论文总字数：19496字

摘 要

我们的社会实际之中，往往要对各种如放大器，频率特性器，滤波器等器件进行频率特性的研究，即输入/输出信号幅频特性和相位差之间的相频特性的关系。特别是传输与处理图像信号，还有多个信号的接收等科研项目中，研究系统（或者网络）相频响应特性和其他领域相比显的更加重要。如何精确测量相位差已经成为科研中的重要研究对象。我们有非常多的测量相位差的方法，其中主要包括：通过示波器检测；时间间隔与相位差转换，首先测量时间，然后将时间间隔转换成相位差；转换为电压的相位差，先测量电压，然后转换成相位差等方法。

本设计提出了一种低频数字式相位测量仪89C52的设计开发。本系统以AT89C52单片机为控制核心，由数字式相位测试仪等独立模块组成，对于20Hz~20kHz的频率范围内的信号频率和相位等参数进行精确的测量；使用LCD液晶显示屏进行显示测量信号的相位差，按键操作的功能也十分便捷。与传统的系统相比，它具有快速，稳定的优点，并且性价比非常高，能很好地适应社会的需求。

关键词：相位测量仪；单片机；AT89C52控制核心；LCD液晶显示

Abstract

Our social reality, often have to of all kinds, such as amplifier, frequency characteristics, filter and device frequency characteristics of the research, that is, the input / output signal amplitude frequency characteristic and phase difference between the phase frequency characteristics. Especially the transmission and processing of image signal, and multiple signals receiving research projects and research system (or network) phase frequency response characteristics and other areas compared to appear more important. How to accurately measure the phase difference has become an important research object in scientific research. We have a lot of phase difference measurement method, which mainly include: detected by oscilloscope; time interval and convert the phase difference, first time measurement, and then time interval translates into a phase difference; conversion voltage phase difference is, to measure the voltage and then converted into phase difference method.

The design and development of a low frequency digital phase measuring instrument based on the design of 89C52. The system AT89C52 as the control core, composed of digital phase measuring instrument, such as an independent module, to 20Hz ~ 20kHz frequency range of signal frequency and phase parameters for precise measurement. With LCD display signal measurement of phase difference, according to the function key operation is also very convenient. Compared with the traditional system, it has fast, the advantages of stability, and the price is very high, can well adapt to the social demand.

Keywords： Phase measuring instrument；SCM；AT89C52；LCD

目 录

摘 要 III

Abstract IV

目 录 V

第1章 绪 言 1

1.1 课题研究内容 1

1.1.1 基本要求 1

1.1.2 设计要求 1

1.1.3 文档要求 1

1.1.4 成果要求 1

1.1.5 技术指标 1

1.2 相位测量 1

第2章 系统设计方案与论证 3

2.1 系统设计方案 3

2.2 系统框图 3

第3章 硬件设计 5

3.1 LCD液晶显示电路的设计 5

3.2 主控电路的设计 6

3.2.1 AT89C52单片机 7

3.2.2 晶振电路的设计 7

3.2.3 复位电路的设计 7

3.3 时差检测电路的设计 8

3.3.1 自动量程控制电路的设计 8

3.3.2 继电器驱动电路的设计 9

3.3.3 蜂鸣器超限报警电路 10

3.4 相位测量电路的设计 10

3.4.1 AD0832数模转换 10

3.4.2 相位测量电路的设计 11

3.5 稳压电源电路的设计 12

第4章 系统软件程序设计 13

4.1 软件总体设计及框架 13

4.2 外部中断模块 13

4.3 显示模块 16

4.4 延时模块 17

第5章 实验调试 18

5.1 仿真原理图 18

5.2 仿真图的调试 18

5.3 误差分析 22

第6章 总结与展望 23

致 谢 24

附 录 27

第1章 绪 言

1.1 课题研究内容

1.1.1 基本要求

课题简介与成果要求：

基于AT89C52单片机相位测量仪的控制设计，可以实现相位测量。

基本要求：

A. 以AT89C52为控制核心。

B. 可测两路信号频率范围：20Hz~20kHz。

C. 可测的信号相位差在0～360度范围内。

D. 测量精度可达0.2度。

E. 对同频不同相的两路信号通过过零比较器电路整形出矩形波信号。

F. 具有数字显示的功能，可在LCD液晶屏上显示出测量结果。

1.1.2 设计要求

1. 掌握相位测试的原理及方法。
2. 掌握MCS51单片 机技术及编程方法。
3. 掌握测试误差的分析及计算。
4. 学会利用单片机开发软件实现电路设计与仿真。

1.1.3 文档要求

3000汉字的英文翻译并附原文；

开题报告一份，总字数不少于3000汉字；

毕业设计报告（论文）一份，字数不少于10000汉字，要求符合规范化格式。

毕业设计业务总结一份（进入学生档案）；

实物成果（如：图纸、软硬件、产品等）的规格与数量或性能指标要求

1.1.4 成果要求

1)、电路的系统结构图

2)、基于PROTEL 设计的电路原理图

3)、基于单片机开发装置实现电路原理图

4)、基于MULTISIM和PROTUSE的各种仿真结果

1.1.5 技术指标

1)待测信号频率20Hz-20kHz

2)可测的信号相位差在0～360度范围内，测量精度可达0.2度。

3)在液晶上显示出测量结果。

4)设计满足本设计任务要求的稳压电源系统。

1.2 相位测量

相位的测量通常采取两种方式：相位/电压法；相位/频率法。我们采用后者实现。经过放大整形后的和信号同时送给FPGA两路信号通过“ 异或门 ”获得相位差信号，如图1.1所示，在一个周期内产生两个脉冲信号，在输入波形没有零点漂移的情况下，由于这两个脉冲宽度相等，因此可只检测其中一个脉冲宽度，通过计数法得到脉冲宽度值，再除以周期计数值，即可得到相位差值。但是，当信号存在零点漂移时，就会使正弦波整形后的方波占空比发生变化，从而使两个“异或”脉冲宽度不等，这样，采用前述方式就会产生很大误差。

图1.1 超前时的波形 图1.2 滞后时的波形

经分析，零点漂移并不影响在一个周期内“异或”出来的两个波形的总宽度，采用取相邻 “异或”正脉冲总宽度平均值的方法，即可消除零点漂移所引起的误差。令两个“异或”正脉冲的总宽度的计数值为 ，信号周期计数值为，相位差值为，频率为。FPGA的主频为40MHZ ，计数周期为25ns 。有公式：

测量相位时由单片机发出测量启动信号。FPGA收到启动信号后，开始对启动信号之后的第一个完整的信号周期和相位差“异或”的两个高脉冲进行分别计数，在计数结束时，FPGA自动停止计数，同时产生两个中断信号，单片机收到中断信号后。通过地址线和读信号分别读取FPGA中的相位差和频率计数值，并通过式（1.1）和式（1.2）进行计算，然后分别显示出计算结果。

第2章 系统设计方案与论证

下面介绍的低频数字式相位测量系统是功能强大的FPGA和89C52单片机为核心设计而成的。它主要由两部分构成：数字式移相信号发生器和相位测量仪。数字式移相信号发生器是用单片机实现频率、相位参数的设定和显示，用FPGA实现波形数据输出并由DAC生成正弦波形的。数字式相位测量同样采用单片机和FPGA相结合的方案，通过相位/频率转换，由FPGA生成数据，并送单片机系统显示出被测频率及相位。^[1]

2.1 系统设计方案

(1) 采用AT89C52芯片为控制核心的方案，充分利用单片机灵活的系统控制管理功能及良好的人机交互界面实现频率、相位的设定及显示，而FPGA 高速的逻辑控制又为实现高精度的采样及测量（包括测量相位、频率）奠定了基础，这样就充分发挥各自的优势更好地完成系统的功能。

(2) 其测量原理是被测频率信号首先经过输入通道进行放大整形，然后送至测量频率，同时测出相位差，再由单片机接收FPGA输出的频率和相位差数据，送至数码管显示。该方案能充分发挥FPGA 和单片机的软、硬件资源。低频数字式相位测量仪的测量误差小于2°，分辨率为0.1°。

(3) 数字移相信号发生器由单片机来设定正弦波信号的频率值及相位差值，再由 FPGA和D/A转换器来实现正弦波信号发生及移相控制。采用FPGA不仅处理速度快，还能充分利用EDA工具的仿真功能，缩短研制周期。数字式移相信号发生器的移相范围是0°~359°，频率范围是20Hz~20kHz，频率步长为20Hz，输出信号幅度变化范围是0.3~5V。

(4) 系统规模较小、灵活性强、结构紧凑、操作方便，可实现精密测量与控制。

(5) 该系统具有良好的系统再编程能力，使系统的低成本功能扩展成为可能，相对传统的数字系统具有很大的优势。

2.2 系统框图

数字式相位测量系统采用AT89C52单片机为控制核心，由晶振电路、稳压电路、复位电路、相位检测电路、自动量程控制电路、单片机模块以及显示模块组成。

系统框图如图2.2所示：

图2.1 数字相位测量原理框图

设两路正弦信号分别为:、，二者的相位差为:。和是互相独立的两路信号。、分别经过放大整形器1、放大整形器2接至FPGA测量频率和相位差，再通过AT89C52单片机和LCD液晶显示器，显示出相位差 。由于系统采用了软、硬件相结合的设计方案，从而既保证了测试功能的实现，又使整机电路得以简化。^[2]

第3章 硬件设计

这一章主要阐述了构成系统的各个部分的电路设计与硬件模块，我的电路设计总共包含了这些电路结构：单片机主控电路、液晶显示电路、相位检测电路、自动量程控制电路、稳压电路、晶振电路、复位电路一共7个部分，其中单片机核心、晶振电路以及复位电路构成了整个电路的控制核心。系统的总体框图如下图3.1所示。

图3.1 系统总体框图

3.1 LCD液晶显示电路的设计

本设中计采用的是LCD1602液晶显示屏进行显示。1602液晶屏也叫1602字符型液晶显示屏，它的显示形式为16字符*2行，这是专用于显示数字、字母、符号等点阵型的一种液晶显示模块。虽然1602没有能很好地显示出图形，但在本次设计中的需求它能很好的满足。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。其显示电路如图3.2所示。

图3.2 液晶LCD1602显示电路

LCD1602字符型液晶显示屏以其低功耗、体积小、丰富的显示内容、超薄轻巧等诸多优点，在很多电子电路实验设计中得到了诸多青睐。其各个管脚功能说明如表3.4所示。

表3.4 LCD1602显示屏管脚功能表

从上面的管脚功能表我们可以看到，VSS接地，电源5V的正极端接VDD，V0是液晶显示器的偏压信号端（对比度最弱的时候是接正电源时，对比度最高的时候是接地电源时），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。^[3]

单片机的P3.7~P3.5口分别与LCD1602液晶显示屏的DE3、DE4、DE5引脚相互连接，这些口是用来控制LCD液晶显示器的初始化及显示模式的。P1.0~P1.7口分别与LCD1602液晶显示屏的DE6~DE13引脚相连接，来显示所测量的数据。

3.2 主控电路的设计

本设计中充分利用了单片机强大的数据运算处理能力以及控制性能突出这个优点，使用的是单片机的外部中断请求INT0、INT1接收来自于外界输送进的相位差信号，并在单片机的内部完成相应的数据处理以及相关运算过程。

图3.3为AT89C52主控电路图。

图3.3 主控电路图

3.2.1 AT89C52单片机

设计中采用了AT89C52作为这次相位测试仪系统设计的核心控制器，而芯片89C52是美国英特尔公司的MCS-51单片机系列中的基本产品，AT89C52是采用了CMOS工艺技术来制造的8位高性能单片机，是标准的HCMOS产品。89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。

AT89C52 除了具备 AT89C51 的定时器/计数器 T0 和定时器/计数器 T1，还额外增加了一个定时器/计数器 T2。

3.2.2 晶振电路的设计

AT89C52芯片内部已具备振荡电路，只要将芯片的XTAL1和XTAL2（即19、18脚）连接石英振荡晶体（Crystal）就可以完成一个简单的振荡电路。

本设计采用一个12MHz的石英振荡晶体和两个33pF电容组成了AT89C52的时钟电路，这样可以提供准确而又稳定的us级定时时钟,如图3.4所示。

图3.4 晶振电路

3.2.3 复位电路的设计

为了使单片机能正常工作，在每次启动时，都需要对单片机进行复位操作。复位操作后单片机的CPU以及内部各个寄存器都会重置，处于确定的初始状态，从初始状态开始，单片机就能正常工作。如果单片机在工作之前，CPU或某个寄存器处于未知的状态，可能会对单片机正常工作产生严重的干扰，大大地影响单片机工作的稳定性和可靠性。当单片机在正常工作时出现错误或者进入无序执行状态时，只须通过复位电路对单片机进行复位操作，单片机的工作即可恢复正常。单片机的复位电路一般包括两种：上电复位与手动按钮复位。^[5]

本设计中我采用的是上电复位的方式，由一个10K电阻、一个33pF电容以及一个按钮组成了AT89C52的复位电路；如图3.5所示，上电复位的原理是当单片机在上电时，C3充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒以后，C3充满电，10K电阻上的电流降为0，则电压也为0，使单片机能够进入正常工作状态。工作期间，再按下S1，C3放电。将S1松开，则C3又充电，10K电阻上又会出现电压，使得单片机复位。过几个毫秒以后，单片机又会进入工作状态。^[6]

AT89C52的复位引脚（RST）是第9脚，当此引脚接收超过两个机器周期（1个机器周期包含12个时钟），即可产生复位。当使用12MHz的晶振时，AT89C52的每个时钟脉冲为1/12μs，即两个机器周期的时间约为2μs，所以当我们在AT89C52的第9脚RST上连接一个可以生成持续2μs以上的高电平脉冲即可产生复位的动作。^[7]

当刚接上电源，电容相当于短路，RST接高电平，AT89C52复位；随着时间增加（该电路使用10kΩ电阻、10pF电容，其时间常数约为1ms，满足2μs以上的高电平），电容上的电压增加，RST上的电压逐渐减少至低电平时，AT89C52即恢复正常。然后在电容两端加一个按钮开关，作为复位开关。如图3.5所示即为复位电路。

图3.5 复位电路

3.3 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、蜂鸣器超限报警电路五个部分。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。

3.3.1 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3.6所示。^[8]

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