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1、 课程设计说明书成绩题 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 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 3.2 A/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 4.2 A
2、/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 13.6.313.6.14 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
3、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，最好用PROTEL画；（9）在说明书中详细说明
4、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，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
5、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
6、： 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05
7、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
8、束信号(EOC)。数据处理及控制模块AT89C51P0P2显示模块LED数码管数据采集模块ADC0804控制信号输出显示AnalogDigitalLED位控制信号P2P3三、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
9、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
10、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
11、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
12、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.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
