大学毕业论文涡轮增压器组件的装配与检测系统设计

常熟理工学院毕业设计（论文） 本科毕业设计（论文）题目 涡轮增压器组件的装配与检测系统设计 学 院 电气与自动化工程学院 年 级 2011级 专 业 自动化 班 级 自动化113 学 号 160111126 学生姓名 俞雷 校内导师 毛丽民 职 称 副教授 校外导师 朱广海 职 称 应用工程师 论文提交日期 2015-05-12 24常熟理工学院本科毕业设计(论文)诚信承诺书本人郑重声明： 所呈交的本科毕业设计(论文)，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人签名：日期：常熟理工学院本科毕业设计(论文)使用授权说明本人完全了解常熟理工学院有关收集、保留和使用毕业设计(论文)的规定，即：本科生在校期间进行毕业设计(论文)工作的知识产权单位属常熟理工学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许毕业设计(论文)被查阅和借阅；学校可以将毕业设计(论文)的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编毕业设计（论文），并且本人电子文档和纸质论文的内容相一致。保密的毕业设计(论文)在解密后遵守此规定。本人签名： 日期：导师签名： 日期： 涡轮增压器组件的装配与检测系统设计摘 要随着涡轮增压技术越来越多的应用到现代汽车产业中，涡轮增压器的需求也将越来越大，提高对涡轮增压器的装配效率以及装配质量必将成为涡轮增压器装配最为重要的课题。代社会，对于电能的需求量在逐步增大，对于电能的质量要求也越来越高。大量新技术下的电力电子设备投入到日常生产生活中，当然这其中的许多电力电子设备也会使得电网中的无功功率的增加，从而使得电网的功率因数下降，导致电网供电的品质的降低。要求对电网中的功率因数进行必要检测，采用STC89C52单片机的功率因数角测量电路为检测提供了方便。本设计便采用STC89C52单片机为控制核心，利用计数器进行电压与电流的相位差的测量，从而计算出电网中的功率因数角。在设计过程中，发现在检测电网中功率因数角的同时还可以检测出电网中的频率。通过实践证明，所设计的测量方法简单可靠，精度高，且易于实现。实时的将检测结果显示出来，也便于实时监测。关键词：STC89C52单片机 功率因数角 频率 实时监测A Design of Measuring Three-phase Power Factor Angle on MicrocontrollerAbstractWith the acceleration of the process of modernization, Modern societys demand for electricity is gradually increased, the quality requirements for electrical energy is increasing. A mass of power electronics equipments under the new technology input to the daily life. Of course, many of these power electronics equipments will increase reactive power, So that the power factor of the grid will decrease, resulting in reduced quality of power supply.This requires the power factor of the grid is necessary to detect. The measurement circuit of power factor angle based on STC89C52 microcontroller provides convenience to detection. This design uses STC89C52 microcontroller as the control core, uses counters to measure voltage and current phase difference, and finally calculates the power factor in the power grid. In the design process, while the power factor angle of the grid is detected, the frequency of the grid can be detected.Practice has proved that the design of the measurement method is simple and reliable, high precision, and easy to implement. Real-time detection results will be displayed, but also facilitate real-time monitoring.Key words: STC89C52; Power factor angle; Frequency; Real-time monitoring目录1.绪论111.1 研究背景111.2 研究内容及发展趋势111.3 研究的主要内容131.4 本章小结142. 方案论证142.1 方案说明142.1.1方案一142.1.2方案二152.1.3方案三152.2 本章小结163.控制核心的选用与介绍173.1 STC89C52单片机介绍183.2计数器介绍193.3中断系统223.4复位电路、时钟电路以及最小系统223.5本章小结234.硬件电路设计234.1 系统总的结构框图234.2 信号采集与输入信号整形电路244.2.1 LM339构成的过零比较器244.2.2 信号采集与信号整形254.3 相位检测电路264.3.1触发器74LS74264.3.2 电路的工作原理274.4硬件显示电路284.4.1 1602LCD液晶介绍284.4.2 由1602LCD构成的显示电路294.5电路总图294.6本章小结295软件设计与电路工作流程305.1本设计中的应用软件介绍305.1.1 仿真软件Proteus305.1.2 程序编译软件Keil4305.2系统软件总流程图315.3信号的采集与整形325.4 频率测量电路335.5 功率因数测量电路335.6 本章小结346.性能分析与系统调试356.1系统性能分析356.1.1对于本系统的测量精度的分析356.1.1对于本设计的实时性检测的性能分析356.2 系统的仿真调试与实际调试结果366.2.1仿真调试步骤366.2.2实际调试步骤386.3 结果分析与效果展示406.4 本章小结427.总结与展望437.1 总结437.2 展望43参考文献44附录45附录一 系统原理图45附录二 系统PCB制板图46附录三 实物电路图47附录四 仿真电路图48附录五 单片机程序49致谢5635常熟理工学院毕业设计（论文）1.绪论1.1 研究背景时下，电能的需求很广泛，而且日益增长，电能的使用程度是一个国家发展水平的重要衡量标志。中国作为最大的发展中国家，世界第二大经济体，随着我国经济的飞速发展，城乡对电能需求的日益增长，社会对电能的质量要求也越来越高。在这样的背景下，对于电网运行的稳定性要求便越来越严格，电网的实时监控也就显得十分必要，而且电网供电品质也受到各行各业及电力部门的越来越多的关注。在电力监控系统里，考虑到电网的安全可靠及稳定性得到保障，就必须保证电网中的各项电参数保持稳定。采集各种电参量并保证电网的稳定性就变成了亟需解决的问题。随着我国现代化进程的快速发展，各行各业及城市对电力的需求日益增长，制约了我国经济社会的健康可持续发展。这一问题已经引起了我国相关部门的高度重视并颁布了相关标准及措施，电力系统的正常、安全、高效运行对于国民经济和社会的健康协调可持续发展有着非常重要的意义。在这样的背景下，能做到合理有效地绿色环保地利用有限的电力资源，为我国的城市化进程排除障碍，这就需要对电力参数进行准确、实时地监测，从而对电网状况进行合理的调整，保证电网的供电品质与稳定。显而易见，在日常生活和工业生产中，电能的品质及保障对社会和个人有着非常密切的关系和极其重要的意义，因为各项电参数的不稳定，都能对电器设备的使用的功能及设备的寿命产生严重的影响，在某些情况下，还会对我们的身体健康造成危害。于是对电网中的各项电力参数（比如说电压、电流、功率因数和频率等）准确、快速地检测、并对电网的运行状态进行及时调整，这将对于发现电网中出现的故障以及可能含有的隐患的排除起到很大的作用，这将会节省大量的人力物力。所以实时监控电网就显得十分重要。1.2 研究内容及发展趋势近年来，随着电力电子技术在社会发展中起到越来越重要的作用，在电力传送、冶金、化工、铁道各行各业，家庭日用电器中的非线性负荷的使日益增多，尤其是大功率整流设备和电弧炉等的大量应用，在电力系统中产生大量的谐波，由此引发电压、电流波形畸变，电力谐波不仅会严重危害供用电设备和电气仪表，而且会导致电质量的不断降低，影响计量设备的测量控制等功能，缩短设备的使用寿命，不能有效的反应电力设备运行状况，危害用户利益，对电力系统本身有负面影响。在很长一段时间里，我们缺乏对电力系统监控的重视，缺少完备的电力监控系统设备，关心的是供电的量而不是质，检测设备陈旧，有些地方还采用有几百年历史的动圈式仪表，和交流互感器等电工仪表，这些仪表只能测得模拟值和有效值，误差是相当大的，不能满足实际测量的需求，在这样的情况下，对电力参数的精确实时有效的测量成为了亟需解决的问题。随着电力系统的不断发展和人们的需求的日益增大，这就对电能的量和质提出了更高的要求。然而，虽然很多电力电子设备的使用本质上是人们对新技术的应用，但同时，他们也是导致电能质量恶化的罪魁祸首。有目共睹的是，电能质量恶化问题迫切需要的解决的。供电质量问题之所以有其重要性，是因为这不仅会影响大型企业的正常运作，而且对重大活动，政治活动安全供电影响也较大。在最近的几十年中，全球共发生了20多起由于电能质量导致的大型电力事故。据统计，因此造成的损失达到了每年300亿美元，因此造成的环境污染更是严重。电能质量两大最关键因素分别是电力系统动态和稳态因素，针对这两大因素，可以通过制定完备的制度及采集相关的数据为预防和减少电能质量引起的事故。目前，针对这两大因素以及有关电能质量控制的研究，国外一直领先于我们，说明我国在这方面做得还不够，还需要努力以达到世界先进水平。对比国外，我国致力于电力发展的企业很多，但针对电网中参数的监测以及对电网中供电质量的评估的设备与企业还不是很多。许多对电网性能的检测仅仅限于监测电网中电压的合格与否，而且无法做得实时监测而采用人工抄表方式来进行，这就导致在统计方面的不足以及和世界的差距。针对所发现的这些问题，一方面需要政府提供相关的政策支持，提高对电网的性能与供电质量的要求与投入，引进先进的科学技术来弥补目前存在的不足，为国民经济的健康发展提供最优质的电能动力。从市场的角度来看，大多数用户有时需要结合多功能的电力系统产品，因此制造商需要有丰富的经验和行业知识，满足不同用户的不同配电系统需求，因此，目前的产品标准仍不能很好的满足设计与生产，这就需要对电能表的发展提出更高的要求。目前,对于电网状态参数的检测设备将朝着下面的几个方向不断发展与创新：(l)、检测设备的体积将朝着小型化（如手持式）、功能的多样化（检测更多的电网状态参数）、体现节能与环保理念尽可能减小功耗（方法如降低检测设备需要的维持电流）、提高检测设备的可靠性以及改善人机交互界面（数据显示更为直观与鲜明）。(2)、逐步实现网络智能化、在线实时的监测。伴随着新技术的不断发展与创新，如：传感器技术、计算机控制技术、信息处理技术等，系统的实时监测技术将会充分利用这些先进的新技术，逐步实现在线的实时监测。在线的实时监测可接入访问平台，将设备资源和数据资源传输进网络，实现资源共享、数据的分析预处理以及远程的控制操作。1.3 研究的主要内容本设计从测量电路的硬件设计、软件设计、软件仿真等角度进行研究。主要完成测量硬件电路的设计、程序算法的编写和各部分功能的软件仿真以及硬件测试，在论文中用电路原理图、程序流程图、参数列表、框图、程序等详细介绍了复位电路、晶振电路、信号整形电路、脉冲产生电路、显示电路等各部分功能单元的软硬件实现。第一章为绪论，主要介绍了本设计的研究背景、研究现状以及发展趋势，设计工作的主要内容安排。第二章进行方案论证，通过查阅资料共列举了三种不同的功率因数角、功率因数的测量方法，并从这中间择优选取最为可行可靠的方案。第三章介绍了器件的选取以及功能介绍，对文中用到的器件以及所用到的功能做了简单的介绍，帮助读者在接下来的硬件设计中更容易弄清其设计原理。第四章为硬件设计部分。介绍的本装置的主要功能以及系统的总体框图，并对其原理流程作简要介绍。对于硬件实现部分，各部分功能电路的功能进行介绍，并说明工作原理。第五章为软件设计部分。本章主要阐述了本设计的所使用的仿真软件、程序编译软件以及绘制硬件电路原理图的介绍，同时介绍了个电路工作流程以及原理，并给出了主要处理程序流程图。第六章主要对本装置的性能进行分析以及系统调试进行总结。第七章总结与展望，对本次设计进行总结，并对还可完善之处进行展望。1.4本章小结本章首先对电能的使用情况与其历史做了详细的说明，通过对研究背景与研究现状的深入了解，将对此次设计的必要性有了更加清晰的认识。针对本设计所要求的单片机测量三相电网功率因数角也做了本设计方案的行文安排。2. 方案论证2.1 方案说明2.1.1方案一通过测量电网的有功功率和视在功率来测量功率因数角与功率因数。通过测量负载电路的相应的电流、电压情况计算出有功功率和视在功率，根据公式算出功率因数F= cos()= P/S。通过对电路的电压与电流的过零时间的判断，判断出功率因数角的正负（抗性的判断）。2.1.2方案二通过测量三相电压来测量功率因数角与功率因数。通过对三相电压的测量来测量功率因数的原理，如下图所示，首先采用变压器将三相的电压信号进行采集。由电路理论，可以画出电压 U1 、U2 和U3 的相量图所示：U1U3U2图 2.1 测量电压的相量图由余弦定理可得： (2-1)从而可得 由上图可测得功率因数角： 所以可得 (2-2) 由上式知：测得电压 U1、U2、U3再求出电网中功率因数 。2.1.3方案三假设电网是三相平衡的，这样对电网中的功率因数角的测定时，便可以用任意一相的功率因数角来间接测定三相电网的功率因数角。鉴于此，本设计通过采样相电流线电压之间的相位差来得到电网的功率因数、功率因数角。本设计采用检测线电压Uca和相电流Ib来计算最终的功率因数角与功率因数。根据感性、阻性和容性之间的特点可以很清楚地知道夹角和相角之间的关系：当为纯阻性时：=0，=90；（1）感性：=090，=90180；纯感性时：= 90，=180；（2）容性：=0-90，=900； 纯容性时：=-90，= 0；（3）电压和电流的波形如图2.2所示：图2.2电压和电流的波形从图中看出，不论是否是感性还是容性，其功率因数都是不变的，所以只要测出占空比，就能确定相角，从而求得功率因数。通过变压器和电流互感器得到低压交流信号，然后通过整形电路将交流信号转换为方波脉冲。通过计算两路低压方波信号过零点的时间差来计算功率因数角，从而再计算功率因数。方案一与方案二都是相对而言比较可行的功率因数角、功率因数的测量方法，但由于需要测量多个电压或电流，而且硬件部分设计比较繁琐，实现起来就显得相对比较困难。相对而言，方案三则显得比较简单、且易于实现，并且具有比较高的测量精度，与所学的知识密切相关，故选择方案三。2.2 本章小结通过查阅资料，找到上述的三种方案，在经过比较与分析后，选取了第二中方案作为最终的设计方案，在对比过程中，对于方案三的实现也了解的更加深入，为后面设计的真正实现提供了宝贵的理论基础。3.控制核心的选用与介绍本设计采用STC89C52单片机作为控制核心，实现对功率因数角、功率因数以及电网频率的测量。在本章中将会对STC89C52单片机进行介绍，对于利用STC89C52单片机的部分功能也将进行简单的介绍，最后将会对STC89C52单片机工作电路的最小系统进行介绍。3.1 STC89C52单片机介绍STC89C52是作为一种功耗较低、性能较好的CMOS8位单片机，自身所具有的性能，很好的满足了本设计。STC89C52，其内核是经典的MCS-51，而其本身相对于经典的MCS-51有了很多改进，使得芯片具有更好更多的功能。STC89C52引脚图如图3.1所示。图3.1 STC89C52引脚图STC89C52具有8 位CPU以及8k字节的Flash存储器，除此之外，STC89C52的标准功能还有512字节的RAM、4K字节的 EEPROM、复位电路、全双工串行口、16位定时器、外部中断、看门狗定时器、当然还支持7向量的4级中断方式。依靠这些功能，STC89C52为许多的嵌入式控制应用系统提供了解决方案，也因此具有广泛的应用。通用I/O 口：STC89C52的P1、P2、P3 均设置为准双向口、弱上拉，其中较为特殊的I/O 口P0是三态双向口，由于漏极开路输出，所以作为普通 I/O 口使用时，需要加上拉电阻，而当作为总线扩展使用时，则不需要加上拉电阻。为了方便，在本设计中未使用P0口。RST：复位输入引脚。保持RST脚的高电平持续时间大于等于两个机器周期时间将复位STC89C52。ALE/PROG：在正常情况下，ALE端将以固定频率（时钟频率的1/6）作为输出脉冲。因此，ALE可以用作对外部输出固定频率的脉冲信号以及用于定时。在本设计中，便是采用该引脚输出的2MHZ的频率，为采集的线电压与相电流转换与整形后的低压方波提供计数的脉冲。3.2计数器介绍由于在本设计中将会用到STC89C52单片机的两个计数器T1、T2，所以在本章将较为详细的介绍STC89C52单片机计数器。计数器是计算机控制系统中一项重要功能，实际应用也极为普遍。计数器通过对STC89C52单片机内部具有两个专用的寄存器TMOD与TCON进行编程来设置，如设置计数器的工作方式、定时或者计数功能的选择（这里选定计数器）、计数器的启停控制、计数器的寄存器的溢出标志以及中断的触发方式等最终实现计数功能。1.TMOD和TCON寄存器可以通过设置特殊功能寄存器TMOD中的一个控制位来决定STC89C52单片机内部的3个16 位定时器/计数器T0、T1、T2工作在计数器模式下还是定时器模式下。本设计中只使用了定时器/计数器T0与定时器/计数器T1，因此下文将只介绍定时器/计数器T0、T1。STC89C52单片机的T0、T1的工作结构框图如图3.2所示：图3.2 STC89C52定时器/计数器大致结构图上文已经交代了特殊功能寄存器TMOD是用来决定定时器/计数器的功能和工作模式；而特殊功能寄存器TCON则是用于控制STC89C52单片机的定时器/计数器启停，同时该寄存器还包含了定时器/计数器的其他状态。寄存器TCON的内容是靠软件进行设置。当单片机复位时，寄存器的所有位都将被清零复位。1.工作方式控制寄存器TMOD：由表3.1可知，TMOD的高4位是用于控制定时器/计数器T1的方式，低4位是用于控制定时器/计数器T0的方式。表3.1 TMOD寄存器各位定义（1）门控位GATE：当GATE=0时，定时器/计数器T0、T1的启停是通过软件的设置控制位（TR0或TR1）来决定。当GATE=1且外部中断引脚P3.2( P3.3) 为高电平时，软件置位TR0(TR1）才可以控制定时器/计数器T0(T1)的启停。（2）C/: 定时器模式：设置C/=0，采用对时钟电路的12分频，也就是一个机器周期作为定时器的脉冲计数时间。通过对定时器寄存器的值求得计时时间。计数器模式：设置C/=1，将外部输入脉冲送给外部引脚（其中T0为引脚P3.4，T1为引脚P3.5）作为计数脉冲。当T0（或T1）输入负跳变时，计数器加1。（3）M1 M0：控制定时器/计数器的工作方式，二者的对应关系如下表3.2所示。表3.2 M1M0工作方式描述M1M0工作方式功能描述00方式013位的计数器（高8位，低5位）01方式116位的计数器10方式28位的自动重装计数初值的计数器11方式3T0分成2个独立的8位计数器2. 定时器/计数器控制寄存器TCON控制寄存器TCON用于控制定时器/计数器的启停、外部中断的触发方式以及溢出标志位的设定。控制寄存器TCON各位的定义如表3.3所示。表3.3 TCON寄存器各位定义寄存器TCON只有高4位于所用到的计数器设置有关，所以此处只介绍高4位的功能：（1）TF1：当其寄存器发生溢出时，由硬件将TF1置1，并进行中断申请。当进入中断服务程序时，可以用软件清零。（2）TR1：当特殊寄存器TMOD 中控制T1的GATE为零时，TR1=1将启动T1计数，TR1=0将停止T1计数；当GATE为1且外部中断引脚P3.3输入高电平时，TR1=1将启动T1计数，TR1=0将停止T1计数。（3）TF0: 当其寄存器发生溢出时，由硬件将TF0置1，并进行中断申请。当进入中断服务程序时，可以用软件清零。（4）TR0: 当特殊寄存器TMOD 中控制T0的GATE为零时，TR0为1时启动T0计数，TR0为0时禁止T0计数；当GATE为1且外部中断引脚P3.2输入高电平时，TR0=1将输入高电平时，TR0=1将启动T0计数，TR0=0将停止T0计数。2.定时器/计数器的初始化由前文的介绍可知，定时器/计数器的功能可由软件来进行设置，对定时器/计数器进行初始化。初始化需要采取的步骤：（1）确定定时器/计数器的工作模式（C/T控制）、工作方式（M0M1控制）、启动控制方式（TR、GATE决定），将每个控制位的状态写入TMOD寄存器。（2）计算并设定时器或计数器寄存器的初值（将初值写入TH0、TL0或TH1、TL1中）。值得注意的是16位计数方式则需要将初值分两次写入相应的计数寄存器中。（3）确定采用中断方式与否。可以通过对IE相应位置位启动中断；需要注意的是，采用查询方式时需要对IE相应位清0进行中断屏蔽。（4）启动定时器或计数器工作：若在第一步中将GATE设置为0时（即设置为软启动），TR0（TR1）置一后，定时器或计数器0(1)即可开始工作。若将GATE设置为1时，还将受到外部中断的引脚P3.2（P3.3）的控制，当该位电平为高时，相应的TR0（TR1）置一后，定时器或计数器0(1)方可启动工作。定时器或计数器一旦启动就将按照规定的方式进行定时或计数。3.3中断系统在STC89C52单片机中，中断的开放和屏蔽的控制位集成在中断允许寄存器IE中，中断允许寄存器各位的定义如表3.4所示。表3.4 中断允许寄存器IE及功能位控制位高电平（1）低电平（0）D7EA开总中断关总中断D6X保留位D5ET2允许T2中断禁止T2中断D4ES允许串行口中断禁止串行口中断D3ET1允许T1中断禁止T1中断D2EX1允许外部中断1中断禁止外部中断1中断D1ET0允许T0中断禁止T0中断D0EX0允许外部中断0中断禁止外部中断0中断针对上表分析可得：EA控制总中断，而每个中断源的开放与屏蔽，分别由各中断源的允许位来确定；本设计中未涉及应用定时器/计数器T2，且功能与T0、T1相似。3.4复位电路、时钟电路以及最小系统对于STC89C52单片机来说，复位电路和时钟电路是维持其运行的基本模块。而复位电路则如图 3.3所示，时钟电路如图 3.4 所示。图3.3 复位电路 图3.4时钟电路高频时钟在一定程度上有利于程序更快的运行，同时也有助于实现对频率更高的信号采样。但是这样的高频将对系统要求较高，同时功耗也将增大，运行环境苛刻。考虑本次设计的需求，选取12.000MHZ无源晶振。利用12.000MHZ无源晶振,ALE可以得到2MHZ的脉冲输出，为相位检测电路提供脉冲。由上述的复位电路与时钟电路构成了STC89C52单片机最小系统如图3.5所示。图3.5 单片机最小系统原理图3.5本章小结本章介绍了选取的器件以及设计中需要运用到的部分功能进行了介绍，对文中用到的器件以及所用到的功能做了简单的介绍，对于运用的器件和功能的认识，将有助于我们对下面硬件的设计原理与软件仿真的实现，以及电路的功能的实现有更好的理解。帮助读者在接下来的硬件设计中更容易弄清其设计原理。这也就是为什么将本章放在本设计的硬件与软件实现前进行介绍。4.硬件电路设计4.1 系统总的结构框图STC89C52单片机为控制核心的频率、功率因数角和功率因数测量系统的硬件结构框图如图4.1所示。本设计的系统硬件设计主要由电流互感器与变压器作为对电网电压电流信号采集、对采集到的低压信号整形电路、相位检测电路、STC89C52单片机最小系统和1602LCD显示电路构成。图4.1 系统总结构框图4.2 信号采集与输入信号整形电路4.2.1 LM339构成的过零比较器LM339内部集成了四个相互独立的电压比较器，一般可以利用LM339构成单限比较器、双限比较器、迟滞比较器以及振荡器等。该电压比较器的特点是：（1）失调电压小；（2）电源电压范围宽；（3）共模范围大；（4）输出端电位选用方便。LM339引脚图如图4.2所示：图4.2 LM339引脚图对LM339各个引脚的说明如表4.1所示：表4.1 LM339管脚接口说明引脚符号功能1OUTPUT2输出端22OUTPUT1输出端13V+电源正4INPUT1-反相输入端15INPUT1+同相输入端16INPUT2-反相输入端27INPUT2+同相输入端28INPUT3-反相输入端39INPUT3+同相输入端310INPUT4-反相输入端411INPUT4+同相输入端412GND电源地13OUTPUT4输出端414OUTPUT3输出端34.2.2 信号采集与信号整形信号采集与输入信号整形电路如图4.3所示主要功能是将通过电流互感器和变压器采集到的电网电压和电流转换为低压交流信号进行波形变换。由图4.3可知，电网的正弦波线电压Uca和相电流Ib经变压器和电流互感器后，再经由LM339构成的过零比较器整形变换，得到与之同频同相的低压方波信号。其中稳压管IN4007起到对电压限幅（0.7V）的作用。（由电路知识可知，测试过程中需要注意变压器二端不可短路，电流互感器二端不可开路。）图4.3信号采集与信号整形电路图4.3 相位检测电路4.3.1触发器74LS7474LS74含有两个相互独立的D触发器，D触发器都具有以下端口如表4.2所示：表4.2 D触发器端口数据输入端置位输入端复位输入端时钟输入端数据输入口DCP、端口为低电平时，将使输出置位，端口为低电平时，将使输出复位，且与其它输入端电平状态无关。74LS74引脚图如图4.4所示：图4.4 74LS74引脚图4.3.2 电路的工作原理在功率因数的测量时需要求出线电压CA和相电流B之间的相位差，从而求取功率因数角与功率因数，并通过检测过程中对于线电压转换的低压方波的半周期时间，算出电网频率。在本课题中，将线电压CA和相电流B变换好低压方波，通过两个74LS74、两个74LS00、一个74LS04、一个74LS02组合的电路，只要求出相电流变换好低压方波在线电压转换的低压方波的半波时间内波形的占空比就可以求得相位角，此方法简单易行，无需判断容性或感性。其组合成的硬件电路原理图如图4.5所示，仿真电路图如图4.6所示。图4.5相位检测硬件电路 图4.6相位检测仿真电路4.4 硬件显示电路4.4.1 1602LCD液晶介绍1602液晶作为一种点阵型液晶模块，可用来显示字母、数字、符号。1602LCD液晶通过点阵（5*7或者5*11等点阵）字符位来显示字符。1602LCD具有以下特性：（1）可调对比度；（2）提供寄存器对屏幕显示的控制（实现清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位）；（3）可显示双排共32个字符；管脚接口说明：表4.3 1602LCD管脚接口说明引脚编号引脚符号引脚说明引脚编号引脚符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15A背光源正极8D1数据16K背光源负极1602LCD液晶显示硬件电路原理图如图4.7所示。图4.7 1602LCD液晶显示硬件电路4.4.2 由1602LCD构成的显示电路将所测得计算出的频率和功率因数显示在1602LCD液晶显示器上。第一行为频率，第二行为功率因数。1602LCD液晶构成的显示模块的软件仿真效果图如图4.8。图4.8 1602LCD液晶软件仿真效果图4.5电路总图将上述的电路功能进行组合起来可以得到下面的仿真电路总效果图，对于实物图，系统硬件电路图，PCB制板图可以查阅后面的附录。图4.9系统整体硬件原理图4.6 本章小结本章主要介绍本设计系统总的结构框图与硬件电路的设计。其中硬件电路设计的介绍主要包括：对电网信号采集与整形电路、相位检测电路、硬件显示电路。本章对这些电路都进行了介绍，并对其进行了原理图、仿真图的展示，帮助读者可以更好的了解本设计的电路功能与原理，使得本设计看起来更加的直观与简洁。5软件设计与电路工作流程5.1本设计中的应用软件介绍5.1.1 仿真软件Proteus对于频率的测量和功率因数的测量部分进行软件仿真，采用的软件为Proteus。Proteus作为一种EDA工具软件，不仅具有仿真功能，还能仿真一些外围器件如本设计中的1602LCD液晶（这是其优越之处，也是本设计选用它作为仿真软件的一个重要原因）。其主界面如图5.1所示图5.1 Proteus主界面5.1.2 程序编译软件Keil4本设计采用程序编译环境为Keil4，它的环境界面如图5.2所示。图5.2 Keil4编译程序环境5.2系统软件总流程图本设计程序将由以下几部分构成：主程序、中断服务程序、显示程序等。其中主程序主要完成对变量的定义、系统的计数器初始化，中断寄存器的初始化，1602LCD液晶显示的初始化等工作。中断服务程序主要是用于寄存器溢出次数的计数。显示程序用于显示电网频率，功率因数，功率因数角。如图5.3所示的系统程序的总流程图。图5.3 程序总流程图程序流程图的详细说明：系统在上电开始后，首先进行程序的变量定义；接下来就是初始化工作，这其中包括：对1602LCD液晶的初始化以及对计数器寄存器与中断的初始化；完成初始化工作后，将会对电路的开始测量的开始位flag进行判断，当flag从0（低电位）变到1（高电位）时，开计数器，进行对脉冲的计数。当flag从1（高电位）变到0（低电位）时，关闭计数器。flag在这段为高电平的时间，便是线电压转换得到的低压方波的半波信号持续时间，在这段时间内，两个计数器的引脚将对脉冲进行计数，计数器的寄存器溢出后将进入中断服务程序。通过两个计数器所记数据的处理算出功率因数、功率因数角以及电网的频率。处理完数据后，对计数器的寄存器以及溢出的计数进行软件复位清零，为下次开始做好准备。最后将本次处理好的数据送给显示模块进行显示，等待下次检测的开始，重复上述开始检测后的步骤，以达到实时的检测功能。5.3信号的采集与整形电网的线电压和相电流经过变压器和电流互感器转换成适合电路的低压交流信号，然后再经过LM339电压比较器（过零比较器），将波形转换成同频率的方波。其工作流程图见图5.4：图5.4电网信号采集转换与整形工作流程图5.4 频率测量电路一般所采用的方法是测出相邻两个上升沿的时间，即为信号的周期。由周期便可以得到电网中的频率。但是在本论文设计中，主要是通过计数器计算线电压转换的低压方波的半波时间，即为半周期的时间，计算2倍这个半周期时间即为电网的一个周期时间，取倒数即为所测量的电网频率，这种方法简单可行。其工作流程图见图5.5：图5.5 电网频率测量工作流程图5.5功率因数测量电路采用单片机2个负跳变计数加一的计数器求得一路相位差，具体方法是：将电压电流两路交流信号经过转换与整形等特定电路使其转变成两路方波信号，将处理后的Uca,Ib两路方波信号输入单片机TO和T1两脉冲计数口。通过电压转换的方波信号高电平半波作为计数的有效时间，对计数口T0负跳变计数,对于方波半波持续时间内的负跳变进行计数为N,即为电网中半个周期内的计数值N.对于电流转换的方波信号在上述有效时间内的高电平期间，对计数口T1负跳变计数，计数为n。计算功率因数角C=(n/N)*180再计算出功率因数。电路工作流程图如图5.6 所示。图5.6 功率因数测量工作流程图5.6 本章小结本章主要阐述了本设计的所使用的仿真软件、程序编译软件以及绘制硬件电路原理图的介绍，同时介绍了个电路工作流程以及原理，并给出了主要处理程序流程图。通过阅读这一章，将会对电路的工作流程有着更为清晰的理解，对于软件的使用也有所了解。这对理解本设计的设计方案，以及实现方法有着极大的好处。6.性能分析与系统调试硬件和软件都设计完成后，需对整个系统进行理论上的性能分析与实际的系统调试。事实上，调试工作是贯穿于整个设计过程之中的，并非是在设计最终完成后才开始进行的。仿真测试也是如此。硬件是系统的基础，编写的程序建立在硬件之上，性能的好坏亦是如此，这些才是调试关键与真正的原因。本章将对系统的性能进行分析，主要分析两个方面：1.系统的测量精度2.测量的实时性6.1系统性能分析6.1.1对于本系统的测量精度的分析系统的测量精度功率因数角为t/T*360度，相位角的测量跟计数器的计数值有关，而计数器频率为12Mhz，计一个数值大约需时0.000000083s，由于电网信号频率在50Hz左右，即电网变化一个周期的时间为20ms。所以，理论上本设计算法的最好精度为：（0.000000083s）/（0.02s）*360度=0.001494度。然而受到其他一些测量误差的影响，最终的精度往往达不到理论精度，经分析测量精度方面的误差主要来源如下：（1）对寄存器读/写消耗的时间；（2）中断响应产生的延时；（3）环境的干扰；（4）硬件电路中信号相互的干扰；6.1.1对于本设计的实时性检测的性能分析由于程序设计中为了确保测量开始的准确性牺牲了一些等待时间以及液晶显示中所消耗的时间，这将对整个测试电路对电网的实时监测有所影响。随着研究的深入，还需要进行改进。6.2 系统的仿真调试与实际调试结果6.2.1 仿真调试步骤1选中单片机右击，选择编辑属性。操作如图6.1所示。图6.1 2. 导入所编写程序生成的HEX文件。操作如图6.2所示。图6.23.选中仿真图中的信号发生器右击，选中编辑属性。操作如图6.3所示。图6.34. 改变输入频率与边沿出现时间，在保证两个信号发生器频率相同的条件下，对边沿时间设置不同以产生功率因数角。操作如图6.4所示。图6.4 6.2.2实际调试步骤本设计的测试环境如图6.5所示：图6.5测试环境1调节一个信号发生器的相位输出使得两个信号发生器的正弦波保持同相位，用示波器进行观测，直到二者波形重合，再将相位角复位，这样两个信号发生器将保持输出同相位。调节的相位角如图6.6所示，观测的信号如图6.7所示，最终重合的波形如图6.8所示，复位后如图6.9所示。图6.6 调节信号发生器相位图6.7 示波器观测波形图6.8 两波形重合图6.9 相位角复位2.改变输入频率（保证两个信号发生器同频率），如图6.10所示图6.10 调节信号频率3.根据理论计算出在两信号同边沿相差1ms时，在不同的频率下，所得到的不同的功率因数角。改变一个信号发生器的相位角（改变为理论的角度）。调节方法如第一步中的图6.6所示。调接好的结果的如图6.11所示。图6.11 调节功率因数角4.记录测量出的数据，实际测量效果的如图6.12所示：图6.12 实际测量效果6.3 结果分析与效果展示将测试的结果与相关的理论数据统计在下表中，如表6.1所示。表6.1 仿真结果与实际测试结果统计表序号信号频率理论C仿真频率实际频率仿真cos仿真C实测cos实测C148.317.3948.348.30.95417.30.95617.0249.417.7949.449.40.95217.70.95317.5349.717.8949.749.70.95117.80.95217.7450.018.0050.050.00.95117.90.95117.8550.218.0750.250.20.95118.00.95018.1650.818.2850.850.80.94918.20.94918.2751.418.3251.451.30.94818.40.94518.5由上表可以得到下表关于功率因数角的误差率，如表6.2所示：表6.2 功率因数角的误差率统计表序号仿真C误差仿真C误差率实测C误差实测C误差率1-0.09-0.52%-0.39-2.29%2-0.09-0.51%-0.29-1.66%3-0.09-0.51%-0.19-1.07%4-0.10-0.56%-0.20-1.12%5-0.07-0.39%0.030.17%6-0.08-0.44%-0.08-0.44%70.080.43%0.180.97%由表6.2可知，本设计测量功率因数角的误差率较低（一般误差率维持在1%左右），可以用于对电网功率因数角的测量。由表6.1可知对于频率的测量基本正确。在不同频率下的仿真效果图：43 图6.13.1输入48.3HZ图6.13.3输入49.7HZ图6.13.5输入50.2HZ图6.13.7输入51.4HZ图6.13.2输入49.4HZ图6.13.4输入50.0HZ图6.13.6输入