基于電壓互感器的單相交流

1、目錄一、課程設計任務書 3二、系統(tǒng)原理及框圖 7三、主要工作電路 8 3.1輸入電路 8 3.1.1極性轉換電路電路 9 3.1.2輸入電路 9 3.2 A/D轉換電路 10四、主要元器件的選用 11 4.1選擇單片機的種類、型號11 4.2 A/D模數(shù)轉換器選擇 12 4.3電壓互感器選擇15五、課程設計總結15六、參考文獻 15 南京工程學院課程設計任務書 課 程 名 稱 檢測技術與系統(tǒng)課程設計 院（系、部、中心） 電力工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 K電氣111 起 止 日 期 2014.6.32014.6.13 指 導 教 師 許大宇 1課程設計應達到的目的通過對本課程的

2、設計，使學生掌握常見被測量的檢測原理、方法和技術，了解國內外對這些工程量進行測控的系統(tǒng)組建原理，通過對檢測系統(tǒng)的設計與分析，增強學生理解和運用所學知識來解決實際問題的能力,逐步掌握根據(jù)具體測控要求、性能指標設計出先進測控系統(tǒng)的方法和技術。2課程設計題目及要求 題目：基于電壓互感器的單相交流電壓測量系統(tǒng)設計要求：（1）電壓測量范圍：0100VAC，檢測精度： 0.1V；（2）根據(jù)題意，明確被控對象的功能及性能指標；（3）根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇合適的電壓傳感器（盡量選擇實驗室中已有的傳感器）；（4）設計傳感器測量電路；（5）選擇單片機的品種、型號，設計單片機的外圍測量電路；（6）計算有關的電路參數(shù)，有

3、條件的情況下，根據(jù)實驗室現(xiàn)有設備進行實驗數(shù)據(jù)的測取，明確測量電路輸出與被測非電量的關系；（7）畫出系統(tǒng)總體框圖（此部分放在說明書的開始）；（8）畫出系統(tǒng)電路圖；（9）在說明書中詳細說明本系統(tǒng)的設計原理及調試結果。3課程設計任務及工作量的要求包括課程設計計算說明書、圖紙、實物樣品等要求(1) 給出設計說明書一份；(2) 有條件的情況下盡量給出必要的實驗數(shù)據(jù)；(3) 在說明書中附上完整的系統(tǒng)電路原理圖（手畫或用PROTEL畫）。4主要參考文獻1、 李現(xiàn)明，吳皓編著.自動檢測技術.北京：機械工業(yè)出版社，20092、 徐仁貴.單片微型計算機應用技術.北京：機械工業(yè)出版社.20013、 陳愛弟.Prot

4、el99實用培訓教程.北京：人民郵電出版社.20005.課程設計進度安排起 止 日 期工 作 內 容 第一周一布置設計任務，熟悉課題，查找資料；第一周二結合測控對象，選擇合適的傳感器，理解傳感器性能；第一周三設計傳感器測量電路，選擇合適的單片機，設計其外圍電路；第一周四設計電路參數(shù)，有條件情況下，在實驗室進行實驗，進一步理解測量電路輸入輸出關系；第一周五繼續(xù)設計論證電路參數(shù)，完善系統(tǒng)設計方案；第二周一查找資料，理解系統(tǒng)各部分工作原理；第二周二理清系統(tǒng)說明要點，著手設計說明書的書寫；第二周三書寫設計說明書，充分理解系統(tǒng)每一部分作用；第二周四完善設計說明書，準備設計答辯。第二周五設計答辯。6成績考

5、核辦法平時表現(xiàn)30%，設計成果40%，答辯表現(xiàn)30%.教研室審查意見：教研室主任簽字： 年 月 日院（系、部、中心）意見：主管領導簽字： 年 月 日 一、題目及設計要求基于電壓互感器的單相交流電壓測量系統(tǒng)設計1.2系統(tǒng)總體框圖二、主要設計方框圖如下：數(shù)碼管顯示單片機處理模數(shù)轉換電壓采集 2.1、設計思路 由電壓互感器取得一次系統(tǒng)的電壓，選用單片機AT89C51和A/D轉換芯片ADC0809 通過單片機內置A/D 轉換器將模擬量轉換成數(shù)字量，采用相應算法編程運算得到一次系統(tǒng)的電壓電氣參數(shù),實現(xiàn)電壓的轉換和控制，用四位數(shù)碼管顯示出最后的轉換電壓結果。2.2、電路設計原理 本實驗采用AT89C51單

6、片機芯片配合ADC0804模/數(shù)轉換芯片構成一個簡易的單相交流電壓測量電路，原理電路如圖1所示。該電路通過ADC0804芯片采樣輸入口IN0輸入的05 V的模擬量電壓，經(jīng)過模/數(shù)轉換后，產(chǎn)生相應的數(shù)字量經(jīng)過其輸出通道D0D7傳送給AT89C51芯片的P0口。AT89C51負責把接收到的數(shù)字量經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生正確的7段數(shù)碼管的顯示段碼，并通過其P1口傳送給數(shù)碼管。同時它還通過其三位I/O口P1.0、P1.1、P1.2、P1.3產(chǎn)生位選信號，控制數(shù)碼管的亮滅。另外，AT89C51還控制著ADC0808的工作。其ALE管腳為ADC0804提供了1MHz工作的時鐘脈沖；P2.4控制ADC0804的地

7、址鎖存端(ALE)；P2.1控制ADC0804的啟動端(START)；P2.3控制ADC0804的輸出允許端(OE)；P2.0控制ADC0804的轉換結束信號(EOC)。數(shù)據(jù)處理及控制模塊AT89C51P0P2顯示模塊LED數(shù)碼管數(shù)據(jù)采集模塊ADC0804控制信號輸出顯示AnalogDigitalLED位控制信號P2P3三、主要電路3.1、輸入處理電路為了保證硬件電路設計的通用性，采用單級性電壓測量的方法，將輸入的雙極性電壓轉換成單級性電壓進行測量。整個電路主要包括極性轉換電路和輸入處理電路。其中，極性轉換電路主要由放大電路實現(xiàn)，在此我采用MCP601放大芯片。MCP601芯片：（Microc

8、hip公司的一款高性能的放大芯片）如圖所示，該芯片共有5個管腳，Vcc管腳：電源管腳GND管腳：接地管腳VIN-管腳：負輸入端管腳VIN+管腳：正輸入端管腳OUT管腳：輸出管腳3.1.1、極性轉換電路：在進行A/D轉換時，我們一般會采用芯片的工作電壓作為A/D轉換的參考電壓。由于一般芯片的工作電壓都為正電壓，而我們在這里要測量交流電壓，所以要對輸入的交流信號進行極性轉換，將雙極性變成單級性。下圖為極性轉換電路：在極性轉換電路中，ADOUT為輸出信號。輸出信號是在輸入信號ADIN的基礎上疊加了一個直流分量，調節(jié)上面的Vref的值就可以改變直流分量的值。如果調節(jié)Vref使直流分量的值為1.5V，并

9、且此時輸入信號是幅值為1.5V的交流正弦信號，那么輸出信號就為最大值為3V，最小值為0V的單級性正弦信號。在極性轉換電路基礎上我們將很容易設計出我們要的輸入電路。3.1.2、輸入處理電路：在極性轉換電路基礎上，輸入處理電路需要將100V的交流電壓信號變?yōu)榉禐?.5V左右的交流信號，此外，還需要為MCP601提供適當?shù)膮⒖茧妷盒盘?。電路如下圖所示：從所設計的電路中我們可以得到，首先通過變壓器將100V的交流電壓降成3V的交流電壓，再經(jīng)過極性轉換電路將雙極性的交流電壓轉換為單級性的交流電壓。電路中的RV1電位器主要用調節(jié)參考電壓，RV2電位器用于調節(jié)交流輸入電壓的幅度。經(jīng)過上面電路的處理，可以將

10、輸入的交流電壓轉換成03V的單級性交流電壓，這樣很容易使用AT89C51單片機通過A/D轉換通道進行模擬量采集，從而實現(xiàn)交流電壓的測量。3.2、A/D模數(shù)轉換電路在A/D轉換開始之前，逐次逼近寄存器的SAR的內容為0，在A/D轉換過程中，SAR存放“試探”數(shù)字量，在轉換完畢后，它的內容即為A/D轉換的結果數(shù)字量。邏輯控制與定時電路在START正脈沖啟動后工作，沒來一個CLK脈沖，該電路就可能告知向SAR中傳送一次試探值，對應輸出U0與U1比較，確定一次逼近值，經(jīng)過8次逼近，即可獲得最后轉換的結果數(shù)字量。此處，EOC端口的信號顯示ADC0804的狀態(tài)，開始A/D轉換時，EOC為低電平，轉換結束后

11、，輸出高電平。3.2.1、 數(shù)據(jù)處理及控制A/D轉換完畢后，單片機的P1.6口接收到一高電平，立馬通過P2將OE置1，ADC0804的三態(tài)輸出鎖存器被打開，轉換完的數(shù)字信號經(jīng)過與D0D7相連的P0口進入AT89C51。AT89C51根據(jù)公式1-1將數(shù)字信號轉換為模擬量，然后利用程序獲取模擬量的每一位，分別通過P2口輸出到LED上。與此同時，AT89C51會通過P2.0P2.3口選擇用哪一段LED顯示所傳出的數(shù)據(jù)。例如，當P2.0P2.3=1110，則LED接收到的數(shù)據(jù)會在第四段LED上顯示。 另外，AT89C51一旦獲得了數(shù)據(jù)后便會將ST置0，即模數(shù)轉換器停止轉換，知道LED獲得新的數(shù)據(jù)并顯示

12、出來，ST才會重新置1.由于AT89C51轉換速率很快（微妙量級），所以不會影響其接收新的數(shù)據(jù)。3.2.2、設計過程簡易交流電壓測量電路由A/D轉換、數(shù)據(jù)處理及顯示控制等組成。電路原理圖見附錄2。A/D轉換由集成電路0804完成。0804具有8路模擬輸入端口，地址(23-25)腳可決定對哪路模擬輸入作A/D轉換，22腳為地址鎖存控制，當輸入為高電平時，對地址信號進行鎖存。6腳為測試控制，當輸入一個2us寬高電平脈沖時，就開始A/D轉換。7腳為A/D轉換結束標志，當A/D轉換結束時7腳輸出高電平。9腳為A/D轉換數(shù)據(jù)輸出允許控制，當OE腳為高電平時，A/D轉換數(shù)據(jù)從該端口輸出。10腳為0804的

13、時鐘輸入端，由外部信號源提供。單片機的P1、P3.0-P3.3端口作為四位LED數(shù)碼管現(xiàn)實控制。P3.5端口用作單路顯示/循環(huán)顯示轉換按鈕，P3.6端口用作單路顯示時選擇通道。P0端口作A/D轉換數(shù)據(jù)讀入用，P2端口用作0804的A/D轉換控制。四、主要元器件的選用 4.1 AT89C51的選用理由4.1.1簡單概述AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。外形及引腳排列如圖3-2所示。圖3-2 AT89C51芯片模型

14、4.1.2主要功能特性(1) 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器。 (2) 32個雙向I/O口；128×8位內部RAM 。(3) 2個16位可編程定時/計數(shù)器中斷，時鐘頻率0-24MHz。 (4) 可編程串行通道。 (5) 5個中斷源。 (6) 2個讀寫中斷口線。 (7) 低功耗的閑置和掉電模式。(8) 片內振蕩器和時鐘電路。4.1.3 AT89C51的引腳介紹89C51單片機多采用40只引腳的雙列直插封裝(DIP)方式，下面分別簡單介紹。(1)電源引腳電源引腳接入單片機的工作電源。Vcc(40引腳）：+5V電源。GND(20引腳)：接地。(2)時鐘引腳XTAL1(19引腳)：片內振蕩器反相放

15、大器和時鐘發(fā)生器電路的輸入端。XTAL2(20引腳)：片內振蕩器反相放大器的輸出端。(3)復位RST(9引腳)在振蕩器運行時，有兩個機器周期（24個振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此引腳時，將使單片機復位，只要這個腳保持高電平，51芯片便循環(huán)復位。(4)/Vpp(31引腳)為外部程序存儲器訪問允許控制端。當它為高電平時，單片機讀片內程序存儲器，在PC值超過0FFFH后將自動轉向外部程序存儲器。當它為低電平時，只限定在外部程序存儲器，地址為0000HFFFFH。Vpp為該引腳的第二功能，為編程電壓輸入端。(5)ALE/(30引腳)ALE為低八位地址鎖存允許信號。(6)(29引腳)片外程序存儲器的讀選

16、通信號。在單片機讀片外程序存儲器時，此引腳輸出脈沖的負跳沿作為讀片外程序存儲器的選通信號。(7) pin39-pin32為P0.0-P0.7輸入輸出腳，稱為P0口。P0是一個8位漏極開路型雙向I/O口。(8)Pin1-Pin8為P1.0-P1.7輸入輸出腳，稱為P1口，是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/0口。P1口能驅動4個LSTTL負載。(9)Pin21-Pin28為P2.0-P2.7輸入輸出腳，稱為P2口。(10)Pin10-Pin17為P3.0-P3.7輸入輸出腳，稱為P3口。4.2 ADC0804的選用理由4.2.1、ADC0804引腳功能: VIN（+）和VIN（-）：模擬電壓輸入端

17、，單邊輸入時模擬電壓輸入接VIN（+）端，VIN（-）端接地。雙邊輸入時VIN（+）、VIN（-）分別接模擬電壓信號的正端和負端。當輸入的模擬電壓信號存在“零點漂移電壓”時，可在VIN（-）接一等值的零點補償電壓，變換時將自動從VIN（+）中減去這一電壓。VREF/2：參考電壓接入引腳，該引腳可外接電壓也可懸空，若外接電壓，則ADC的參考電壓為該外界電壓的兩倍，如不外接，則VREF與Vcc共用電源電壓，此時ADC的參考電壓即為電源電壓Vcc的值。CLK IN和CLK R：外接RC振蕩電路產(chǎn)生模數(shù)轉換器所需的時鐘信號，時鐘頻率CLK = 1/1.1RC，一般要求頻率范圍100KHz1460KHz

18、。AGND和DGND：分別接模擬地和數(shù)字地。 ：轉換結束輸出信號，低電平有效，當一次A/D轉換完成后，將引起=0，實際應用時，該引腳應與微處理器的外部中斷輸入引腳相連（如51單片機的，腳），當產(chǎn)生信號有效時，還需等待=0才能正確讀出A/D轉換結果，若ADC0804單獨使用，則可以將引腳懸空。DB0DB7：輸出A/D轉換后的8位二進制結果。4.2.2、ADC0804工作過程如下圖所示，ADC0804的工作時序圖(Timing Diagrams)：實現(xiàn)一次ADC轉換主要包含下面三個過程： 1.啟動轉換：由下圖中的上部“FIGURE 10A”可知，在CS信號為低電平的情況下，將WR引腳先由

19、高電平變成低電平，經(jīng)過至少tW(WR)I 延時后，再將WR引腳拉成高電平，即啟動了一次AD。2延時等待轉換結束：依然由下圖中的上部“FIGURE 10A”可知，由拉低信號啟動AD采樣后，經(jīng)過1到8個Tclk+INTERNAL Tc延時后，AD轉換結束，因此，啟動轉換后必須加入一個延時以等待AD采樣結束。3.讀取轉換結果：由下圖的下部“FIGURE 10B”可知采樣轉換完畢后，在信號為低的前提下，將腳由高電平拉成低電平后，經(jīng)過tACC的延時即可從DB腳讀出有效的采樣結果。ADC0804手冊給出的ADC轉換時序圖 對采樣值進行運算變換，換算出實際的滑動變阻器輸入電壓值。對于任何一個A/D采樣器而言，其轉換公式如下： 其中:輸入ADC的模擬電壓值。：ADC轉換后的二進制值。本試驗的ADC0804為八位。：ADC能夠表示的刻度總數(shù)。ADC0804為八位ADC,因此 ：ADC參考電壓值，本試驗ADC0804的被設置為5V因此，對于本試驗