(qiáng)大，可以實現(xiàn)決策目的的游戲。 C 語言對編寫需要硬件進(jìn)行操作的場合，明顯優(yōu)于其它解釋型高級語言，有一些大型應(yīng)用軟件也是用 C 語言編寫的。 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） 24 C 語言的優(yōu)勢 C 語言是一種結(jié)構(gòu)化的高級語言。其優(yōu)點是可讀性好，移植容易，是普遍使用的一種計算機(jī)語言。 C 語言是一種編譯型程序設(shè)計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。 C 語 言有功能豐富的庫函數(shù)、運(yùn)算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。 C 語言是一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言，它支持當(dāng)前程序設(shè)計中廣泛采用的由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計技術(shù)。此外， C語言程序具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)，從而為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設(shè)計方法提供了有力的保障。因此，使用 C 語言進(jìn)行程序設(shè)計