智能仪器课程设计.docx

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智能仪器课程设计

题目：

智能电压监测仪表

班级：

09机电班

姓名：

XXXXXX

学号：

XXXXXXXXXX

指导老师：

杨

设计要求

利用V/F设计一智能型电压监测仪表，实现以下主要功能：

电压输入范围：

0~220VAC、0~380VAC

电压输出范围：

0~220VDC、0~380VDC

记录每天整点电压值，每天运行分钟数，超上限运行分钟数，超下限运行分钟数，每天电压的最大、最小值及发生时刻，每天平均电压值，自动校准。

数据存储：

存储180天。

通讯功能：

既有RS232C，能设定电压上、下限值，能设定系统时间，能按需

读取数据或按批量读取数据，显示6位LED

精度：

1%

直流电—将电压转换频率。

利用CPU计数器测频率，采用LM331进行V／F变换。

参考文献

⏹《智能化仪器原理及应用》西安电子科技大学出版社曹建平主编

⏹《单片机初级教程—单片机基础》北京航空航天大学出版社张迎新主编

⏹《电工电子学》清华大学出版社刘润华主编

⏹刘春生真有效值AC/DC转换器AD736及其在RMS仪表电路中的运用国外电子元件2001.9

关键字：

电压检测智能监测

摘要

电力系统中电网电压的测量与监控影响电网系统调节和自动化管理。

为实时监控电网电压，本次课程设计就是要设计一个电压监测仪实时监测电网电压值。

智能电压监测仪实现的是对220v或380v电压值的监测，在每天的整点时监测电网的电压值，并记录时刻，每天最小电压、最大电压值的发生时刻及运行时间，每天的平均电压值，并具有自动切换量程，自动校准，掉电存储等，能实现与上位机通讯并由上位机设定上下限、设定系统时间及读取数据等。

此次智能电压检测仪实现的是对220v或380v电压值的检测，在每天的整点时监测电网的电压值，并记录时刻，每天最小电压、最大电压值的发生时刻及运行时间，每天的平均电压值，并具有自动切换量程，自动校准，掉电存储等，能实现与上位机通讯并由上位机设定上下限、设定系统时间及读取数据等。

大体可分为A/D转换部分和单片机部分。

A/D部分实现对电压的采集，并转换为特定频率，单片机部分对输入的频率进行计数，经程序处理转变为电压值，在数码管显示，通讯部分用串口实现，掉电存储用AT24c02片外存储器，实时时钟芯片DS1302为单片机提供准确的时钟信号。

目录

摘要3

设计的基本结构和工作流程5

1.硬件部分5

1.1数字量输入通道5

1.2数码管显示电路：

9

1.3通讯部分：

10

1.4EEPROM及实时时钟部分11

1.5复位电路及晶振12

1.6储存模块12

2.软件部分13

2.1工作流程14

致谢15

设计的基本结构和工作流程

智能型电压监测仪由硬件和软件两大部分组成。

1硬件部分

智能型电压监测仪的硬件部分由单片机主机电路、数字量输入通道、显示部分、通讯接口、实时时钟电路及EEPROM等组成，如下图所示。

数码管显示

数字量输入通道

EEPROM

通讯接口

主机电路

单片机

实时时钟信号

1.1数字量输入通道

数字量输入通道主要用到的是AD736和LM331芯片.

AD736是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC转换器。

其主要特点是准确度高、灵敏性好（满量程为200mVRMS）、测量速率快、频率特性好（工作频率范围可达0～460kHz）、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低最大的电源工作电流为200μA.用它来测量正弦波电压的综合误差不超过±3%。

LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片,可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。

LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路,在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。

LM331的动态范围宽,可达100dB;线性度好,最大非线性失真小于0.01%,工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性;变换精度高,数字分辨率可达12位;外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路,并且容易保证转换精度。

电路中由AD736对电压采集，输出该交流电的有效值，并给LM331进行频率转换。

AD736的输入电压最大为200mV，所以从市电接入时还要进行衰减，可用变压器降压，再用电阻分压到200mV输给AD736，从AD736输出时最大电压才200mV，LM331可测量的电压值为-5V，必须放大-25倍，可用双运放芯片LM358实现，从LM331出来后就可直接接到单片机了。

具体电路如下：

市电接入部分电路，其中moc3061为继电器，控制两档不同的待测电压经过变压器降压后接到整流桥再衰减为1%后变为200mV，经过AD736电路，输出交流电的真有效值再经过两个运放放大，变为-5V，再接到lm331的。

lm331把输入电压变为频率输出，接到单片机的T0计数器输出口。

因单片机的计数是相当于脉冲的方式，故取名为数字量输入通道。

电压到频率的具体实现是:

上图是由LM331组成的电压—频率变换电路。

外接电阻Rt、Ct和定时比较器、复零晶体管、R-S触发器等构成单稳定时电路。

当输入端Vi+输入一正电压时,输入比较器输出高电平,使R-S触发器置位,Q输出高电平,输出驱动管导通,输出端fo为逻辑低电平,同时,电流开关打向右边,电流源IR对电容CL充电。

此时由于复零晶体管截止,电源Vcc也通过电阻Rt对电容Ct充电。

当电容Ct两端充电电压大于Vcc的2/3时,定时比较器输出一高电平,使R-S触发器复位,Q输出低电平,输出驱动管截止,输出端fo为逻辑高电平,同时,复零晶体管导通,电容Ct通过复零晶体管迅速放电;电流开关打向左边,电容CL对电阻RL放电。

当电容CL放电电压等于输入电压Vi时,输入比较器再次输出高电平,使R-S触发器置位,如此反复循环,构成自激振荡。

右图画出了电容Ct、CL充放电和输出脉冲f0的波形。

设电容CL的充电时间为t1,放电时间为t2,则根据电容CL上电荷平衡的原理,我们有:

（IR-VL/RL）t1=t2VL/RL下图为电容充放电输出波形图：

从上式可得:

f0=1/（t1+t2）=VL/（RLIRt1）实际上,该电路的VL在很少的范围内（大约10mV）波动,因此,可认为VL=Vi,故上式可以表示为:

f0==Vi/（RLIRt1），可见,输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比,从而实现了电压-频率变换。

式中IR由内部基准电压源供给的1.90V参考电压和外接电阻Rs决定,IR=1.90/Rs,改变Rs的值,可调节电路的转换增益,t1由定时元件Rt和Ct决定,其关系是：

t1=1.1RtCt,典型值Rt=6.8kΩ,Ct=0.01µF,t1=7.5µs。

由f0=Vi/（RLIRt）可知,电阻Rs、RL、Rt和电容Ct直接影响转换结果f0,因此对元件的精度要有一定的要求,可根据转换精度适当选择。

电容CL对转换结果虽然没有直接的影响。

但应选择漏电流小的电容器。

电阻R1和电容C1组成低通滤波器,可减少输入电压中的干扰脉冲,有利于提高转换精度。

1.2数码管显示电路：

此为单片机的所有网络标号，其中31脚接电源

数码管采用动态显示方式，其中a、b···g、dp七段显示二极管并联接到P0口，低位在前，位选接到P2口的低六位。

能显示电压值、系统时间。

数码管显示的原理是：

数码管的每一位七段LED的阳极接在一起，阴极引出分别接在P0口的八位IO口上，阳极接电源正极，通过位选口决定电源的开断，阴极口又称数据口，通过控制数据口各位不同的高低电平让不同段的LED显示，从而显示不同字符。

各个数据口的接线可自由选择，高位在前或低位在前，当数据口接线确定口，不同字符的数据也确定了。

1.3通讯部分：

电平转换及串口通讯电路MAX232实现电平转换，因单片机用的是正逻辑的TTL电平，与RS232的电平逻辑相反，必须进行电平转换。

串口通信采用全双工最简系统连接，以便实时与上位机或其他智能仪器通信。

1.4EEPROM及实时时钟部分

AT24c02提供片外存取空间，存储每天的点钟电压值及运行分钟数，能实现掉电储存数据；DS1302为单片机提供实时时钟信号，保证系统时间的准确。

1.5复位电路及晶振

复位电路采用按键电平复位，RST接到第9脚，晶振用11.0592MHz。

1.6储存模块

实时电压检测网络，需要不断的存储各类电压值，时间值等数据，因此需要增加一个外部数据存储器，作为实时数据存取。

I2C总线（InterIntegratedCircuit内部集成电路总线）是两线式串行总线，仅需要时钟和数据两根线就可以进行数据传输，仅需要占用微处理器的2个I/O引脚，使用时十分方便。

I2C总线还可以在同一总线上挂多个器件，每个器件可以有自己的器件地址，读写操作时需要先发送器件地址，该地址的器件得到确认后便执行相应的操作，而在同一总线上的其它器件不做响应，称之为器件寻址，这个原理就像我们打电话的原理相当。

而ATMEL的24C64芯片，存储位是64K位，也就是说可以存储8K（8192）字节，它支持1.8V到5V电源，可以擦写1百万次，数据可以保持100年，使用5V电源时时钟可以达到400KHz。

这款芯片正好适合我们这个系统工作需要。

因此选用24C64作为外部数据存储芯片。

将24C64芯片的引脚5、6分别接入单片机的P1.1和P1.2口，即可作为单片机的外部数据存储，其电路接法如下：

2软件部分

智能型电压监测仪的系统软件主要有频率转换程序、显示程序、数据记录、数据读取等，频率转换程序对数字量输入通道的信号进行计数，并转换为一定的电压值，通过显示程序显示在数码管上，数据记录用来记录整点电压值、运行分钟数、超上限运行分钟数、超下限运行分钟数，数据读取是当上位机有要求读取数据时读取存储在EEPROM的数据。

2.1工作流程

开始

开机自检

是否整点

读取电压值及

时间并显示

N

Y

记录电压值及时刻

显示

是否最大值

N

是否最小值

替换掉最大值，并记录时刻

Y

N

替换掉最小值，并记录时刻

Y

开机自检运行项目：

EEPROM的监测、RAM的监测、数码管的监测。

EEPROM的监测一般采用“校验和”的方法，其具体的方法是：

在将仪器程序机器码写入EEPROM的时候，保留一个单元，此单元不是用于写程序代码，而是用于写入“校验字”。

“校验字”应能满足EEPROM中所有单元的每一列都具有奇数个“1”。

程序内容是：

对每一列数进行异或运算，如果EEPROM无故障，各列的运算结果都为“1”，即校验和等于0xFF。

RAM的监测：

先将0x55写入RAM的一个单元，然后从改单元中读取数据，并与0x55进行比较，若不相符，则显示出错并给出出错单元地址；若相符，则再写入0xAA，然后从该单元中读取数据，并与0xAA比较，若不相符，则显示出错并给出出错单元地址，若相符，则修改指针地址，用同样地方法对下一个单元进行“读写”监测。

依此类推，直到最后一个单元监测完毕即可。

数码管的监测：

送一个显示“8”的字符，依次选通各个位选，若所有数码管都显示“8”，则数码管正常，若显示不完全，则可知道到底是哪个段选出错。

软件运行的流程为：

实时对电压值进行显示，并对DS1302进行读取时间，整点到时将电压值及时刻写入AT24C02，每存入一个数据就进行最大最小值比较，同时记下时间。

这样轮流运行，电压值是实时显示在数码管的，但后台也有存储数据。

平均值的计算：

读取24个整点电压值，然后取平均值，存于一个地址。

致谢

在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。

首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。

在此期间，我不仅学到了许多新的知识，对智能仪器有了更深入的了解，其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的难题。

最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。