基于电压互感器的单相交流资料.docx

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基于电压互感器的单相交流资料

一、课程设计任务书…………………………………………………………3

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……………………………………9

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…………………………………………11

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…………………………………………………15

五、课程设计总结…………………………………………………………15

六、参考文献……………………………………………………………15

南京工程学院

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111

起止日期2014.6.3~2014.6.13

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）画出系统总体框图（此部分放在说明书的开始）；

（8）画出系统电路图；

（9）在说明书中详细说明本系统的设计原理及调试结果。

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

第一周一

布置设计任务，熟悉课题，查找资料；

第一周二

结合测控对象，选择合适的传感器，理解传感器性能；

第一周三

设计传感器测量电路，选择合适的单片机，设计其外围电路；

第一周四

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；

第一周五

继续设计论证电路参数，完善系统设计方案；

第二周一

查找资料，理解系统各部分工作原理；

第二周二

理清系统说明要点，着手设计说明书的书写；

第二周三

书写设计说明书，充分理解系统每一部分作用；

第二周四

完善设计说明书，准备设计答辩。

第二周五

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：

年月日

一、题目及设计要求

基于电压互感器的单相交流电压测量系统设计

1.2系统总体框图

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5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）方式，下面分别简单介绍。

（1）电源引脚

电源引脚接入单片机的工作电源。

Vcc（40引脚）：

+5V电源。

GND（20引脚）：

接地。

（2）时钟引脚

XTAL1（19引脚）：

片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。

XTAL2（20引脚）：

片内振荡器反相放大器的输出端。

（3）复位RST（9引脚）

在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。

（4）

/Vpp（31引脚）

为外部程序存储器访问允许控制端。

当它为高电平时，单片机读片内程序存储器，在PC值超过0FFFH后将自动转向外部程序存储器。

当它为低电平时，只限定在外部程序存储器，地址为0000H~FFFFH。

Vpp为该引脚的第二功能，为编程电压输入端。

（5）ALE/

（30引脚）

ALE为低八位地址锁存允许信号。

（6）

（29引脚）

片外程序存储器的读选通信号。

在单片机读片外程序存储器时，此引脚输出脉冲的负跳沿作为读片外程序存储器的选通信号。

（7）pin39-pin32为P0.0-P0.7输入输出脚，称为P0口。

P0是一个8位漏极开路型双向I/O口。

（8）Pin1-Pin8为P1.0-P1.7输入输出脚，称为P1口，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/0口。

P1口能驱动4个LSTTL负载。

（9）Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，称为P2口。

（10）Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚，称为P3口。

4.2ADC0804的选用理由

4.2.1、ADC0804引脚功能:

VIN（+）和VIN（-）：

模拟电压输入端，单边输入时模拟电压输入接VIN（+）端，VIN（-）端接地。

双边输入时VIN（+）、VIN（-）分别接模拟电压信号的正端和负端。

当输入的模拟电压信号存在“零点漂移电压”时，可在VIN（-）接一等值的零点补偿电压，变换时将自动从VIN（+）中减去这一电压。

VREF/2：

参考电压接入引脚，该引脚可外接电压也可悬空，若外接电压，则ADC的参考电压为该外界电压的两倍，如不外接，则VREF与Vcc共用电源电压，此时ADC的参考电压即为电源电压Vcc的值。

CLKIN和CLKR：

外接RC振荡电路产生模数转换器所需的时钟信号，时钟频率CLK=1/1.1RC，一般要求频率范围100KHz～1460KHz。

AGND和DGND：

分别接模拟地和数字地。

：

转换结束输出信号，低电平有效，当一次A/D转换完成后，将引起=0，实际应用时，该引脚应与微处理器的外部中断输入引脚相连（如51单片机的，脚），当产生信号有效时，还需等待=0才能正确读出A/D转换结果，若ADC0804单独使用，则可以将引脚悬空。

DB0~DB7：

输出A/D转换后的8位二进制结果。

4.2.2、ADC0804工作过程

如下图所示，ADC0804的工作时序图（TimingDiagrams）：

实现一次ADC转换主要包含下面三个过程：

1.启动转换：

由下图中的上部“FIGURE 10A”可知，在CS信号为低电平的情况下，将WR引脚先由高电平变成低电平，经过至少tW（WR）I 延时后，再将WR引脚拉成高电平，即启动了一次AD。

2．延时等待转换结束：

依然由下图中的上部“FIGURE10A”可知，由拉低信号启动AD采样后，经过1到8个Tclk+INTERNALTc延时后，AD转换结束，因此，启动转换后必须加入一个延时以等待AD采样结束。

3.读取转换结果：

由下图的下部“FIGURE 10B”可知采样转换完毕后，在信号为低的前提下，将脚由高电平拉成低电平后，经过tACC的延时即可从DB脚读出有效的采样结果。

ADC0804手册给出的ADC转换时序图

对采样值进行运算变换，换算出实际的滑动变阻器输入电压值。

对于任何一个A/D采样器而言，其转换公式如下：

其中:

:

输入ADC的模拟电压值。

：

ADC转换后的二进制值。

本试验的ADC0804为八位。

：

ADC能够表示的刻度总数。

ADC0804为八位ADC,因此

：

ADC参考电压值，本试验ADC0804的

被设置为5V

因此，对于本试验，转换公式为

4.3电压互感器的选用理由

电压互感器选取100V/5V的变比，使其符合电压测量范围：

0~100VAC，检测精度：

0.1V的测量要求。

五、课程设计总结

心得体会：

两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。

在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。

学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．

六、参考文献

[1]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例.北京:

电子工业出版社.2009

[2]贾振国，许琳.智能化仪器仪表原理及应用.北京:

中国水利水电出版社.2011

[3]赵明莉《基于MSP430F5438单片机的交流电压测量》（驻631研究所代表室，西安710068）

[4]刘刚，孙玲玲，陈红《单相交流参数测量仪设计》（吉林化工学院学报）

[5]白雪峰，张宇《应用单片机实现交流电量参数的测量》（东北林业大学，哈尔滨，150040）

[6]潘文诚《交流电量参数测量方法的特点及应用》[期刊论文]-电力自动化设备2007（06）

[7]梅永;王柏林《电力系统信号采集与谐波测量方法[》期刊论文]-电测与仪表2008（09）