智能仪器课程设计.docx
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智能仪器课程设计.docx
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智能仪器课程设计
题目:
智能电压监测仪表
班级:
09机电班
姓名:
XXXXXX
学号:
XXXXXXXXXX
指导老师:
杨
设计要求
利用V/F设计一智能型电压监测仪表,实现以下主要功能:
电压输入范围:
0~220VAC、0~380VAC
电压输出范围:
0~220VDC、0~380VDC
记录每天整点电压值,每天运行分钟数,超上限运行分钟数,超下限运行分钟数,每天电压的最大、最小值及发生时刻,每天平均电压值,自动校准。
数据存储:
存储180天。
通讯功能:
既有RS232C,能设定电压上、下限值,能设定系统时间,能按需
读取数据或按批量读取数据,显示6位LED
精度:
1%
直流电—将电压转换频率。
利用CPU计数器测频率,采用LM331进行V/F变换。
参考文献
⏹《智能化仪器原理及应用》西安电子科技大学出版社曹建平主编
⏹《单片机初级教程—单片机基础》北京航空航天大学出版社张迎新主编
⏹《电工电子学》清华大学出版社刘润华主编
⏹刘春生真有效值AC/DC转换器AD736及其在RMS仪表电路中的运用国外电子元件2001.9
关键字:
电压检测智能监测
摘要
电力系统中电网电压的测量与监控影响电网系统调节和自动化管理。
为实时监控电网电压,本次课程设计就是要设计一个电压监测仪实时监测电网电压值。
智能电压监测仪实现的是对220v或380v电压值的监测,在每天的整点时监测电网的电压值,并记录时刻,每天最小电压、最大电压值的发生时刻及运行时间,每天的平均电压值,并具有自动切换量程,自动校准,掉电存储等,能实现与上位机通讯并由上位机设定上下限、设定系统时间及读取数据等。
此次智能电压检测仪实现的是对220v或380v电压值的检测,在每天的整点时监测电网的电压值,并记录时刻,每天最小电压、最大电压值的发生时刻及运行时间,每天的平均电压值,并具有自动切换量程,自动校准,掉电存储等,能实现与上位机通讯并由上位机设定上下限、设定系统时间及读取数据等。
大体可分为A/D转换部分和单片机部分。
A/D部分实现对电压的采集,并转换为特定频率,单片机部分对输入的频率进行计数,经程序处理转变为电压值,在数码管显示,通讯部分用串口实现,掉电存储用AT24c02片外存储器,实时时钟芯片DS1302为单片机提供准确的时钟信号。
目录
摘要3
设计的基本结构和工作流程5
1.硬件部分5
1.1数字量输入通道5
1.2数码管显示电路:
9
1.3通讯部分:
10
1.4EEPROM及实时时钟部分11
1.5复位电路及晶振12
1.6储存模块12
2.软件部分13
2.1工作流程14
致谢15
设计的基本结构和工作流程
智能型电压监测仪由硬件和软件两大部分组成。
1硬件部分
智能型电压监测仪的硬件部分由单片机主机电路、数字量输入通道、显示部分、通讯接口、实时时钟电路及EEPROM等组成,如下图所示。
数码管显示
数字量输入通道
EEPROM
通讯接口
主机电路
单片机
实时时钟信号
1.1数字量输入通道
数字量输入通道主要用到的是AD736和LM331芯片.
AD736是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC转换器。
其主要特点是准确度高、灵敏性好(满量程为200mVRMS)、测量速率快、频率特性好(工作频率范围可达0~460kHz)、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低最大的电源工作电流为200μA.用它来测量正弦波电压的综合误差不超过±3%。
LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片,可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。
LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路,在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。
LM331的动态范围宽,可达100dB;线性度好,最大非线性失真小于0.01%,工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性;变换精度高,数字分辨率可达12位;外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路,并且容易保证转换精度。
电路中由AD736对电压采集,输出该交流电的有效值,并给LM331进行频率转换。
AD736的输入电压最大为200mV,所以从市电接入时还要进行衰减,可用变压器降压,再用电阻分压到200mV输给AD736,从AD736输出时最大电压才200mV,LM331可测量的电压值为-5V,必须放大-25倍,可用双运放芯片LM358实现,从LM331出来后就可直接接到单片机了。
具体电路如下:
市电接入部分电路,其中moc3061为继电器,控制两档不同的待测电压经过变压器降压后接到整流桥再衰减为1%后变为200mV,经过AD736电路,输出交流电的真有效值再经过两个运放放大,变为-5V,再接到lm331的。
lm331把输入电压变为频率输出,接到单片机的T0计数器输出口。
因单片机的计数是相当于脉冲的方式,故取名为数字量输入通道。
电压到频率的具体实现是:
上图是由LM331组成的电压—频率变换电路。
外接电阻Rt、Ct和定时比较器、复零晶体管、R-S触发器等构成单稳定时电路。
当输入端Vi+输入一正电压时,输入比较器输出高电平,使R-S触发器置位,Q输出高电平,输出驱动管导通,输出端fo为逻辑低电平,同时,电流开关打向右边,电流源IR对电容CL充电。
此时由于复零晶体管截止,电源Vcc也通过电阻Rt对电容Ct充电。
当电容Ct两端充电电压大于Vcc的2/3时,定时比较器输出一高电平,使R-S触发器复位,Q输出低电平,输出驱动管截止,输出端fo为逻辑高电平,同时,复零晶体管导通,电容Ct通过复零晶体管迅速放电;电流开关打向左边,电容CL对电阻RL放电。
当电容CL放电电压等于输入电压Vi时,输入比较器再次输出高电平,使R-S触发器置位,如此反复循环,构成自激振荡。
右图画出了电容Ct、CL充放电和输出脉冲f0的波形。
设电容CL的充电时间为t1,放电时间为t2,则根据电容CL上电荷平衡的原理,我们有:
(IR-VL/RL)t1=t2VL/RL下图为电容充放电输出波形图:
从上式可得:
f0=1/(t1+t2)=VL/(RLIRt1)实际上,该电路的VL在很少的范围内(大约10mV)波动,因此,可认为VL=Vi,故上式可以表示为:
f0==Vi/(RLIRt1),可见,输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比,从而实现了电压-频率变换。
式中IR由内部基准电压源供给的1.90V参考电压和外接电阻Rs决定,IR=1.90/Rs,改变Rs的值,可调节电路的转换增益,t1由定时元件Rt和Ct决定,其关系是:
t1=1.1RtCt,典型值Rt=6.8kΩ,Ct=0.01µF,t1=7.5µs。
由f0=Vi/(RLIRt)可知,电阻Rs、RL、Rt和电容Ct直接影响转换结果f0,因此对元件的精度要有一定的要求,可根据转换精度适当选择。
电容CL对转换结果虽然没有直接的影响。
但应选择漏电流小的电容器。
电阻R1和电容C1组成低通滤波器,可减少输入电压中的干扰脉冲,有利于提高转换精度。
1.2数码管显示电路:
此为单片机的所有网络标号,其中31脚接电源
数码管采用动态显示方式,其中a、b···g、dp七段显示二极管并联接到P0口,低位在前,位选接到P2口的低六位。
能显示电压值、系统时间。
数码管显示的原理是:
数码管的每一位七段LED的阳极接在一起,阴极引出分别接在P0口的八位IO口上,阳极接电源正极,通过位选口决定电源的开断,阴极口又称数据口,通过控制数据口各位不同的高低电平让不同段的LED显示,从而显示不同字符。
各个数据口的接线可自由选择,高位在前或低位在前,当数据口接线确定口,不同字符的数据也确定了。
1.3通讯部分:
电平转换及串口通讯电路MAX232实现电平转换,因单片机用的是正逻辑的TTL电平,与RS232的电平逻辑相反,必须进行电平转换。
串口通信采用全双工最简系统连接,以便实时与上位机或其他智能仪器通信。
1.4EEPROM及实时时钟部分
AT24c02提供片外存取空间,存储每天的点钟电压值及运行分钟数,能实现掉电储存数据;DS1302为单片机提供实时时钟信号,保证系统时间的准确。
1.5复位电路及晶振
复位电路采用按键电平复位,RST接到第9脚,晶振用11.0592MHz。
1.6储存模块
实时电压检测网络,需要不断的存储各类电压值,时间值等数据,因此需要增加一个外部数据存储器,作为实时数据存取。
I2C总线(InterIntegratedCircuit内部集成电路总线)是两线式串行总线,仅需要时钟和数据两根线就可以进行数据传输,仅需要占用微处理器的2个I/O引脚,使用时十分方便。
I2C总线还可以在同一总线上挂多个器件,每个器件可以有自己的器件地址,读写操作时需要先发送器件地址,该地址的器件得到确认后便执行相应的操作,而在同一总线上的其它器件不做响应,称之为器件寻址,这个原理就像我们打电话的原理相当。
而ATMEL的24C64芯片,存储位是64K位,也就是说可以存储8K(8192)字节,它支持1.8V到5V电源,可以擦写1百万次,数据可以保持100年,使用5V电源时时钟可以达到400KHz。
这款芯片正好适合我们这个系统工作需要。
因此选用24C64作为外部数据存储芯片。
将24C64芯片的引脚5、6分别接入单片机的P1.1和P1.2口,即可作为单片机的外部数据存储,其电路接法如下:
2软件部分
智能型电压监测仪的系统软件主要有频率转换程序、显示程序、数据记录、数据读取等,频率转换程序对数字量输入通道的信号进行计数,并转换为一定的电压值,通过显示程序显示在数码管上,数据记录用来记录整点电压值、运行分钟数、超上限运行分钟数、超下限运行分钟数,数据读取是当上位机有要求读取数据时读取存储在EEPROM的数据。
2.1工作流程
开始
开机自检
是否整点
读取电压值及
时间并显示
N
Y
记录电压值及时刻
显示
是否最大值
N
是否最小值
替换掉最大值,并记录时刻
Y
N
替换掉最小值,并记录时刻
Y
开机自检运行项目:
EEPROM的监测、RAM的监测、数码管的监测。
EEPROM的监测一般采用“校验和”的方法,其具体的方法是:
在将仪器程序机器码写入EEPROM的时候,保留一个单元,此单元不是用于写程序代码,而是用于写入“校验字”。
“校验字”应能满足EEPROM中所有单元的每一列都具有奇数个“1”。
程序内容是:
对每一列数进行异或运算,如果EEPROM无故障,各列的运算结果都为“1”,即校验和等于0xFF。
RAM的监测:
先将0x55写入RAM的一个单元,然后从改单元中读取数据,并与0x55进行比较,若不相符,则显示出错并给出出错单元地址;若相符,则再写入0xAA,然后从该单元中读取数据,并与0xAA比较,若不相符,则显示出错并给出出错单元地址,若相符,则修改指针地址,用同样地方法对下一个单元进行“读写”监测。
依此类推,直到最后一个单元监测完毕即可。
数码管的监测:
送一个显示“8”的字符,依次选通各个位选,若所有数码管都显示“8”,则数码管正常,若显示不完全,则可知道到底是哪个段选出错。
软件运行的流程为:
实时对电压值进行显示,并对DS1302进行读取时间,整点到时将电压值及时刻写入AT24C02,每存入一个数据就进行最大最小值比较,同时记下时间。
这样轮流运行,电压值是实时显示在数码管的,但后台也有存储数据。
平均值的计算:
读取24个整点电压值,然后取平均值,存于一个地址。
致谢
在这次课程设计的撰写过程中,我得到了许多人的帮助。
首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助,这是我能顺利完成这次报告的主要原因,更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题,让我能把系统做得更加完善。
在此期间,我不仅学到了许多新的知识,对智能仪器有了更深入的了解,其次,我要感谢帮助过我的同学,他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的难题。
最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。
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- 智能 仪器 课程设计