基于电压互感器的单相交流电压测量系统设计2013年6月13日

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1、 课程设计说明书课程设计说明书题 目 基于电压互感器的单相交流 电压测量系统设计 课 程 名 称 检测技术与系统课程设计 院（系、部、中心） 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 生 姓 名 学 号 240102230 设 计 时 间 2013.6.32013.6.14 设 计 地 点 工程实践中心 8315 指 导 教 师 2013 年 6 月 13 日 南 京成绩2目录一、课程设计任务书 3二、系统原理及框图 7三、主要工作电路 83.1 输入电路 83.1.1 极性转换电路电路 8 3.1.2 输入电路 93.2 A/D 转换电路 10四、主要元器件的选用 104.1 选择单片机的种类

2、、型号114.2 A/D 模数转换器选择 124.3 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 147.1 软件设计14 7.2 系统总体设计 22 3课课程程设设计计任任务务书书课 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 13.6.313.6.14 指 导 教 师 许大宇 1课程设计应达到的目的4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

3、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：0100VAC，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，

4、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5(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，20092、徐仁贵.单片微型计算机应用技术.北京：机械工业出版社.20013、陈爱弟.Protel99 实用培训教程.北京：人民邮电出版社.20005课程设计进度安排6起 止 日 期工 作 内 容13 年 6 月 3 日布置设计任务，熟悉课题，

5、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

6、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1、 题目及设计要求题目及设计要求7基于电压互感器的单相交流电压测量系统设计二、二、主要设计方框图如下：主要设计方框图如下：2.1、设计思路、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、电路设计

7、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 05 V 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 D0D7 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

8、 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、主要电路三、主要电路 3.1、输入处理电路输入处理电路电压采集模数转换单片机处理数码管显示数据处理及控制 模块AT 89C 51P 0P 2显示模块 LED 数码管数据采 集模块AD C08 04控 制信 号输出显示Anal ogDi git alLED 位控制信号P 2P 38为了保证硬

9、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、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

10、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9计出我们要的输入电路。 3.1.2、输入处理电路、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

11、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 03V 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 模数转换电路模数转换电路在 A/D 转换开始之前，

12、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/D10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

13、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 D0D7 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 P2.0P2.3 口选 择用哪一段 LED 显示所传出的数据。例如，当 P2.0P2.3=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.

14、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、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、主要元器件的选用四、主要元器件的选用