基于电压互感器的单相交流电压测量系统设计.docx

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基于电压互感器的单相交流电压测量系统设计

课程设计说明书

成绩

题目基于电压互感器地单相交流

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2013.6.3~2013.6.14

设计地点工程实践中心8—315

指导教师

2013年6月13日南京

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

3.2A/D转换电路………………………………………………10

四、主要元器件地选用…………………………………………10

4.1选择单片机地种类、型号………………………………………11

4.2A/D模数转换器选择……………………………………………12

4.3电压互感器选择…………………………………………………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13.6.3~13.6.14

指导教师许大宇

1．课程设计应达到地目地

通过对本课程地设计，使学生掌握常见被测量地检测原理、方法和技术，了解国内外对这些工程量进行测控地系统组建原理，通过对检测系统地设计与分析，增强学生理解和运用所学知识来解决实际问题地能力,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地方法和技术.

2．课程设计题目及要求

题目：

基于电压互感器地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，明确被控对象地功能及性能指标；

（3）根据系统要求，选择合适地电压传感器（尽量选择实验室中已有地传感器）；

（4）设计传感器测量电路；

（5）选择单片机地品种、型号，设计单片机地外围测量电路；

（6）计算有关地电路参数，有条件地情况下，根据实验室现有设备进行实验数据地测取，明确测量电路输出与被测非电量地关系；

（7）画出系统原理框图（此部分放在说明书地开始）；

（8）画出系统电路图，最好用PROTEL画；

（9）在说明书中详细说明本系统工作原理.

3．课程设计任务及工作量地要求〔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）有条件地情况下尽量给出必要地实验数据；

（3）在说明书中附上完整地系统电路原理图（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

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，选择合适地传感器，理解传感器性能；

13年6月5日

设计传感器测量电路，选择合适地单片机，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，着手设计说明书地书写；

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：

年月日

一、题目及设计要求

基于电压互感器地单相交流电压测量系统设计

二、主要设计方框图如下：

2.1、设计思路

由电压互感器取得一次系统地电压，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地电压电气参数,实现电压地转换和控制，用四位数码管显示出最后地转换电压结果.

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地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输入地0～5V地模拟量电压，经过模/数转换后，产生相应地数字量经过其输出通道D0～D7传送给AT89C51芯片地P0口.AT89C51负责把接收到地数字量经过数据处理，产生正确地7段数码管地显示段码，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，控制数码管地亮灭.另外，AT89C51还控制着ADC0808地工作.其ALE管脚为ADC0804提供了1MHz工作地时钟脉冲；P2.4控制ADC0804地地址锁存端（ALE）；P2.1控制ADC0804地启动端（START）；P2.3控制ADC0804地输出允许端（OE）；P2.0控制ADC0804地转换结束信号（EOC）.

三、主要电路

3.1、输入处理电路

为了保证硬件电路设计地通用性，采用单级性电压测量地方法，将输入地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公司地一款高性能地放大芯片）

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：

在进行A/D转换时，我们一般会采用芯片地工作电压作为A/D转换地参考电压.由于一般芯片地工作电压都为正电压，而我们在这里要测量交流电压，所以要对输入地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地基础上叠加了一个直流分量，调节上面地Vref地值就可以改变直流分量地值.如果调节Vref使直流分量地值为1.5V，并且此时输入信号是幅值为1.5V地交流正弦信号，那么输出信号就为最大值为3V，最小值为0V地单级性正弦信号.在极性转换电路基础上我们将很容易设计出我们要地输入电路.

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地交流电压信号变为幅值为1.5V左右地交流信号，此外，还需要为MCP601提供适当地参考电压信号.电路如下图所示：

从所设计地电路中我们可以得到，首先通过变压器将100V地交流电压降成3V地交流电压，再经过极性转换电路将双极性地交流电压转换为单级性地交流电压.电路中地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地幅度.经过上面电路地处理，可以将输入地交流电压转换成0～3V地单级性交流电压，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，从而实现交流电压地测量.

3.2、A/D模数转换电路

在A/D转换开始之前，逐次逼近寄存器地SAR地内容为0，在A/D转换过程中，SAR存放“试探”数字量，在转换完毕后，它地内容即为A/D转换地结果数字量.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，即可获得最后转换地结果数字量.此处，EOC端口地信号显示ADC0804地状态，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，单片机地P1.6口接收到一高电平，立马通过P2将OE置1，ADC0804地三态输出锁存器被打开，转换完地数字信号经过与D0~D7相连地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地每一位，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显示所传出地数据.例如，当P2.0~P2.3=1110，则LED接收到地数据会在第四段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获得新地数据并显示出来，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地数据.

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地时钟输入端，由外部信号源提供.单片机地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地A/D转换控制.

四、主要元器件地选用

4.1AT89C51地选用理由

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）地低电压、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）低功耗地闲置和掉电模式.

（8）片内振荡器和时钟电路.

4.1.3AT89C51地引脚介绍

89C51单片机多采用40只引脚地双列直插封装（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地工作电源.

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地输入端.

XTAL2（20引脚）：

片内振荡器反相放大器地输出端.

（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）以上地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为该引脚地第二功能，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）

片外程序存储器地读选通信号.在单片机读片外程序存储器时，此引脚输出脉冲地负跳沿作为读片外程序存储器地选通信号.

（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地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地选用理由

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地正端和负端.当输入地模拟电压信号存在“零点漂移电压”时，可在VIN（-）接一等值地零点补偿电压，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地参考电压为该外界电压地两倍，如不外接，则VREF与Vcc共用电源电压，此时ADC地参考电压即为电源电压Vcc地值.

CLKIN和CLKR：

外接RC振荡电路产生模数转换器所需地时钟信号，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地外部中断输入引脚相连（如51单片机地，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转换后地8位二进制结果.

4.2.2、ADC0804工作过程

如下图所示，ADC0804地工作时序图（TimingDiagrams）：

实现一次ADC转换主要包含下面三个过程：

1.启动转换：

在信号为低电平地情况下，将引脚先由高电平变成低电平，经过至少tW（WR）I延时后，再将引脚拉成高电平，即启动了一次AD转换.

2．延时等待转换结束：

依然由图6中地上部“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：

采样转换完毕后，在信号为低地前提下，将脚由高电平拉成低电平后，经过tACC地延时即可从DB脚读出有效地采样结果.

图6：

ADC0804手册给出地ADC转换时序图

对采样值进行运算变换，换算出实际地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地模拟电压值.

：

ADC转换后地二进制值.本实验地ADC0804为八位.

：

ADC能够表示地刻度总数.ADC0804为八位ADC,因此

：

ADC参考电压值，本实验ADC0804地

被设置为5V

因此，对于本实验，转换公式为

4.2电压互感器地选用理由

电压互感器选取100V/5V地变比，使其符合电压测量范围：

0~100VAC，检测精度：

0.1V地测量要求.

五、课程设计总结

心得体会：

这次课程设计，我了解了被测量地检测原理、方法和技术.在平时课堂学习中虽然也涉及了这些内容，但通过课程涉及让我对这些内容有了进一步地了解和认识.由于平时课本知识学得不是很扎实，涉及中遇到了好多问题，但在老师和同学地帮助下还是完成了任务，平时以为这些知识不是很有用，但是通过这次课程设计我认识到了这些知识地重要性.和上学期课程设计一样，这次课程设计让我学会了很多，实践是让我们把学得东西充分理解地很好地途径！

！

！

这个课程设计让我认识到了知识地重要性.

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单片机地交流电压测量》（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地测量》（东北林业大学，哈尔滨，150040）

[6]潘文诚《交流电量参数测量方法地特点及应用》[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）

七、附录

7.1程序设计

#include

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

sbitrs=P2^5。

sbitlcden=P2^7。

sbitwr=P2^6。

sbitWRR=P3^6。

sbitRDD=P3^7。

sbitCS=P2^0。

ucharlove=0。

ucharaa=0。

ucharresult。

uintnum=0。

uchark1=3。

uintnum1=1000。

uchartable[100]={0}。

ucharmax（uchara[]）

{

inti。

ucharmax=a[0]。

for（i=0。

i<100。

i++）

{

if（a[i]>max）

{

max=a[i]。

}

}

returnmax。

}

voiddelay（uintz）

{

uintx,y。

for（x=z。

x>0。

x--）

for（y=110。

y>0。

y--）。

}

voidwrite_com（ucharcom）

{

rs=0。

wr=0。

lcden=0。

delay

（1）。

P0=com。

delay

（1）。

lcden=1。

delay

（1）。

lcden=0。

}

voidwrite_date（uchardate）

{

rs=1。

wr=0。

lcden=0。

P0=date。

delay

（1）。

lcden=1。

delay

（1）。

lcden=0。

}

voidinit_lcd（）

{

lcden=0。

write_com（0x38）。

delay

（1）。

write_com（0x0c）。

delay

（1）。

write_com（0x06）。

delay

（1）。

write_com（0x01）。

delay

（1）。

write_com（0x80）。

delay

（1）。

write_date（'L'）。

write_com（0x81）。

delay

（1）。

write_date（'o'）。

write_com（0x82）。

delay

（1）。

write_date（'v'）。

write_com（0x83）。

delay

（1）。

write_date（'e'）。

write_com（0x84）。

delay

（1）。

write_date（''）。

write_com（0x85）。

delay

（1）。

write_date（'D'）。

write_com（0x86）。

delay

（1）。

write_date（'o'）。

write_com（0x87）。

delay

（1）。

write_date（'n'）。

write_com（0x88）。

delay

（1）。

write_date（'g'）。

write_com（0x89）。

delay

（1）。

write_date（''）。

write_com（0x8a）。

delay

（1）。

write_date（'S'）。

write_com（0x8b）。

delay

（1）。

write_date（'h'）。

write_com（0x8c）。

delay

（1）。

write_date（'e'）。

write_com（0x8d）。

delay

（1）。

write_date（'n'）。

write_com（0x8e）。

delay

（1）。

write_date（'g'）。

}

voidwrite_sfm（ucharadd,uchardate）

{

ucharge,shi。

shi=date/10。

ge=date%10。

write_com（0x80+0x40+add）。

write_date（0x30+shi）。

write_date（0x30+ge）。

}

voidinit_ad（）

{

P1=0。

P0=0。

CS=0。

}

voidstart（）

{

WRR=0。

WRR=1。

}

voidmain（）

{

init_ad（）。

init_lcd（）。

P1=0xff。

TMOD=0x01。

TH0=（65536-num1）/256。

TL0=（65536-num1）%256。

EA=1。

ET0=1。

TR0=1。

while

（1）

{

if（k1<=5）

{

num1=15000。

}

//P1=0。

//while

（1）。

//result=result/256*5。

/*lcdwritetable（0x83,"ADConvert",10）。

lcddisplay（0x80+0x40+5,result*5/256+48）。

lcddisplay（0x81+0x40+5,'.'）。

lcddisplay（0x82+0x40+5,result*5*10/256%10+48）。

lcddisplay（0x83+0x40+5,result*5*100/256%10+48）。

lcddisplay（0x84+0x40+5,'V'）。

delay（1000）。

*/

//P0=P1。

//result=（（result*5/256）*1000+（result*5*10/256%10）*100+（result*5*100/256%10）*10+result*5*1000/256%10）/50。

write_com（0x80+0x40+5）。

write_date（result*5/256+'0'）。

write_com（0x80+0x40+6）。

//write_d