基于AT89S52的32路沙阻相位差检测系统

姬 雷，陈小惠，焦红平

（南京邮电大学，江苏 南京 210003）

0 引言

在实际工程中，经常会遇到需要检测2个信号间的相位差，这也是研究网络相频特性中不可缺少的重要方面。在某些领域，精确地测量2个信号之间的相位差，具有很重要的意义。例如在电工仪表、同步检测的数据处理以及电工实验中，常常需要测量2列同频信号的相位差。

本文结合沙阻测湿实际工程，设计了一种基于AT89S52的32路沙阻相位检测系统，用于检测交流信号经过沙子后相位的改变量，相位检测精度高，电路简单，作为后续工程的重要参数。

1 系统原理及总体框架

本系统主要有信号发生、32路沙阻选择、相位差检测和液晶显示模块等几大部分组成。在系统中我们利用信号发生器8038产生正弦波作为其原始信号，利用多片八选一4051芯片对32路沙阻进行选择，然后选通一路送到相位差检测部分。在数据处理部分，我们采用廉价、使用方便的单片机AT89S52，并且在后续工程中把采集到的相位数据送给计算机进行其他有用的运算，在本实验中利用相位差测量算法进行数据处理并把结果送到液晶显示模块显示出被测量的相位差，整个硬件电路的设计原理框图如图1所示。

图1 检测系统原理框图

2 硬件设计

该测量系统的硬件设计和局部控制过程为：实验中用到的精密信号发生器ICL0838用来产生起始正弦波，其电源电压范围宽，稳定度高，精度高，易于使用。图2为其信号发生器连接电路，芯片2脚Signal Out输出峰峰值为2V，频率为50Hz的正弦波，经放大电路后峰峰值为10V作为信号源。

峰峰值为10V信号源经跟随电路后接32路沙阻测试电路如图3所示。沙阻电路中，32对探针插入到沙子中，排列形式为8行4列，为了避免相互干扰，我们采取折回S型排列的方法。被测沙阻原理如下：被测沙群可以看做是电阻和电容的并联，当信号源经过沙阻时，由电抗原理可知，存在一定的相位变化（延时或超前），对于电容来说，相位有延时，其延时时间通过一定的算法可以转化为相位偏移值，其算法见软件设计部分。

图2 信号发生器电路

图3 32路沙阻测试电路

信号源经沙阻后，通过CD4051BE两级选通32路中的一路进行相位数据采集，图4是其中的一路。CD4051BE相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道由输入的3位地址码ABC来确定。INH引脚是禁止端，当INH为0时芯片工作，供电电源VDD=+5V，VSS=0V，VEE=-5V。一级选通电路U1，U2，U3，U4为32路沙阻选出4路，U5、U6、U7、U8分别使4路均构成回路，作为分压电路。经前期测量，不同湿度的沙阻的阻值不同，其阻值范围约在3K到3M欧姆之间，因此分压电路选取四个档位，分别为3．3kΩ，33kΩ，330kΩ，3．3MΩ，由U5、U6、U7、U8中的2位地址码AB来选通哪一个档位，选通的规则是使分压电路分压约在2～4伏之间为宜。由于AT89S52的I/O口不够用，因此用8255拓展I/O口，用来控制32路选通，使用8255的A口和B口。利用A口控制一级选通和最后的4路选一路；利用B口控制各档位的选取。若U1，U2，U3，U4一级地址码ABC（由PA0，PA1，PA2控制）为000则选通各8路的第1路，即Test8、Test16、Test24、Test32（各点如图3所示），由U5、U6、U7、U8地址码AB（分别由PC7，PC6，PC5，PC4，PC3，PC2，PC1，PC0控制）选通分压电阻阻值，二级选通电路U9从一级选通电路4路中选出一路作为测试数据点，由二级地址码AB（由PA3，PA4控制）来确定是哪一路，若AB为00，则选通第一路。以此类推，通过控制PA口和PB口的电平来控制32路的选通，当32路数据均采集后，为一次采集结束，再重复循环采集32路数据点。

图4 32路沙阻选通电路

集经过选通电路后，我们把相位采数据送入到相位检测电路，检测其与信号源的相位差，即相位偏移量。相位检测电路由LM148四运放芯片和74HC74双D触发器构成，其中我们利用LM148构成的部分电路实现过零检测，74HC74双D触发提取二者的相位差，如图5所示。

图5 相位检测电路

2路信号Signal Out和Out分别接入两个输入端，如图6所示，分别送入LM148电路，与零电位比较，经整形后得到矩形脉冲V1和V2，达到实现过零检测的目的，如图7所示，经74HC74后提取二者相位差值如图8上方波形。其中，V1送入D触发器U24A的CLK时钟端，V2送入U24B的CLK时钟端，再将二者输出端所采集的相位数据经74LS86异或门之后，送到单片机的P3．2脚（INT0），用2次中断来记录相位差的延时时间。INT0中断是下降沿触发，因此记录相位差时先要将上升沿转化为下降沿，使其中断开始计时，用P1．7脚来控制，即P1．7=1异或后使其输出为0，产生中断；当再遇到下降沿时，产生中断，即计时结束，如图8下方波形。记录的时间用作转化相位的初始数据。

图6 Signal Out和Out输入波形

图7 过零检测波形

图8 相位差波形

3 软件设计

本系统的软件主要由32路选通部分，相位数据处理部分和液晶显示模块3部分组成。由于篇幅有限，只给出其主程序流程图如图9所示。在相位数据处理部分中，对采集的相位延时时间转化成相位，其算法如下，2个频率相同而相位不同的正弦信号Vi1＝Asinωt和Vi2＝Asinω（t＋θ），信号源Vi1的频率为50Hz，其周期时间为20ms，假设相位延时时间为Tms，相位为θ，则根据θ=T/20*360°可以算出延时的相位值，实现检测相位的目的。

图9 系统软件主程序流程图

4 系统实验测试

表1为本相位差测量系统在实验中测得的相位差数据表，这些数据是经过软件上做些修正后的相位差测量算法得到的。实验结果证明了该系统可以实现对沙阻的相位进行测量，并且测量相位差的精度小于 0．3 度。

信号源频率50Hz，相位实际值45°，测得32路测量数据如下表1所示。

表1 32路相位差测量数据

5 结束语

本系统可靠性高，成本低，电路简单，并且测量精度小于0．3°，用于检测该工程32路沙阻相位参数问题，同时，通过RS485总线和上位机控制，可以实现上百个数据点的相位数据采集、处理和传输，用作后续工程的关键参数之一。随着对此技术的进一步深入研究会发现其应用面越来越广泛，并将取得越来越多的应用成果。例如，对本系统的硬件电路和软件稍加改进就可以通过间接的方法测出沙子的阻值和幅值，先测出分压电路的阻值和幅值，通过有效值转换，再经过AD0832模数变换后，通过一定的算法可以求出。

[1] ICL8038 Data sheet Intersil Instruments．

[2] LM319 Data sheet Philips Instruments．

[3] 郑珍．AD8302型相位差测量系统的设计[J]．电子科技,2005(11)．

[4] 陈忧先．相位检测在微弱信号测量中的应用[J]．仪表技术,2005(4)．

[5] 潘洪明．同频正弦信号间相位差测量的设计[J]．电子工程师,2003,29(3):41-42．

[6] 操长茂．数字式相位差测量仪[J]．仪表技术,2003(2):18-19．

[7] 丁英丽．相位差的测量方法[J]．电气测量与仪器,2002(2)．

[8] 王新贤．通用集成电路速查手册[M]．济南:山东科学技术出版社,2002．