基于AT89S52的32路沙阻相位差檢測(cè)系統(tǒng)

姬 雷，陳小惠，焦紅平

（南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210003）

0 引言

在實(shí)際工程中，經(jīng)常會(huì)遇到需要檢測(cè)2個(gè)信號(hào)間的相位差，這也是研究網(wǎng)絡(luò)相頻特性中不可缺少的重要方面。在某些領(lǐng)域，精確地測(cè)量2個(gè)信號(hào)之間的相位差，具有很重要的意義。例如在電工儀表、同步檢測(cè)的數(shù)據(jù)處理以及電工實(shí)驗(yàn)中，常常需要測(cè)量2列同頻信號(hào)的相位差。

本文結(jié)合沙阻測(cè)濕實(shí)際工程，設(shè)計(jì)了一種基于AT89S52的32路沙阻相位檢測(cè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)交流信號(hào)經(jīng)過沙子后相位的改變量，相位檢測(cè)精度高，電路簡單，作為后續(xù)工程的重要參數(shù)。

1 系統(tǒng)原理及總體框架

本系統(tǒng)主要有信號(hào)發(fā)生、32路沙阻選擇、相位差檢測(cè)和液晶顯示模塊等幾大部分組成。在系統(tǒng)中我們利用信號(hào)發(fā)生器8038產(chǎn)生正弦波作為其原始信號(hào)，利用多片八選一4051芯片對(duì)32路沙阻進(jìn)行選擇，然后選通一路送到相位差檢測(cè)部分。在數(shù)據(jù)處理部分，我們采用廉價(jià)、使用方便的單片機(jī)AT89S52，并且在后續(xù)工程中把采集到的相位數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行其他有用的運(yùn)算，在本實(shí)驗(yàn)中利用相位差測(cè)量算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并把結(jié)果送到液晶顯示模塊顯示出被測(cè)量的相位差，整個(gè)硬件電路的設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

該測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和局部控制過程為：實(shí)驗(yàn)中用到的精密信號(hào)發(fā)生器ICL0838用來產(chǎn)生起始正弦波，其電源電壓范圍寬，穩(wěn)定度高，精度高，易于使用。圖2為其信號(hào)發(fā)生器連接電路，芯片2腳Signal Out輸出峰峰值為2V，頻率為50Hz的正弦波，經(jīng)放大電路后峰峰值為10V作為信號(hào)源。

峰峰值為10V信號(hào)源經(jīng)跟隨電路后接32路沙阻測(cè)試電路如圖3所示。沙阻電路中，32對(duì)探針插入到沙子中，排列形式為8行4列，為了避免相互干擾，我們采取折回S型排列的方法。被測(cè)沙阻原理如下：被測(cè)沙群可以看做是電阻和電容的并聯(lián)，當(dāng)信號(hào)源經(jīng)過沙阻時(shí)，由電抗原理可知，存在一定的相位變化（延時(shí)或超前），對(duì)于電容來說，相位有延時(shí)，其延時(shí)時(shí)間通過一定的算法可以轉(zhuǎn)化為相位偏移值，其算法見軟件設(shè)計(jì)部分。

圖2 信號(hào)發(fā)生器電路

圖3 32路沙阻測(cè)試電路

信號(hào)源經(jīng)沙阻后，通過CD4051BE兩級(jí)選通32路中的一路進(jìn)行相位數(shù)據(jù)采集，圖4是其中的一路。CD4051BE相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開關(guān)，開關(guān)接通哪一通道由輸入的3位地址碼ABC來確定。INH引腳是禁止端，當(dāng)INH為0時(shí)芯片工作，供電電源VDD=+5V，VSS=0V，VEE=-5V。一級(jí)選通電路U1，U2，U3，U4為32路沙阻選出4路，U5、U6、U7、U8分別使4路均構(gòu)成回路，作為分壓電路。經(jīng)前期測(cè)量，不同濕度的沙阻的阻值不同，其阻值范圍約在3K到3M歐姆之間，因此分壓電路選取四個(gè)檔位，分別為3．3kΩ，33kΩ，330kΩ，3．3MΩ，由U5、U6、U7、U8中的2位地址碼AB來選通哪一個(gè)檔位，選通的規(guī)則是使分壓電路分壓約在2～4伏之間為宜。由于AT89S52的I/O口不夠用，因此用8255拓展I/O口，用來控制32路選通，使用8255的A口和B口。利用A口控制一級(jí)選通和最后的4路選一路；利用B口控制各檔位的選取。若U1，U2，U3，U4一級(jí)地址碼ABC（由PA0，PA1，PA2控制）為000則選通各8路的第1路，即Test8、Test16、Test24、Test32（各點(diǎn)如圖3所示），由U5、U6、U7、U8地址碼AB（分別由PC7，PC6，PC5，PC4，PC3，PC2，PC1，PC0控制）選通分壓電阻阻值，二級(jí)選通電路U9從一級(jí)選通電路4路中選出一路作為測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)，由二級(jí)地址碼AB（由PA3，PA4控制）來確定是哪一路，若AB為00，則選通第一路。以此類推，通過控制PA口和PB口的電平來控制32路的選通，當(dāng)32路數(shù)據(jù)均采集后，為一次采集結(jié)束，再重復(fù)循環(huán)采集32路數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖4 32路沙阻選通電路

集經(jīng)過選通電路后，我們把相位采數(shù)據(jù)送入到相位檢測(cè)電路，檢測(cè)其與信號(hào)源的相位差，即相位偏移量。相位檢測(cè)電路由LM148四運(yùn)放芯片和74HC74雙D觸發(fā)器構(gòu)成，其中我們利用LM148構(gòu)成的部分電路實(shí)現(xiàn)過零檢測(cè)，74HC74雙D觸發(fā)提取二者的相位差，如圖5所示。

圖5 相位檢測(cè)電路

2路信號(hào)Signal Out和Out分別接入兩個(gè)輸入端，如圖6所示，分別送入LM148電路，與零電位比較，經(jīng)整形后得到矩形脈沖V1和V2，達(dá)到實(shí)現(xiàn)過零檢測(cè)的目的，如圖7所示，經(jīng)74HC74后提取二者相位差值如圖8上方波形。其中，V1送入D觸發(fā)器U24A的CLK時(shí)鐘端，V2送入U(xiǎn)24B的CLK時(shí)鐘端，再將二者輸出端所采集的相位數(shù)據(jù)經(jīng)74LS86異或門之后，送到單片機(jī)的P3．2腳（INT0），用2次中斷來記錄相位差的延時(shí)時(shí)間。INT0中斷是下降沿觸發(fā)，因此記錄相位差時(shí)先要將上升沿轉(zhuǎn)化為下降沿，使其中斷開始計(jì)時(shí)，用P1．7腳來控制，即P1．7=1異或后使其輸出為0，產(chǎn)生中斷；當(dāng)再遇到下降沿時(shí)，產(chǎn)生中斷，即計(jì)時(shí)結(jié)束，如圖8下方波形。記錄的時(shí)間用作轉(zhuǎn)化相位的初始數(shù)據(jù)。

圖6 Signal Out和Out輸入波形

圖7 過零檢測(cè)波形

圖8 相位差波形

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件主要由32路選通部分，相位數(shù)據(jù)處理部分和液晶顯示模塊3部分組成。由于篇幅有限，只給出其主程序流程圖如圖9所示。在相位數(shù)據(jù)處理部分中，對(duì)采集的相位延時(shí)時(shí)間轉(zhuǎn)化成相位，其算法如下，2個(gè)頻率相同而相位不同的正弦信號(hào)Vi1＝Asinωt和Vi2＝Asinω（t＋θ），信號(hào)源Vi1的頻率為50Hz，其周期時(shí)間為20ms，假設(shè)相位延時(shí)時(shí)間為Tms，相位為θ，則根據(jù)θ=T/20*360°可以算出延時(shí)的相位值，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)相位的目的。

圖9 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

表1為本相位差測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的相位差數(shù)據(jù)表，這些數(shù)據(jù)是經(jīng)過軟件上做些修正后的相位差測(cè)量算法得到的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)沙阻的相位進(jìn)行測(cè)量，并且測(cè)量相位差的精度小于 0．3 度。

信號(hào)源頻率50Hz，相位實(shí)際值45°，測(cè)得32路測(cè)量數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 32路相位差測(cè)量數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)可靠性高，成本低，電路簡單，并且測(cè)量精度小于0．3°，用于檢測(cè)該工程32路沙阻相位參數(shù)問題，同時(shí)，通過RS485總線和上位機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)上百個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的相位數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸，用作后續(xù)工程的關(guān)鍵參數(shù)之一。隨著對(duì)此技術(shù)的進(jìn)一步深入研究會(huì)發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用面越來越廣泛，并將取得越來越多的應(yīng)用成果。例如，對(duì)本系統(tǒng)的硬件電路和軟件稍加改進(jìn)就可以通過間接的方法測(cè)出沙子的阻值和幅值，先測(cè)出分壓電路的阻值和幅值，通過有效值轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過AD0832模數(shù)變換后，通過一定的算法可以求出。

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