智能仪器课程设计.docx

1、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： XX XX XX 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：0220VAC、0380VAC电压输出范围：0220VDC、0380VDC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

2、CPU计数器测频率，采用LM331进行VF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

3、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

4、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 51.硬件部分 51.1数字量输入通道 51.2数码管显示电路： 91.3通讯部分： 101.4 EEPROM及实时时钟部分 111.5复位电路及晶振 121.6储存模块 122.软件部分 132.1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

5、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0460kHz）、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200A.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

6、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

7、-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

8、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,

9、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 1.9

10、0V 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=6.8k,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

11、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、bg、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

12、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。1.4 EEPROM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（Inter Integrated Circuit内部集成电路总线） 是两线式串行总线，仅需要时钟和数

13、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

14、、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：EE

15、PROM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

16、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。