數(shù)字式相位差測量系統(tǒng)(基于51單片機(jī))

1、 數(shù)字相差檢測儀的制作 專 業(yè)： 電氣 班 級： XX班 學(xué) 號： XXXXXXXXXX 學(xué)生姓名： XXX 指導(dǎo)教師： XX 目錄摘要：1Abstract:1第一章 緒論21.1 測量相位差的作用和意義21.2 相位差測量的研究現(xiàn)狀21.3本課題研究的主要內(nèi)容4第一章：最小二乘法以及快速傅里葉變換簡介51.1：最小二乘法簡介52.1 主程序流程圖82.2位倒序算法實(shí)現(xiàn)92.4 FFT算法的實(shí)現(xiàn)102.5 AD采樣的使用112.6 定時器的使用12第三章：硬件電路設(shè)計(jì)133.1 移相電路的設(shè)計(jì)133.2 電壓跟隨器模塊143.4 電源電路163.4.1 變壓器簡介163.4.2 單相全橋整流電

2、路16結(jié)論17致謝18參考文獻(xiàn)（Reference)19附錄：20基于最小二乘法的低頻數(shù)字相位差檢測儀的研究摘要：常見的相位差檢測方法一般是過零法，通過外部硬件電路對正弦信號的零點(diǎn)進(jìn)行檢測，產(chǎn)生的脈沖信號出發(fā)MCU的外部中斷，通過MCU的定時器計(jì)算出信號的頻率以及相位差。但是，現(xiàn)實(shí)生活中的正弦信號，特別是電網(wǎng)提供的交流電，或多或少都會有失真，如果交流電在過零點(diǎn)處失真特別嚴(yán)重，就可能會導(dǎo)致檢測不出零點(diǎn)或者檢測出多個零點(diǎn)，并且這種檢測方法外部硬件電路比較復(fù)雜，成本較高。所以，本文提出的最小二乘法因其成本低，使用范圍廣，可靠性高而被廣泛應(yīng)用。主要方法是，在單周期內(nèi)對兩個信號進(jìn)行2N點(diǎn)的采樣，把離散化

3、后的信號相乘，通過快速傅里葉變化分解出其中的直流信號，最終計(jì)算得到兩個正弦信號的相位差。關(guān)鍵詞：最小二乘法，快速傅里葉變換The low-frequency digital phase detector based on least-square method researchAbstract: the phase difference detection method in common is the zero passage method and through external hardware circuit of zero point of sine signal detection

4、, produce the pulse signal of the external interrupt of MCU by MCU timer to calculate the frequency and phase difference of signals.Sine signal in real life, however, especially the alternating current power grid provided, there will be more or less distortion, if alternating current (ac) in a zero

5、distortion is extremely serious, is likely to lead to detect the zero or detect more than zero, and the test method of external hardware circuit is more complex, high cost. So, in this paper, the least square method because of its low cost, wide use, high reliability and is widely used. The main met

6、hod is, in a single cycle of two signals 2 n sampling points,After the discretization of the signal multiplied by fast Fourier change into the dc signal, finally the phase difference of two sine signals is calculated.Keywords: least squares method, fast Fourier transform第一章 緒論1.1 測量相位差的作用和意義信號的相位差測量

7、在電力系統(tǒng)、工業(yè)自動化、功率因素測量、諧波分析等許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。相位差是工業(yè)領(lǐng)域經(jīng)常需要測量的一個參數(shù)，它是信號分析的基本任務(wù)，在實(shí)際工作中，經(jīng)常需要測量兩個同頻信號之間的相位差，來解決實(shí)踐中的各種問題。相位差測量與傳統(tǒng)電壓、電流信號、溫度量測量不同。首先，相位差依附于電壓、電流信號中，如何消除電壓、電流、頻率變化對相差測量的影響是相差測量中很重要的一個方面；其次，相差是一個比較量，測量兩路信號之間的相差不但需要保證兩路信號的頻率相同，而且需要排除信號幅值不同等其他因素造成的影響，所以如何準(zhǔn)確可靠得測量相差是一個值得研究的課題。在實(shí)際工作中，通常需要測量兩個同頻信號的相位差來解決實(shí)際

8、問題。例如電網(wǎng)合閘時，需要保證兩電網(wǎng)電信號的相位相同，這時需要精確測量兩工頻信號之間的相位差，如果兩信號之間的相差不相同，就會有很大的沖擊電流流過電網(wǎng)，會對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的破壞，所以必須精確測量出兩信號之間的相位差。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，由數(shù)字電路組成的控制系統(tǒng)已經(jīng)變成現(xiàn)代檢測技術(shù)的主流，人們對數(shù)字測量系統(tǒng)也越來越重視。相差的數(shù)字測量采用液晶屏顯示，精度高，穩(wěn)定性好，讀數(shù)方便，所以，相位差的數(shù)字化測量有應(yīng)用前景很廣泛。1.2 相位差測量的研究現(xiàn)狀隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，相位測量技術(shù)的發(fā)展也非常迅速，尤其在電氣、電力電子技術(shù)方面得到了極大的重視和發(fā)展。目前，相位測量技術(shù)已比較完善，測量方

9、法及理論也比較成熟，相位測量儀已商品化和系列化，廣泛應(yīng)用于測量RC、LC網(wǎng)絡(luò)、放大器相頻特性以及依靠信號相位傳遞信息等方面的電子設(shè)備?，F(xiàn)代相位測量技術(shù)的可分為三個階段第一階段是在早期采用的如李妙育法、阻抗法、和差法、三電壓法等，這些測量方法通常采用對比法和平衡法，雖然方法簡單，但測量精度較低；第二階段是利用數(shù)字專用電路、微處理器等來構(gòu)成測試系統(tǒng)，使測量精度得以大大提高；第三階段是充分利用計(jì)算機(jī)及智能化測量技術(shù)，從而大大簡化程序設(shè)計(jì)，增強(qiáng)功能，使得響應(yīng)的產(chǎn)品精度高、功能更全。同時，各種新的算法、測量手段和新的設(shè)計(jì)方法及器件也隨之出現(xiàn)。目前，國內(nèi)外提出了許多改進(jìn)的高精確度的相位差測量方法，主要包括

10、有：（1） 采用專用的數(shù)字處理芯片，利用正余弦表格及快速傅立葉變換方法來計(jì)算相位差，可大大提高測量精度。（2） 采用新器件及設(shè)計(jì)方法來提高相差測量精度及展寬頻帶。、（3） 采用新的算法來改進(jìn)相差測量（4） 采用高精度相位測量設(shè)備，通過相位輸出信號，利用橋路與輸入信號相位進(jìn)行比較，從而測出相位差?；诓煌⑻幚硇酒惨验_發(fā)了許多不同的相位計(jì)，常見的有以下幾種：（1） 基于FPGA/CPLD的相差測量。其優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行功能仿真，而且FPGA和CPLD的片內(nèi)資源豐富，設(shè)計(jì)的流程簡單，缺點(diǎn)是開發(fā)成本高。（2） 基于單片機(jī)控制的相位差測量設(shè)備。該方法硬件上需要用到過零檢測及異或電路，將兩路輸入信號的相位

11、差轉(zhuǎn)換成方波，再利用單片機(jī)測出該方波的占空比，并最終換算出電壓。（3） 基于DSP技術(shù)的相位計(jì)。相位檢測系統(tǒng)主要由前置放大電路實(shí)現(xiàn)將被測信號（無論是電壓還是電流）衰減為5V以內(nèi)交流電壓信號；由電壓跟隨器將前后級電路進(jìn)行隔離，以保證測量系統(tǒng)不吸收被測信號源的能量，保證信號源的工作狀態(tài)不被改變。（4） 基于PLD和PLL的相位計(jì)。該數(shù)字式相位差測量儀以可編程邏輯PLD和鎖相環(huán)PLL倍頻電路為核心，實(shí)現(xiàn)兩列信號相位差的自動測量。在相位/頻率測量技術(shù)領(lǐng)域，美國一直處于遙遙領(lǐng)先的地位，主要的公司有Agilent（安捷倫）、Tektronix（泰克）、ADYU公司、DRANETZ實(shí)驗(yàn)室。此外，俄羅斯，英國

12、以及德國在此領(lǐng)域也具有較高水平。國外的主要產(chǎn)品有美國安捷倫構(gòu)思的53131IA型通用計(jì)數(shù)器，該產(chǎn)品提供10秒/位的頻率/周期分辨率和225MHz帶寬，測量結(jié)果范圍是1ns10000s，時間分辨率為500ps，測相范圍為-180°360°，測量頻率高達(dá)12.4GHz。標(biāo)準(zhǔn)測量包括相位、頻率、周期、時間間隔和上升/下降時間等。英國Avpower公司的高精度相位計(jì)SD1000：具有自動設(shè)置量程的功能，測量頻率范圍高達(dá)700KHz，允許輸入頻率高達(dá)100GHz，相位分辨率高達(dá)0.001，相位測量范圍為-180°180°，在相位測量精度方面，低頻精度為±

13、0.0020，高頻精度為±0.20，微波為±0.10。該產(chǎn)品被公認(rèn)為是目前等級最高的相位計(jì)，輸入信號幅值得范圍為1mV350V。通過調(diào)研，目前國外商品化的通用相位計(jì)的水平低頻段達(dá)1xHz數(shù)量級。國內(nèi)相位計(jì)領(lǐng)域起步較晚，相位測量技術(shù)的研究開始于70年代，早期研究相位測量的單位和技術(shù)人員很少，國內(nèi)主要有天津中環(huán)電子生產(chǎn)商品化相位計(jì)，相位計(jì)量機(jī)構(gòu)是中國計(jì)量科學(xué)研究院和國防科工委，產(chǎn)品主要測量工頻信號。目前，國內(nèi)相位計(jì)產(chǎn)品領(lǐng)域發(fā)展迅速，如深圳創(chuàng)新儀器儀表SP312B系列等精度通用計(jì)數(shù)器/相位計(jì)，它以高性能的AVR單片機(jī)與CPLD為核心，測頻分辨率8位/秒，可測周期范圍10ns700

14、0s，測時范圍40ns7000s，相位測量范圍0°360°，測相精度0.05°，測量功能與Agilent 53131A型計(jì)數(shù)器基本相同，但測量指標(biāo)略低。此外還有天津中環(huán)科儀電子儀器公司HG4180型數(shù)字相位計(jì)，其特點(diǎn)包括：頻率范圍覆蓋范圍廣、測量精度高、不但能測量相位，而且能測量頻率、在全部頻率范圍內(nèi)都能直接得到五位有效數(shù)字的頻率讀數(shù)、具有IEE488借口選件，主要用于工業(yè)測量領(lǐng)域?？傮w來說，我國相位測量技術(shù)與國外相比還有較大的差距，主要體現(xiàn)在產(chǎn)品種類少，配套產(chǎn)品少、產(chǎn)品測試功能單一、儀器精度、數(shù)字化和自動化程度較低，相位計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)不完備。因此對高精度相位測量算法的

15、研究和相位計(jì)產(chǎn)品化設(shè)計(jì)刻不容緩。1.3本課題研究的主要內(nèi)容當(dāng)需要測量大功率，高壓信號之間的相位差時，通常需要通過放大器或者變壓器先將大功率、高壓信號轉(zhuǎn)換成小功率、低壓信號才能輸入到檢測設(shè)備進(jìn)行相位差進(jìn)行測量。但現(xiàn)實(shí)中的器件往往與理論上有一些差距。受到器件的非線性、環(huán)境因素的影響，變換后的信信號總會出現(xiàn)或大或小的失真，在信號過零點(diǎn)出現(xiàn)震蕩。這樣，通過過零檢測的方法根本無法檢測相位差。這就需要有一種新的方法來進(jìn)行相位差測量。本設(shè)計(jì)主要是研究如何利用最小二乘法和快速傅立葉變換算法來測量相位差。通過對兩路信號在一個周期內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)的采樣，在將采樣后的兩路信號相乘，通過快速傅立葉變換算法計(jì)算出相乘后的信號中

16、的直流分量的大小。因?yàn)樵撝绷鞣至康拇笮H與兩路信號的幅值及其相位差有關(guān)系，所以可以在通過公式計(jì)算出相位差。應(yīng)用這種測量方法，不僅提高了測量精度，節(jié)省了硬件成本，而且可以允許變換后的輸入信號有一定程度的失真。第一章：最小二乘法以及快速傅里葉變換簡介1.1：最小二乘法簡介對于兩個相位差為的正弦信號和，利用積化和差公式可得不難看出，合成的信號中包含了二次諧波和直流分量，且直流分量的大小僅和兩信號的相位差和幅值有關(guān)系，也就是說，只要能求出該直流分量以及兩個信號幅值的大小，相位差也就可以計(jì)算出來了。1.2：傅里葉級數(shù)簡介對于任意滿足狄里赫利收斂條件（即周期函數(shù)的極值點(diǎn)數(shù)目為有限個，間斷點(diǎn)的數(shù)目為有限個，

17、且在一個周期內(nèi)絕對可積）的周期函數(shù)，必定可以展開成一個收斂的傅里葉級數(shù)，其形、式為： 由歐拉公式1.2.6可以得出利用定積分換元可得 再對該積分離散化得 也就是說，每計(jì)算一次諧波大小，需要進(jìn)行N次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算和N-1次復(fù)數(shù)加法運(yùn)算，那么，計(jì)算N次諧波的大小則需要N2次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算和N*（N-1)次復(fù)數(shù)加法運(yùn)算，如果采樣點(diǎn)數(shù)非常密集，運(yùn)算需要大量的時間，對于一些實(shí)時性要求比較的高的場合，顯然是不能滿足其要求的。1.3 快速傅里葉變換原理介紹1965年，J.W.庫和T.W.圖共同提出了快速傅里葉變換。早期時應(yīng)用比較廣泛的是基二的快速傅里葉變換，后來，因?yàn)閼?yīng)用場合的要求，又相繼提出了基四和基八的快速

18、傅里葉變換算法，在此，主要介紹基二的快速傅里葉變換。對于一個N（N=2n）點(diǎn)采樣的信號，我們將其的離散序列 分成奇偶兩組，并且令 ，則k次諧波的大小可表示為利用旋轉(zhuǎn)因子的對稱性和周期性可得： 再根據(jù)旋轉(zhuǎn)因子的對稱性可得：至此，一個N點(diǎn)的離散傅里葉變換就被分解成了兩個點(diǎn)的離散傅里葉變換（DFT），依此類推，兩個點(diǎn)的DFT變換可以分解成四個點(diǎn)的DFT變換，最終可以分解成個兩點(diǎn)的DFT變換。由公式可知，對于兩點(diǎn)的DFT變換 我們把這樣一個兩點(diǎn)的DFT運(yùn)算稱為蝶形變換，一個蝶形變換需要消耗4次復(fù)數(shù)乘法和2次復(fù)數(shù)加減。對于一個N點(diǎn)的離散傅里葉變換，蝶形結(jié)深度為,而每一級有個蝶形結(jié)。所以，一個N點(diǎn)的離散傅

19、里葉變換化簡成基2的快速傅里葉變換后就是*個蝶形結(jié)的計(jì)算，最終也就是2*N*次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算和N*次復(fù)數(shù)加減法運(yùn)算。以1024點(diǎn)的傅里葉變換為例，DFT算法需要消耗=1048576次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算，需要消耗次復(fù)數(shù)加減法運(yùn)算。而FFT算法僅消耗20480次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算和10240次復(fù)數(shù)加減法運(yùn)算，因此，運(yùn)算速度得到很大的提高。正常順序二進(jìn)制十進(jìn)制位倒序后二進(jìn)制十進(jìn)制0000000000111004010201020113110610040011101510151106011311171117在把一個N點(diǎn)的DFT變換化簡成個2點(diǎn)的DFT變換的過程中，因?yàn)榭偸遣粩嗟匕岩粋€表1 8點(diǎn)FFT算法位倒敘前后的

20、順序變化采樣序列按奇偶項(xiàng)分成兩個序列，所以離散采樣點(diǎn)順序已經(jīng)不是原來的排序了，例如8點(diǎn)的DFT變換后的序列應(yīng)該是 0 4 2 6 1 5 3 7，這個排列看起來似乎很亂，沒有什么規(guī)律，但是我們把他寫成二進(jìn)制的形式，其規(guī)律也就一目了然了，通過雷德算法可以得到位倒敘后的正確排序。第二章：軟件設(shè)計(jì)2.1 主程序流程圖對AD采樣信號進(jìn)行冒泡排序，計(jì)算正弦信號幅值及被抬高的電壓值并對信號還原對兩路信號進(jìn)行乘法運(yùn)算AD,定時器，12864初始化AD采樣完成了？ 開始雷德算法對信號序列進(jìn)行位倒序FFT算法分解出直流分量根據(jù)直流分量大小計(jì)算出相位差 送屏幕顯示圖1 主程序流程圖2.2位倒序算法實(shí)現(xiàn)由表1可以看

21、出，按自然順序排列的二進(jìn)制數(shù)，其下面一個數(shù)總是比上面一個數(shù)大1，下面一個數(shù)是上面一個數(shù)最低位加1并向高位進(jìn)位得到的。而位倒序數(shù)的下面一個數(shù)是上面一個數(shù)最高位加1并向低位進(jìn)位得到的。若已知某個位倒序數(shù)J，要求其下一個位倒序數(shù)，應(yīng)判斷J的最高位是否為1，可以與比較。若，則J的最高位為0，只需要將該位變成1即可。若,則J的最高位為1，將該位變?yōu)?，并判斷次高位（與比較），若位0則置1，若位則繼續(xù)與比較，以此類推，其C語言函數(shù)原型為void leide(struct compx *value,int num)，形參struct compx *value為結(jié)構(gòu)體指針，用于傳入待進(jìn)行倒序運(yùn)算的復(fù)數(shù)序列，形

22、參int num用于傳入待排序的復(fù)數(shù)的個數(shù)。2.3 冒泡排序法實(shí)現(xiàn)冒泡排序法（Bubble sort）是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域比較簡單的一種排序方法，它重復(fù)走訪要排列的序列，一次比較兩個序列，如果它們順序錯誤，就把它們交換過來，走訪數(shù)列的工作重復(fù)進(jìn)行，直到?jīng)]有可以交換的序列為止，也就是說該數(shù)列已經(jīng)排序完成，其C語言函數(shù)原型為void Bubble(int *value,uint num)，形參int *value是待排序的整數(shù)序列，uint num是待排序的整數(shù)個數(shù)。2.4 FFT算法的實(shí)現(xiàn)計(jì)算下一個蝶形結(jié)改變旋轉(zhuǎn)因子計(jì)算蝶形結(jié)級數(shù)級蝶形結(jié)都計(jì)算完了？計(jì)算旋轉(zhuǎn)因子相同的蝶形結(jié)之間的距離計(jì)算同一蝶形結(jié)中

23、兩個運(yùn)算數(shù)據(jù)之間的距離給旋轉(zhuǎn)因子賦初值旋轉(zhuǎn)因子相同的蝶形結(jié)運(yùn)算完了？ 結(jié)束圖2 FFT算法程序流程圖 開始FFT算法C語言函數(shù)原型為void FFT(struct compx *value,int num)，形參struct compx *value是結(jié)構(gòu)體指針，用來傳入待進(jìn)行FFT運(yùn)算的復(fù)數(shù)序列，形參int num用來傳入待運(yùn)算的復(fù)數(shù)的個數(shù)。2.5 AD采樣的使用STC12C5A60S2系列帶AD轉(zhuǎn)換的單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換口在P1口（P1.0P1.7），有8路十位高速AD，速度可達(dá)250KHZ（25萬次每秒）。八路電壓輸入型AD，可做溫度檢測，鍵盤掃描，頻譜檢測等。上電復(fù)位后P1口為弱上拉型I/

24、O口，用戶還可以通過軟件設(shè)置將任何一路設(shè)置為AD轉(zhuǎn)換，不需作為AD轉(zhuǎn)換的口可繼續(xù)做IO口使用。STC12C5A60S2系列單片機(jī)的AD是逐次比較型AD。逐次比較型AD由一個比較器和DA轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過逐次比較邏輯，從最高位（MSB)開始，順序得對每一輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出作比較，通過多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字逐次逼近輸入模擬量與對應(yīng)值，逐次比較型AD具有速度高，功耗低的優(yōu)點(diǎn)。首先，模擬信號要輸入到AD必須要有AD輸入通道，所以先要把復(fù)用IO口P1設(shè)置為AD輸入，通過對P1ASF寄存器器操作可以實(shí)現(xiàn)，需要將P1口的哪一位設(shè)置為AD輸入，則將P1ASF的該位置一。例如：要將P1.0作為AD輸

25、入，其他的作為普通IO口，則將P1ASF設(shè)置為0X01。接下來，模擬信號輸入到AD通道以后，要使用AD模塊對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但是AD模塊只有一個，所以同一時刻只能選擇一個通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此啟動AD轉(zhuǎn)換之前還必須告訴AD當(dāng)前要對哪一個通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。此外，在啟動轉(zhuǎn)換之前還要告訴AD模塊基準(zhǔn)電壓是多少，轉(zhuǎn)換速率是多少，以及轉(zhuǎn)換精度是多少位，這些都設(shè)置完成以后就可以啟動AD轉(zhuǎn)換了。 知道了使用AD模塊需要做的相應(yīng)的配置，接下來就是具體如何實(shí)現(xiàn)這些配置了。首先，通過CH0:CH2可以選擇AD轉(zhuǎn)換的通道。例如：當(dāng)CH0：CH2=000是即選擇通道0。AD模塊的電源只能用5V的單片機(jī)電源，無法選擇，通過對ADC

26、_POWER置一可以給AD模塊上電，AD轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓就是5V，當(dāng)不進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換時，為了省電，要斷掉AD模塊的電源。通過SPEED0和SPEED1兩位可以設(shè)置AD的轉(zhuǎn)換速率，分別可以設(shè)置成90,180，360,540個時鐘周期（AD的時鐘基準(zhǔn)信號就是單片機(jī)的時鐘基準(zhǔn)信號）。AD的轉(zhuǎn)換精度可配置成10位或者8位，默認(rèn)為 10位，8位轉(zhuǎn)換精度太低，所以我們直接使用默認(rèn)的10位精度，增加兩位精度對轉(zhuǎn)換速率影響并不大。最后，將ADC_START置一就可以啟動AD轉(zhuǎn)換了。最后，通過查看ADC_FLAG就可以知道AD轉(zhuǎn)換是否完成了，當(dāng)ADC-FLAG=1時說明AD轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，可以讀取數(shù)據(jù)了。 ADC轉(zhuǎn)換

27、完成后，十位的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果從低到高分別存放在ADC_RESL的低2位和ADC_RES中，通過公式可以得到十位的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，最后，再通過公式：可以計(jì)算出當(dāng)前采樣信號的電壓值。圖3 ADC轉(zhuǎn)換模塊的構(gòu)成示意圖2.6 定時器的使用STC12C5A60S2單片機(jī)與89C51單片機(jī)的定時器類似，不同的是它的定時器時鐘信號可以是是單片機(jī)的震蕩周期，也可以是其12分頻（與普通的89C51單片機(jī)相同），在本設(shè)計(jì)中采用定時器0，使其工作在方式1,時鐘信號為震蕩周期的12分頻。因?yàn)榇郎y的正弦信號的頻率為50HZ，所以周期為20MS，要再一個周期內(nèi)完成32次采樣，所以采樣的時間間隔為625uS,所以定時器計(jì)數(shù)

28、器的初值為625，初始化完成后，啟動定時器，在定時器的中斷服務(wù)程序中進(jìn)行AD采樣，就可以在每個周期內(nèi)對信號進(jìn)行等時間間隔的32點(diǎn)采樣。2.7 12864液晶的使用方法首先，通過RS,RW這兩個引腳的電平，12864可以知道當(dāng)前寫入的是數(shù)據(jù)還是指令。當(dāng)RS=0，RW=0時，12864認(rèn)為當(dāng)前寫入的是指令。當(dāng)RS=1，RW=0時，12864認(rèn)為當(dāng)前寫入的是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)寫入以后，通過IO口操作，在EN引腳產(chǎn)生一個上升沿來告訴12864數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)出，讓12864采樣當(dāng)前接口的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，之前的這些操作都是在12864為空閑的情況下才可以操作的，通過讀取12864接口的最高位的電平就可以判斷當(dāng)前12864

29、當(dāng)前是否為空閑。當(dāng)RS=0，RW=1時，讀取12864當(dāng)前數(shù)據(jù)接口的值，然后在判斷其最高位的值就可以知道12864的狀態(tài)了。將寫數(shù)據(jù)和寫指令這兩個功能進(jìn)行封裝，得到數(shù)據(jù)寫和指令寫的函數(shù)，函數(shù)原型為void lcd_wcmd(uchar cmd)（寫命令函數(shù)）void lcd_wdat(uchar dat)（寫數(shù)據(jù)函數(shù)）按一定的順序發(fā)送幾個不同的指令以后可以完成對12864的初始化操作，將該操作封裝好，得到函數(shù)原型為void lcd12864_init()最后，要搞清楚漢字區(qū)在屏幕上的分布情況，再寫入要操作的區(qū)域的坐標(biāo)，最后寫入要顯示的字符的ASCII值或者漢字的編碼值就可以了，例如，要在第一行

30、第二列顯示一個漢字，只要先寫入指令81H，再寫入該漢字的對應(yīng)的編碼值即可。通過一定的算法，可以將在屏幕的固定區(qū)域?qū)懭胱址蛯懭胱址@兩個功能封裝，得到兩個函數(shù)原型如下：void display_12864(uchar x,uchar y,uchar *str)void dischar_12864(uchar x,uchar y,uchar zifu)圖4 12864液晶屏漢字區(qū)分布示意圖2.8 軟件設(shè)計(jì)部分總結(jié)可移植性一直是評價程序好壞的一個很重要的標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)目所用到的三個算法全部由個人完成，在算法復(fù)雜度盡可能低的情況下，把算法的可移植性做好。由于算法部分不涉及任何硬件，所以這三個算法可以在

31、任何MCU上運(yùn)行，只需要修改相應(yīng)的形參即可。這三種算法也是數(shù)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(shù)也為以后項(xiàng)目中調(diào)用該算法提供了方便.第三章：硬件電路設(shè)計(jì)3.1 移相電路的設(shè)計(jì)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(diào)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(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值可以調(diào)節(jié)相位差的大小，這樣就可以得到兩路相差可調(diào)的正弦信號了，電路圖如下所示： 3.2 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(yōu)點(diǎn)，通常用作前后級電路的隔離。電壓跟隨器可以采用集成

32、運(yùn)放，也可以采用三極管構(gòu)成的共集放大電路，考慮到現(xiàn)在的集成運(yùn)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(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器具有更高的穩(wěn)定性，所以在本設(shè)計(jì)中采用了集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器作為移相電路和加法電路的隔離電路。3.3 加法器模塊3.3.1 OP07簡介OP07是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)0的雙極性集成運(yùn)算放大器，由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)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(diào)0電路，OP07的輸入電阻非常大，且開環(huán)增益高，其輸入偏置電流通常為2nA,所以O(shè)P07常用于高增益測量設(shè)備或者放大傳感器的微弱信號。OP07是雙電源供電，

33、電源電壓范圍為，電源電壓越大，集成運(yùn)放的線性區(qū)就越寬，所以可以根據(jù)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0-5V，則電源電壓一定要大于5V，否則，當(dāng)輸入信號過大，輸出電路的晶體管由放大區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)，集成運(yùn)放就由線性區(qū)進(jìn)入到非線性區(qū)，輸出電壓等于電源電壓，不在具有放大功能。3.3.2 實(shí)用電路設(shè)計(jì)由于STC12C5A60S2單片機(jī)的片內(nèi)AD只能測0-5V的模擬信號，所以如果直接把信號接到單片機(jī)的AD輸入通道上，信號負(fù)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(jī)AD進(jìn)行采樣，最

34、終結(jié)果在減去直流信號。這樣就可以把交流模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號了。加法器采用同相加法運(yùn)算電路，通過反饋電阻R10和R11引入深度負(fù)反饋，使得運(yùn)放工作在線性區(qū)。當(dāng)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時，其輸入端具有虛短和虛斷效應(yīng)。通過集成運(yùn)放的虛短和虛斷效應(yīng)可以推導(dǎo)出輸出信號與輸入信號的關(guān)系為 其中, ,將圖中數(shù)據(jù)帶入公式可得圖6 加法器電路圖3.4 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(wěn)壓模塊構(gòu)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(wěn)壓芯片輸出穩(wěn)定的電壓信號。3.4.1

35、 變壓器簡介變壓器也可以稱之為靜態(tài)電機(jī)，就是通過磁場來耦合前后級電路，通過電磁場來進(jìn)行能量傳遞。當(dāng)在變壓器的一次側(cè)加交流電壓U1，交變的電流流過線圈后，在鐵芯內(nèi)產(chǎn)生交變的磁場，該磁場與二次側(cè)線圈交鏈，在二次側(cè)感應(yīng)出電動勢，這樣一次側(cè)的能量就通過磁場傳遞到了二次側(cè)。假設(shè)一次側(cè)線圈匝數(shù)為N1，二次側(cè)線圈匝數(shù)為N2，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，一次側(cè)電壓為，二次側(cè)感應(yīng)電動勢為，所以一二次側(cè)電壓比。3.4.2 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，D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，電流由TR次級上端經(jīng)D1 RL D3回到TR 次級下端，在負(fù)載RL上得到一

36、半波整流電壓。  在u2的負(fù)半周，D1、D3截止，D2、D4導(dǎo)通，電流由Tr次級的下端經(jīng)D2 RL D4 回到Tr次級上端，在負(fù)載RL 上得到另一半波整流電壓。 這樣就在負(fù)載RL上得到一個與全波整流相同的電壓波形，其電流的計(jì)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(jié)論本文討論了一種全新的相位差檢測的算法，相對于傳統(tǒng)的過零檢測方法具有很多優(yōu)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(fù)雜，本設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)了

37、0-90º的相位差測量，測量精度精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位。在此基礎(chǔ)上，利用STC12C5A60S2單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)方案，結(jié)果表明：本設(shè)計(jì)方案對硬件設(shè)計(jì)要求很高，因?yàn)锳D模塊不能采樣到低于0的電壓，而交流信號必定會存在負(fù)半波，為了能對信號整個周期進(jìn)行采樣，必須通過硬件電路對信號進(jìn)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?yàn)榧蛇\(yùn)放的溫飄和零飄是的信號產(chǎn)生較大的失真，會導(dǎo)致相差檢測波動較大32點(diǎn)的FFT運(yùn)算的精度過低，也會導(dǎo)致相差測量精度不高，在本設(shè)計(jì)中為了節(jié)省成本，采用了價格較低的STC單片機(jī)，由于收到內(nèi)存的限制，最大只能運(yùn)行32點(diǎn)的FFT運(yùn)算，所以相差測量精度很

38、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(kuò)展存儲器，采用128或者256點(diǎn)的FFT運(yùn)算，可以大大提高相位差測量的精度。由于時間倉促，本設(shè)計(jì)還有很多的不足之處，測量精度也不高且波動較大。硬件穩(wěn)定性和算法精度都有待改進(jìn)，在今后的設(shè)計(jì)中可以從這兩個方面進(jìn)行改進(jìn)。參考文獻(xiàn)（Reference)1 譚浩強(qiáng). C 程序設(shè)計(jì)（第二版）M.北京： 清華大學(xué)出版社.20042 童詩白、華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）M.北京： 高等教育出版社. 20063 邱關(guān)源、羅先覺.電路（第五版）M.北京：高等教育出版社. 20064 趙金利、肖興達(dá).單片機(jī)原理及應(yīng)用教程（第二版）M.北京：機(jī)械

39、工業(yè)出版社. 20075 鄧新蒲、盧啟中、孫仲康.數(shù)字式相位差測量方法及精度分析 E. 國防科技大學(xué)學(xué)報.20026 胡文軍、李震梅、饒明忠.基于虛擬儀器的電網(wǎng)信號相位差測量研究B.山東理工大學(xué)學(xué)報.20037 王兆華等.基于全相位譜分析的相位測量原理及其應(yīng)用 J.數(shù)據(jù)處理與采集.2009年第六期8 王兆華等.基于FFT的相位差測量及虛擬相位計(jì)的實(shí)現(xiàn).J.電子測試.2008年第九期9 曹海翔等.利用小波變換抑制數(shù)字相位測量中的噪聲.J.電工電能新技術(shù).1999年第二期10 丁玉美、高西全.數(shù)字信號處理M.西安電子科技大學(xué)出版社.2004年附錄：一：源程序1 AD.H文件#include <

40、;intrins.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define ADC_POWER 0x80 /ADC電源控制位#define ADC_FLAG 0x10 /ADC完成標(biāo)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(uin

41、t n) uint x; while (n-) x = 5000; while (x-); void InitADC() P1ASF = 0xff; /設(shè)置P1口為AD口 ADC_RES = 0; /清除結(jié)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_(); _n

42、op_(); _nop_(); while (!(ADC_CONTR & ADC_FLAG);/等待ADC轉(zhuǎn)換完成 ADC_CONTR &= ADC_FLAG; /Close ADC adcresult=ADC_RES*4+(ADC_RESL&0x03); /返回ADC結(jié)果return adcresult;2:12864.C文件#include "lcd12864.h"void delay5us(uchar n)uint x;while(n-) x=0; while(x-); /*/* */* 延時函數(shù) */* */*/void delayms_12

43、864(uint n) uint x; while(n-) x=628; while(x-); /*/* */*檢查LCD忙狀態(tài) */*lcd_busy為1時，忙，等待。lcd-busy為0時,閑，可寫指令與數(shù)據(jù)。 */* */*/bit lcd_busy() bit result; LCD_RS = 0; LCD_RW = 1; LCD_EN = 1; / NOP(); delay5us(12); result = (bit)(P0&0x80); LCD_EN = 0; return(result); /*/* */*寫指令數(shù)據(jù)到LCD */*RS=L，RW=L，E=高脈沖，D0-D

44、7=指令碼。 */* */*/void lcd_wcmd(uchar cmd) while(lcd_busy(); LCD_RS = 0; LCD_RW = 0; LCD_EN = 0; _nop_(); _nop_(); P0 = cmd; delay5us(12); /NOP(); LCD_EN = 1; /NOP(); delay5us(12); LCD_EN = 0; /*/* */*寫顯示數(shù)據(jù)到LCD */*RS=H，RW=L，E=高脈沖，D0-D7=數(shù)據(jù)。 */* */*/void lcd_wdat(uchar dat) while(lcd_busy(); LCD_RS = 1; LCD_RW = 0; LCD_EN = 0; P0 = dat; /NOP(); delay5us(12); LCD_EN = 1; /NOP(); delay5us(12); LCD_EN = 0; /*/* */*