基于电压互感器的单相交流电压测量系统设计 精品Word格式文档下载.docx

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二、系统原理及框图…………………………………………………………7

三、主要工作电路…………………………………………………………8

3.1输入电路………………………………………………8

3.1.1极性转换电路电路……………………………………8

3.1.2输入电路………………………………………………9

3.2A/D转换电路………………………………………………10

四、主要元器件的选用…………………………………………10

4.1选择单片机的种类、型号………………………………………11

4.2A/D模数转换器选择……………………………………………12

4.3电压互感器选择…………………………………………………13

五、课程设计总结…………………………………………………………14

六、参考文献……………………………………………………………14

七、附录……………………………………………………………14

7.1软件设计…………………………………………………………14

7.2系统总体设计…………………………………………………22

课程设计任务书

课程名称检测技术与系统课程设计

院（系、部、中心）电力工程学院

专业电气工程及其自动化

班级K电气101

起止日期13.6.3~13.6.14

指导教师许大宇

1．课程设计应达到的目的

通过对本课程的设计，使学生掌握常见被测量的检测原理、方法和技术，了解国内外对这些工程量进行测控的系统组建原理，通过对检测系统的设计与分析，增强学生理解和运用所学知识来解决实际问题的能力,逐步掌握根据具体测控要求、性能指标设计出先进测控系统的方法和技术。

2．课程设计题目及要求

题目：

基于电压互感器的单相交流电压测量系统设计

要求：

（1）电压测量范围：

0~100VAC，检测精度：

0.1V；

（2）根据题意，明确被控对象的功能及性能指标；

（3）根据系统要求，选择合适的电压传感器（尽量选择实验室中已有的传感器）；

（4）设计传感器测量电路；

（5）选择单片机的品种、型号，设计单片机的外围测量电路；

（6）计算有关的电路参数，有条件的情况下，根据实验室现有设备进行实验数据的测取，明确测量电路输出与被测非电量的关系；

（7）画出系统原理框图（此部分放在说明书的开始）；

（8）画出系统电路图，最好用PROTEL画；

（9）在说明书中详细说明本系统工作原理。

3．课程设计任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求〕

（1）给出设计说明书一份；

（2）有条件的情况下尽量给出必要的实验数据；

（3）在说明书中附上完整的系统电路原理图（手画或用PROTEL画）。

4．主要参考文献

1、李现明，吴皓编著.自动检测技术.北京：

机械工业出版社，2009

2、徐仁贵.单片微型计算机应用技术.北京：

机械工业出版社.2001

3、陈爱弟.Protel99实用培训教程.北京：

人民邮电出版社.2000

5．课程设计进度安排

起止日期

工作内容

13年6月3日

布置设计任务，熟悉课题，查找资料；

13年6月4日

结合测控对象，选择合适的传感器，理解传感器性能；

13年6月5日

设计传感器测量电路，选择合适的单片机，设计其外围电路；

13年6月6日

设计电路参数，有条件情况下，在实验室进行实验，进一步理解测量电路输入输出关系；

13年6月7日

继续设计论证电路参数，完善系统设计方案；

13年6月8日

查找资料，理解系统各部分工作原理；

13年6月9日

理清系统说明要点，着手设计说明书的书写；

13年6月10日

书写设计说明书，充分理解系统每一部分作用；

13年6月13日

完善设计说明书，准备设计答辩。

13年6月14日

设计答辩。

6．成绩考核办法

平时表现30%，设计成果40%，答辩表现30%.

教研室审查意见：

教研室主任签字：

年月日

院（系、部、中心）意见：

主管领导签字：

1、题目及设计要求

二、主要设计方框图如下：

数码管显示

单片机处理

模数转换

电压采集

2.1、设计思路

由电压互感器取得一次系统的电压，选用单片机AT89C51和A/D转换芯片ADC0809通过单片机内置A/D转换器将模拟量转换成数字量，采用相应算法编程运算得到一次系统的电压电气参数,实现电压的转换和控制，用四位数码管显示出最后的转换电压结果。

2.2、电路设计原理

本实验采用AT89C51单片机芯片配合ADC0804模/数转换芯片构成一个简易的单相交流电压测量电路，原理电路如图1所示。

该电路通过ADC0804芯片采样输入口IN0输入的0～5V的模拟量电压，经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道D0～D7传送给AT89C51芯片的P0口。

AT89C51负责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的7段数码管的显示段码，并通过其P1口传送给数码管。

同时它还通过其三位I/O口P1.0、P1.1、P1.2、P1.3产生位选信号，控制数码管的亮灭。

另外，AT89C51还控制着ADC0808的工作。

其ALE管脚为ADC0804提供了1MHz工作的时钟脉冲；

P2.4控制ADC0804的地址锁存端（ALE）；

P2.1控制ADC0804的启动端（START）；

P2.3控制ADC0804的输出允许端（OE）；

P2.0控制ADC0804的转换结束信号（EOC）。

三、主要电路

3.1、输入处理电路

为了保证硬件电路设计的通用性，采用单级性电压测量的方法，将输入的双极性电压转换成单级性电压进行测量。

整个电路主要包括极性转换电路和输入处理电路。

其中，极性转换电路主要由放大电路实现，在此我采用MCP601放大芯片。

MCP601芯片：

（Microchip公司的一款高性能的放大芯片）

如图所示，该芯片共有8个管脚，

Vcc管脚：

电源管脚

GND管脚：

接地管脚

VIN-管脚：

负输入端管脚

VIN+管脚：

正输入端管脚

OUT管脚：

输出管脚

3.1.1、极性转换电路：

在进行A/D转换时，我们一般会采用芯片的工作电压作为A/D转换的参考电压。

由于一般芯片的工作电压都为正电压，而我们在这里要测量交流电压，所以要对输入的交流信号进行极性转换，将双极性变成单级性。

下图为极性转换电路：

在极性转换电路中，ADOUT为输出信号。

输出信号是在输入信号ADIN的基础上叠加了一个直流分量，调节上面的Vref的值就可以改变直流分量的值。

如果调节Vref使直流分量的值为1.5V，并且此时输入信号是幅值为1.5V的交流正弦信号，那么输出信号就为最大值为3V，最小值为0V的单级性正弦信号。

在极性转换电路基础上我们将很容易设计出我们要的输入电路。

3.1.2、输入处理电路：

在极性转换电路基础上，输入处理电路需要将100V的交流电压信号变为幅值为1.5V左右的交流信号，此外，还需要为MCP601提供适当的参考电压信号。

电路如下图所示：

从所设计的电路中我们可以得到，首先通过变压器将100V的交流电压降成3V的交流电压，再经过极性转换电路将双极性的交流电压转换为单级性的交流电压。

电路中的RV1电位器主要用调节参考电压，RV2电位器用于调节交流输入电压的幅度。

经过上面电路的处理，可以将输入的交流电压转换成0～3V的单级性交流电压，这样很容易使用AT89C51单片机通过A/D转换通道进行模拟量采集，从而实现交流电压的测量。

3.2、A/D模数转换电路

在A/D转换开始之前，逐次逼近寄存器的SAR的内容为0，在A/D转换过程中，SAR存放“试探”数字量，在转换完毕后，它的内容即为A/D转换的结果数字量。

逻辑控制与定时电路在START正脉冲启动后工作，没来一个CLK脉冲，该电路就可能告知向SAR中传送一次试探值，对应输出U0与U1比较，确定一次逼近值，经过8次逼近，即可获得最后转换的结果数字量。

此处，EOC端口的信号显示ADC0804的状态，开始A/D转换时，EOC为低电平，转换结束后，输出高电平。

3.2.1、数据处理及控制

A/D转换完毕后，单片机的P1.6口接收到一高电平，立马通过P2将OE置1，ADC0804的三态输出锁存器被打开，转换完的数字信号经过与D0~D7相连的P0口进入AT89C51。

AT89C51根据公式1-1将数字信号转换为模拟量，然后利用程序获取模拟量的每一位，分别通过P2口输出到LED上。

与此同时，AT89C51会通过P2.0~P2.3口选择用哪一段LED显示所传出的数据。

例如，当P2.0~P2.3=1110，则LED接收到的数据会在第四段LED上显示。

另外，AT89C51一旦获得了数据后便会将ST置0，即模数转换器停止转换，知道LED获得新的数据并显示出来，ST才会重新置1.由于AT89C51转换速率很快（微妙量级），所以不会影响其接收新的数据。

3.2.2、设计过程

简易交流电压测量电路由A/D转换、数据处理及显示控制等组成。

电路原理图见附录2。

A/D转换由集成电路0804完成。

0804具有8路模拟输入端口，地址（23-25）脚可决定对哪路模拟输入作A/D转换，22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。

6脚为测试控制，当输入一个2us宽高电平脉冲时，就开始A/D转换。

7脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时7脚输出高电平。

9脚为A/D转换数据输出允许控制，当OE脚为高电平时，A/D转换数据从该端口输出。

10脚为0804的时钟输入端，由外部信号源提供。

单片机的P1、P3.0-P3.3端口作为四位LED数码管现实控制。

P3.5端口用作单路显示/循环显示转换按钮，P3.6端口用作单路显示时选择通道。

P0端口作A/D转换数据读入用，P2端口用作0804的A/D转换控制。

四、主要元器件的选用

4.1AT89C51的选用理由

4.1.1简单概述

AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

外形及引脚排列如图3-2所示。

图3-2AT89C51芯片模型

4.1.2主要功能特性

（1）4K字节可编程闪烁存储器。

（2）32个双向I/O口；

128×

8位内部RAM。

（3）2个16位可编程定时/计数器中断，时钟频率0-24MHz。

（4）可编程串行通道。

（5）5个中断源。

（6）2个读写中断口线。

（7）低功耗的闲置和掉电模式。

（8）片内振荡器和时钟电路。

4.1.3AT89C51的引脚介绍

89C51单片机多采用40只引脚的双列直插封装（DIP）