數字式相位差測量系統基于51單片機資料(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 移植性做好。由于算法部分不涉及任何硬件，所以這三個算法可以在任何MCU上運行，只需要修改相應的形參即可。這三種算法也是數字信號處理中常用的算法，將其功能封裝好做成可移植函數也為以后項目中調用該算法提供了方便.第三章：硬件電路設計 移相電路的設計圖5 移相模塊電路圖測相差一般都是針對正弦信號，所以要需要有兩路相位差可調的正弦信號，這里采用最簡單的RC低通濾波電路。其上限截止頻率為,輸出信號與輸入信號的相位差為，通過調節滑動變阻器的阻值可以調節相位差的大小，這樣就可以得到兩路相差可調的正弦信號了，電路圖如下所示： 電壓跟隨器模塊 電壓跟隨器具有輸入電阻大，輸出電阻小，輸出電壓等于輸入電壓的優點，通常用作前后級電路的隔離。電壓跟隨器可以采用集成運放，也可以采用三極管構成的共集放大電路，考慮到現在的集成運放價格非常低，所以這兩種方法的成本是差不多的，顯然，采用集成運放構成的電壓跟隨器具有更高的穩定性，所以在本設計中采用了集成運算放大器構成的電壓跟隨器作為移相電路和加法電路的隔離電路。 加法器模塊 OP07簡介OP07是一種低噪聲，非斬波穩0的雙極性集成運算放大器，由于OP07具有非常低的輸入失調電壓（對于OP07最大為25uV）,所以在很多場合下不需要在增加額外的調0電路，OP07的輸入電阻非常大，且開環增益高，其輸入偏置電流通常為2nA,所以OP07常用于高增益測量設備或者放大傳感器的微弱信號。OP07是雙電源供電，電源電壓范圍為，電源電壓越大，集成運放的線性區就越寬，所以可以根據輸出信號的大小來確定電源電壓的大小，要注意到，電源電壓不能小于輸出信號。例如，輸出信號的范圍為05V，則電源電壓一定要大于5V，否則，當輸入信號過大，輸出電路的晶體管由放大區進入飽和區，集成運放就由線性區進入到非線性區，輸出電壓等于電源電壓，不在具有放大功能。 實用電路設計由于STC12C5A60S2單片機的片內AD只能測05V的模擬信號，所以如果直接把信號接到單片機的AD輸入通道上，信號負半波是測不到的，所以考慮先把該交流信號與一個直流信號相加，使得該正弦信號的電壓值在任何時刻都大于0，再用單片機AD進行采樣，最終結果在減去直流信號。這樣就可以把交流模擬信號轉換成數字信號了。加法器采用同相加法運算電路，通過反饋電阻R10和R11引入深度負反饋，使得運放工作在線性區。當集成運放工作在線性區時，其輸入端具有虛短和虛斷效應。通過集成運放的虛短和虛斷效應可以推導出輸出信號與輸入信號的關系為 其中, ,將圖中數據帶入公式可得圖6 加法器電路圖 電源電路 電源電路由變壓器，單相全橋整流電路，濾波電路和穩壓模塊構成，首先通過變壓器將220V交流電編程12V交流電，然后利用單相全橋整流電路將交流信號整成直流信號，再通過濾波電路，利用電容的充放電使得電壓信號波動較小，最后通過穩壓芯片輸出穩定的電壓信號。 變壓器簡介變壓器也可以稱之為靜態電機，就是通過磁場來耦合前后級電路，通過電磁場來進行能量傳遞。當在變壓器的一次側加交流電壓U1，交變的電流流過線圈后，在鐵芯內產生交變的磁場，該磁場與二次側線圈交鏈，在二次側感應出電動勢，這樣一次側的能量就通過磁場傳遞到了二次側。假設一次側線圈匝數為N1，二次側線圈匝數為N2，由法拉第電磁感應定律可知，一次側電壓為，二次側感應電動勢為，所以一二次側電壓比。 單相全橋整流電路圖7 單相全波整流電路橋式整流電路的工作原理如圖11所示。在u2的正半周，DD3導通，DD4截止，電流由TR次級上端經D1→ RL →D3回到TR 次級下端，在負載RL上得到一半波整流電壓。 在u2的負半周，DD3截止，DD4導通，電流由Tr次級的下端經D2→ RL →D4 回到Tr次級上端，在負載RL 上得到另一半波整流電壓。 這樣就在負載RL上得到一個與全波整流相同的電壓波形，其電流的計算與全波整流相同，即 　　 流過每個二極管的平均電流為每個二極管所承受的最高反向電壓為 結論本文討論了一種全新的相位差檢測的算法，相對于傳統的過零檢測方法具有很多優勢，容許待檢測信號具有一定的失真，檢測精度更高，但是硬件和軟件相對而言也更加復雜，本設計最終實現了090186。的相位差測量，測量精度精確到小數點后兩位。在此基礎上，利用STC12C5A60S2單片機實現了本設計方案，結果表明：本設計方案對硬件設計要求很高，因為AD模塊不能采樣到低于0的電壓，而交流信號必定會存在負半波，為了能對信號整個周期進行采樣，必須通過硬件電路對信號進行處理，在通過算法對其還原，如果硬件電路做的不好，處理信號的過程中因為集成運放的溫飄和零飄是的信號產生較大的失真，會導致相差檢測波動較大32點的FFT運算的精度過低，也會導致相差測量精度不高，在本設計中為了節省成本，采用了價格較低的STC單片機，由于收到內存的限制，最大只能運行32點的FFT運算，所以相差測量精度很低，且波動較大。如果想要提高測量精度，可以換更高端的MCU或者擴展存儲器，采用128或者256點的FFT運算，可以大大提高相位差測量的精度。由于時間倉促，本設計還有很多的不足之處，測量精度也不高且波動較大。硬件穩定性和算法精度都有待改進，在今后的設計中可以從這兩個方面進行改進。參考文獻（Reference)[1] 譚浩強. C 程序設計（第二版）[M].北京： [2] 童詩白、華成英. 模擬電子技術基礎（第四版）[M].北京： 高等教育出版社. 2006[3] 邱關源、（第五版）[M].北京：高等教育出版社. 2006[4] 趙金利、（第二版）[M].北京：機械工業出版社. 2007[5] 鄧新蒲、盧啟中、 [E]. [6] 胡文軍、李震梅、[B].[7] [J].[8] .[J].[9] .[J].[10] 丁玉美、[M].附錄：一：源程序1 include define uint unsigned intdefine uchar unsigned chardefine ADC_POWER 0x80 //ADC電源控制位define ADC_FLAG 0x10 //ADC完成標志define ADC_START 0x08 //ADC起始控制位define ADC_SPEEDLL 0x00 //540個時鐘define ADC_SPEEDL 0x20 //360個時鐘define ADC_SPEEDH 0x40 //180個時鐘define ADC_SPEEDHH 0x60 //90個時鐘void Delay1(uint n){ uint x。 while (n) { x = 5000。 while (x)。 }}void InitADC(){ P1ASF = 0xff。 //設置P1口為AD口 ADC_RES = 0。 //清除結果寄存器 ADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_SPEEDHH。 Delay1(2)。 //ADC上電并延時}long int GetADCResult(uchar ch){ long int adcresult。 ADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_SPEEDLL | ch | ADC_START。 _nop_()。 //等待4個NOP _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 while (!(ADC_CONTR amp。 ADC_FLAG))。//等待ADC轉換完成 ADC_CONTR amp。= ~ADC_FLAG。 //Close ADC adcresult=ADC_RES*4+(ADC_RESLamp。0x03)。 //返回ADC結果 return adcresult。}2:include void delay5us(uchar n){ uint x。 while(n) { x=0。 while(x)。 }}/*******************************************************************//* *//* 延時函數 *//* *//*******************************************************************/void delayms_12864(uint n){ uint x。 while(n) { x=628。 while(x)。 }} /*******************************************************************//* *//*檢查LCD忙狀態 *//*lcd_busy為1時，忙，等待。lcdbusy為0時,閑，可寫指令與數據。 *//* *//*******************************************************************/bit lcd