基于c#的安時(shí)計(jì)設(shè)計(jì)

基于c#的安時(shí)計(jì)設(shè)計(jì)

1安時(shí)計(jì)的作用原理安時(shí)計(jì)是一種特殊的計(jì)數(shù)器，用于測(cè)量電、電、電池等電氣工業(yè)中的電流和工作時(shí)間。電化學(xué)領(lǐng)域的工作電流雖然是直流電流,但電流的大小卻在不同的工作時(shí)間區(qū)域內(nèi)變化,因此不能簡(jiǎn)單地由通電的時(shí)間和電流的乘積獲得累積安時(shí)值,要想計(jì)量或控制安時(shí)量,就必須使用安時(shí)計(jì)。由于行業(yè)特點(diǎn),安時(shí)計(jì)的使用環(huán)境相對(duì)比較復(fù)雜,故對(duì)安時(shí)計(jì)的設(shè)計(jì)有較嚴(yán)格的要求,尤其在抗干擾能力、可靠性及安全性等方面要求更高,安時(shí)計(jì)的主要功能是通過直接計(jì)量累積的電量來間接控制電池的充放電時(shí)間或金屬鍍層的厚度,同時(shí)能按設(shè)定值進(jìn)行報(bào)警和及時(shí)切斷電路。本文設(shè)計(jì)的安時(shí)計(jì)采用了大規(guī)模CMOS集成電路QA64X889和集成霍爾傳感器,在可靠性、安全性及抗干擾性能等方面都很優(yōu)良。2電流測(cè)量顯示電路本安時(shí)計(jì)主要由取樣放大電路、電流測(cè)量顯示電路、V/F轉(zhuǎn)換電路、控制及計(jì)數(shù)顯示電路組成。首先由取樣電路得到與工作電流成正比的電壓量,對(duì)此電壓量進(jìn)行線性放大,分別送給電流測(cè)量顯示電路和V/F轉(zhuǎn)換電路,由電流測(cè)量顯示電路讀出現(xiàn)時(shí)的電流值;同時(shí),由V/F轉(zhuǎn)換電路得到頻率與輸入電壓量成正比的脈沖信號(hào),對(duì)此脈沖信號(hào)按顯示精度進(jìn)行分頻,得到適合計(jì)數(shù)的脈沖,再對(duì)分頻后的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)顯示便得到了累積的安時(shí)值,本設(shè)計(jì)中的分頻、計(jì)數(shù)、顯示驅(qū)動(dòng)及超限報(bào)警電路均由大規(guī)模CMOS集成電路QA64X889完成(稱為控制及計(jì)數(shù)顯示電路),與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比電路簡(jiǎn)潔而功能完備,其原理框圖如圖1所示。3各部分功能電路設(shè)計(jì)3.1敏傳感器的工作原理該電路主要由集成霍爾效應(yīng)電流傳感器及集成運(yùn)算放大器組成?；魻杺鞲衅魇且环N廣泛用于自動(dòng)控制、儀器儀表、信息傳遞、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的磁敏傳感器,是利用霍爾效應(yīng)制成的閉環(huán)電流傳感器,它應(yīng)用磁調(diào)制原理,原邊與副邊高度絕緣,能在非接觸的情況下測(cè)量各種電流,具有線性度好、響應(yīng)時(shí)間短、失調(diào)和漂移小等特點(diǎn),能對(duì)輸出進(jìn)行幅度和零點(diǎn)的調(diào)整。由于測(cè)量電流是非接觸測(cè)量取樣,所以對(duì)被測(cè)電流基本無影響,同時(shí)安全可靠。由取樣放大電路得到的電壓信號(hào)與被測(cè)工作電流之間的關(guān)系為:式中,Vi——取樣放大電路輸出電壓(V)α——轉(zhuǎn)換放大系數(shù)(V/A)3.2時(shí)域電流值的計(jì)算該電路的作用是測(cè)量并顯示現(xiàn)時(shí)的工作電流值。由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成比例運(yùn)算電路,對(duì)取樣放大的輸出Vi進(jìn)行比例運(yùn)算,得到與工作電流同等數(shù)值的毫伏電壓值UA,其關(guān)系為:式中,β——比例放大系數(shù)UA——單位為mV選取β·α的乘積為1,得UA=I,然后用四位半數(shù)字電壓表頭顯示即為現(xiàn)時(shí)電流值。3.3電壓頻率變換電路V/F轉(zhuǎn)換電路的作用是將取樣放大電路的輸出電壓變換為頻率與之成正比的脈沖信號(hào),該電路的轉(zhuǎn)換精度直接影響整個(gè)儀器的精度,它的核心器件是美國(guó)NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比較高的集成芯片,可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器用。它采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路,在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0V電源電壓下都有極高的精度。同時(shí)它動(dòng)態(tài)范圍寬,可達(dá)100dB;線性度好,最大非線性失真小于0.01%,工作頻率低到0.1Hz時(shí)尚有較好的線性;變換精度高,數(shù)字分辨率可達(dá)12位;外接電路簡(jiǎn)單,只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成V/F變換電路,并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。圖2是由LM331組成的電壓頻率變換電路,LM331內(nèi)部由輸入比較器、定時(shí)比較器、R-S觸發(fā)器、輸出驅(qū)動(dòng)、復(fù)零晶體管、能隙基準(zhǔn)電路和電流開關(guān)等部分組成。當(dāng)輸入端Vi輸入一正電壓時(shí),輸入比較器輸出高電平,使R-S觸發(fā)器置位,輸出高電平,輸出驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通,輸出端f0為邏輯低電平,同時(shí)電源Vcc也通過電阻R2對(duì)電容C2充電。當(dāng)電容C2兩端充電電壓大于Vcc的2/3時(shí),定時(shí)比較器輸出一高電平,使R-S觸發(fā)器復(fù)位,輸出低電平,輸出驅(qū)動(dòng)管截止,輸出端f0為邏輯高電平,同時(shí),復(fù)零晶體管導(dǎo)通,電容C2通過復(fù)零晶體管迅速放電;電子開關(guān)使電容C3對(duì)電阻R3放電。當(dāng)電容C3放電電壓等于輸入電壓Vi時(shí),輸入比較器再次輸出高電平,使R-S觸發(fā)器置位,如此反復(fù)循環(huán),構(gòu)成自激振蕩。輸出脈沖頻率f0與輸入電壓Vi成正比,從而實(shí)現(xiàn)了電壓-頻率變換。其輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系為:由式知電阻R2、R3、R4和C2直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果f0,因此對(duì)元件的精度要有一定的要求,可根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當(dāng)選擇。電阻R1和電容C1組成低通濾波器,可減少輸入電壓中的干擾脈沖,有利于提高轉(zhuǎn)換精度。3.4單元電路的設(shè)計(jì)控制電路的作用是控制V/F轉(zhuǎn)換器,在被測(cè)工作電流為零時(shí),V/F轉(zhuǎn)換器被封鎖,它是由μA741構(gòu)成的過零比較電路和兩輸入的與門組成,當(dāng)工作電流為零時(shí)比較電路輸出為低電平,即與門的一個(gè)輸入為低電平,從而使其輸出為零;反之比較電路輸出為高電平,與門有f0輸出。V/F轉(zhuǎn)換電路輸出的信號(hào)f0是頻率較高的信號(hào),不適合計(jì)數(shù)顯示,需對(duì)此信號(hào)進(jìn)行分頻,即變換為頻率f=f0/m的信號(hào),m為分頻系數(shù)。按照儀器的設(shè)計(jì)顯示精度為0.01安時(shí)(Ah)的要求,1A的被測(cè)工作電流1小時(shí)的累計(jì)安時(shí)數(shù)為1.00Ah,故應(yīng)選擇1A的被測(cè)工作電流對(duì)應(yīng)f=(1/36)Hz,這樣,3600秒(1小時(shí))×f=100,所以應(yīng)將倒數(shù)第三位數(shù)碼管的Dp端經(jīng)電阻接電源(小數(shù)點(diǎn)位置),即這時(shí)顯示的安時(shí)值為1.00。該單元電路的核心器件為奎克半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的大規(guī)模CMOS集成電路QA64X889八位可逆十進(jìn)制多功能計(jì)數(shù)器,該電路為28腳雙列直插封裝,能直接驅(qū)動(dòng)共陰LED,最高計(jì)數(shù)頻率5kHz,最小正、負(fù)脈寬100μs,控制沿與有效計(jì)數(shù)沿最小間隔時(shí)間20μs。最大安時(shí)容量為999999.99Ah,該電路能通過BCD碼盤P0～P3預(yù)置分頻系數(shù)和S0～S7預(yù)置安時(shí)值,分頻系數(shù)的預(yù)置范圍為1～10000,若分頻系數(shù)碼盤不接,則分頻系數(shù)為1,故實(shí)際的分頻系數(shù)應(yīng)為預(yù)置數(shù)加1(即3600分頻設(shè)置為3599)。電路如圖3所示,圖中CP-接地,為低電平,以使QA64X889設(shè)置為上升沿觸發(fā)加計(jì)數(shù)模式,計(jì)數(shù)脈沖由CP+端輸入?！癝TART”為手動(dòng)計(jì)數(shù)開始按鈕,“RESET”為手動(dòng)復(fù)位按鈕?！癊QUAL”為超限輸出端,當(dāng)測(cè)量的安時(shí)值等于大于預(yù)置值時(shí),輸出高電平,使晶體管導(dǎo)通,繼電器動(dòng)作,完成報(bào)警和切斷電源的功能。4u2009安時(shí)計(jì)的校準(zhǔn)方法按電路原理圖設(shè)計(jì)制做PCB板,供電電源選擇具有±5V和±12v輸出的高穩(wěn)定度、高精度的直流穩(wěn)壓電源,各信號(hào)線采用屏蔽導(dǎo)線以防外界干擾。安時(shí)計(jì)的校準(zhǔn)須從集成霍爾電流傳感器和V/F轉(zhuǎn)換電路兩方面入手,首先對(duì)整個(gè)儀器調(diào)整零點(diǎn),即調(diào)整傳感器的調(diào)零電位器,使無被測(cè)工作電流時(shí)儀表的所有顯示均為零。然后調(diào)整傳感器的幅度調(diào)節(jié)電位器,使1A的工作電流對(duì)應(yīng)0.1V的電壓(Vi)輸出。其次調(diào)整V/F轉(zhuǎn)換電路的參數(shù),用頻率計(jì)測(cè)量f0,使100mV的電壓對(duì)應(yīng)100Hz的頻率,且誤差應(yīng)控制在±4%的范圍內(nèi),