基于電壓互感器的單相交流電壓測量系統(tǒng)設(shè)計說明

1、. . . . 課程設(shè)計說明書成績題 目 基于電壓互感器的單相交流 電壓測量系統(tǒng)設(shè)計 課 程 名 稱檢測技術(shù)與系統(tǒng)課程設(shè)計院（系、部、中心）專 業(yè) 電氣工程與其自動化班 級 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號 240102230 設(shè) 計 時 間 2013.6.32013.6.14 設(shè) 計 地 點 工程實踐中心8315指 導(dǎo) 教 師 2013 年 6月13日南 京目錄一、課程設(shè)計任務(wù)書 3二、系統(tǒng)原理與框圖 7三、主要工作電路 8 3.1輸入電路 83.1.1極性轉(zhuǎn)換電路電路 8 3.1.2輸入電路 93.2 A/D轉(zhuǎn)換電路 10四、主要元器件的選用 10 4.1選擇單片機(jī)的種類、型號114.2 A/D模數(shù)

2、轉(zhuǎn)換器選擇 12 4.3電壓互感器選擇13五、課程設(shè)計總結(jié)14六、參考文獻(xiàn) 14七、附錄 14 7.1軟件設(shè)計14 7.2 系統(tǒng)總體設(shè)計 22 課程設(shè)計任務(wù)書課 程 名 稱檢測技術(shù)與系統(tǒng)課程設(shè)計院（系、部、中心）電力工程學(xué)院專 業(yè)電氣工程與其自動化班 級 K電氣101 起 止 日 期13.6.313.6.14 指 導(dǎo) 教 師許大宇1課程設(shè)計應(yīng)達(dá)到的目的通過對本課程的設(shè)計，使學(xué)生掌握常見被測量的檢測原理、方法和技術(shù)，了解國外對這些工程量進(jìn)行測控的系統(tǒng)組建原理，通過對檢測系統(tǒng)的設(shè)計與分析，增強(qiáng)學(xué)生理解和運(yùn)用所學(xué)知識來解決實際問題的能力,逐步掌握根據(jù)具體測控要求、性能指標(biāo)設(shè)計出先進(jìn)測控系統(tǒng)的方法和技

3、術(shù)。2課程設(shè)計題目與要求題目：基于電壓互感器的單相交流電壓測量系統(tǒng)設(shè)計要求：（1）電壓測量圍：0100VAC，檢測精度： 0.1V；（2）根據(jù)題意，明確被控對象的功能與性能指標(biāo)；（3）根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇合適的電壓傳感器（盡量選擇實驗室中已有的傳感器）；（4）設(shè)計傳感器測量電路；（5）選擇單片機(jī)的品種、型號，設(shè)計單片機(jī)的外圍測量電路；（6）計算有關(guān)的電路參數(shù)，有條件的情況下，根據(jù)實驗室現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的測取，明確測量電路輸出與被測非電量的關(guān)系；（7）畫出系統(tǒng)原理框圖（此部分放在說明書的開始）；（8）畫出系統(tǒng)電路圖，最好用PROTEL畫；（9）在說明書中詳細(xì)說明本系統(tǒng)工作原理。3課程設(shè)計任務(wù)與

4、工作量的要求包括課程設(shè)計計算說明書、圖紙、實物樣品等要求(1) 給出設(shè)計說明書一份；(2) 有條件的情況下盡量給出必要的實驗數(shù)據(jù)；(3) 在說明書中附上完整的系統(tǒng)電路原理圖（手畫或用PROTEL畫）。4主要參考文獻(xiàn)1、 現(xiàn)明，吳皓編著.自動檢測技術(shù).：機(jī)械工業(yè)，20092、 徐仁貴.單片微型計算機(jī)應(yīng)用技術(shù).：機(jī)械工業(yè).20013、 愛弟.Protel99實用培訓(xùn)教程.：人民郵電.20005課程設(shè)計進(jìn)度安排起 止 日 期工 作 容13年6月3日布置設(shè)計任務(wù)，熟悉課題，查找資料；13年6月4日結(jié)合測控對象，選擇合適的傳感器，理解傳感器性能；13年6月5日設(shè)計傳感器測量電路，選擇合適的單片機(jī)，設(shè)計其

5、外圍電路；13年6月6日設(shè)計電路參數(shù)，有條件情況下，在實驗室進(jìn)行實驗，進(jìn)一步理解測量電路輸入輸出關(guān)系；13年6月7日繼續(xù)設(shè)計論證電路參數(shù)，完善系統(tǒng)設(shè)計方案；13年6月8日查找資料，理解系統(tǒng)各部分工作原理；13年6月9日理清系統(tǒng)說明要點，著手設(shè)計說明書的書寫；13年6月10日書寫設(shè)計說明書，充分理解系統(tǒng)每一部分作用；13年6月13日完善設(shè)計說明書，準(zhǔn)備設(shè)計答辯。13年6月14日設(shè)計答辯。6成績考核辦法平時表現(xiàn)30%，設(shè)計成果40%，答辯表現(xiàn)30%.教研室審查意見：教研室主任簽字：年月日院（系、部、中心）意見：主管領(lǐng)導(dǎo)簽字：年月日1、 題目與設(shè)計要求基于電壓互感器的單相交流電壓測量系統(tǒng)設(shè)計二、主要

6、設(shè)計方框圖如下：數(shù)碼管顯示單片機(jī)處理模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓采集2.1、設(shè)計思路 由電壓互感器取得一次系統(tǒng)的電壓，選用單片機(jī)AT89C51和A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809 通過單片機(jī)置A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，采用相應(yīng)算法編程運(yùn)算得到一次系統(tǒng)的電壓電氣參數(shù),實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換和控制，用四位數(shù)碼管顯示出最后的轉(zhuǎn)換電壓結(jié)果。2.2、電路設(shè)計原理本實驗采用AT89C51單片機(jī)芯片配合ADC0804模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成一個簡易的單相交流電壓測量電路，原理電路如圖1所示。該電路通過ADC0804芯片采樣輸入口IN0輸入的05 V的模擬量電壓，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字量經(jīng)過其輸出通道D0D7傳送給AT89C

7、51芯片的P0口。AT89C51負(fù)責(zé)把接收到的數(shù)字量經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生正確的7段數(shù)碼管的顯示段碼，并通過其P1口傳送給數(shù)碼管。同時它還通過其三位I/O口P1.0、P1.1、P1.2、P1.3產(chǎn)生位選信號，控制數(shù)碼管的亮滅。另外，AT89C51還控制著ADC0808的工作。其ALE管腳為ADC0804提供了1MHz工作的時鐘脈沖；P2.4控制ADC0804的地址鎖存端(ALE)；P2.1控制ADC0804的啟動端(START)；P2.3控制ADC0804的輸出允許端(OE)；P2.0控制ADC0804的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(EOC)。數(shù)據(jù)處理與控制模塊AT89C51P0P2顯示模塊LED數(shù)碼管數(shù)據(jù)采集模

8、塊ADC0804控制信號輸出顯示AnalogDigitalLED位控制信號P2P3三、主要電路3.1、輸入處理電路為了保證硬件電路設(shè)計的通用性，采用單級性電壓測量的方法，將輸入的雙極性電壓轉(zhuǎn)換成單級性電壓進(jìn)行測量。整個電路主要包括極性轉(zhuǎn)換電路和輸入處理電路。其中，極性轉(zhuǎn)換電路主要由放大電路實現(xiàn)，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）如圖所示，該芯片共有8個管腳，Vcc管腳：電源管腳GND管腳：接地管腳VIN-管腳：負(fù)輸入端管腳VIN+管腳：正輸入端管腳OUT管腳：輸出管腳3.1.1、極性轉(zhuǎn)換電路：在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時，我們一般會采用芯片

9、的工作電壓作為A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓。由于一般芯片的工作電壓都為正電壓，而我們在這里要測量交流電壓，所以要對輸入的交流信號進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換，將雙極性變成單級性。下圖為極性轉(zhuǎn)換電路：在極性轉(zhuǎn)換電路中，ADOUT為輸出信號。輸出信號是在輸入信號ADIN的基礎(chǔ)上疊加了一個直流分量，調(diào)節(jié)上面的Vref的值就可以改變直流分量的值。如果調(diào)節(jié)Vref使直流分量的值為1.5V，并且此時輸入信號是幅值為1.5V的交流正弦信號，那么輸出信號就為最大值為3V，最小值為0V的單級性正弦信號。在極性轉(zhuǎn)換電路基礎(chǔ)上我們將很容易設(shè)計出我們要的輸入電路。3.1.2、輸入處理電路：在極性轉(zhuǎn)換電路基礎(chǔ)上，輸入處理電路需要將100V的交

10、流電壓信號變?yōu)榉禐?.5V左右的交流信號，此外，還需要為MCP601提供適當(dāng)?shù)膮⒖茧妷盒盘?。電路如下圖所示：從所設(shè)計的電路中我們可以得到，首先通過變壓器將100V的交流電壓降成3V的交流電壓，再經(jīng)過極性轉(zhuǎn)換電路將雙極性的交流電壓轉(zhuǎn)換為單級性的交流電壓。電路中的RV1電位器主要用調(diào)節(jié)參考電壓，RV2電位器用于調(diào)節(jié)交流輸入電壓的幅度。經(jīng)過上面電路的處理，可以將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換成03V的單級性交流電壓，這樣很容易使用AT89C51單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行模擬量采集，從而實現(xiàn)交流電壓的測量。3.2、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路在A/D轉(zhuǎn)換開始之前，逐次逼近寄存器的SAR的容為0，在A/D轉(zhuǎn)換過程中，SA

11、R存放“試探”數(shù)字量，在轉(zhuǎn)換完畢后，它的容即為A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果數(shù)字量。邏輯控制與定時電路在START正脈沖啟動后工作，沒來一個CLK脈沖，該電路就可能告知向SAR中傳送一次試探值，對應(yīng)輸出U0與U1比較，確定一次逼近值，經(jīng)過8次逼近，即可獲得最后轉(zhuǎn)換的結(jié)果數(shù)字量。此處，EOC端口的信號顯示ADC0804的狀態(tài)，開始A/D轉(zhuǎn)換時，EOC為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，輸出高電平。3.2.1、 數(shù)據(jù)處理與控制A/D轉(zhuǎn)換完畢后，單片機(jī)的P1.6口接收到一高電平，立馬通過P2將OE置1，ADC0804的三態(tài)輸出鎖存器被打開，轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號經(jīng)過與D0D7相連的P0口進(jìn)入AT89C51。AT89C51根據(jù)公式1-

12、1將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬量，然后利用程序獲取模擬量的每一位，分別通過P2口輸出到LED上。與此同時，AT89C51會通過P2.0P2.3口選擇用哪一段LED顯示所傳出的數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)P2.0P2.3=1110，則LED接收到的數(shù)據(jù)會在第四段LED上顯示。 另外，AT89C51一旦獲得了數(shù)據(jù)后便會將ST置0，即模數(shù)轉(zhuǎn)換器停止轉(zhuǎn)換，知道LED獲得新的數(shù)據(jù)并顯示出來，ST才會重新置1.由于AT89C51轉(zhuǎn)換速率很快（微妙量級），所以不會影響其接收新的數(shù)據(jù)。3.2.2、設(shè)計過程簡易交流電壓測量電路由A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理與顯示控制等組成。電路原理圖見附錄2。A/D轉(zhuǎn)換由集成電路0804完成。0804具有8

13、路模擬輸入端口，地址(23-25)腳可決定對哪路模擬輸入作A/D轉(zhuǎn)換，22腳為地址鎖存控制，當(dāng)輸入為高電平時，對地址信號進(jìn)行鎖存。6腳為測試控制，當(dāng)輸入一個2us寬高電平脈沖時，就開始A/D轉(zhuǎn)換。7腳為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時7腳輸出高電平。9腳為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制，當(dāng)OE腳為高電平時，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從該端口輸出。10腳為0804的時鐘輸入端，由外部信號源提供。單片機(jī)的P1、P3.0-P3.3端口作為四位LED數(shù)碼管現(xiàn)實控制。P3.5端口用作單路顯示/循環(huán)顯示轉(zhuǎn)換按鈕，P3.6端口用作單路顯示時選擇通道。P0端口作A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入用，P2端口用作0804的A/D轉(zhuǎn)換控制

14、。四、主要元器件的選用 4.1 AT89C51的選用理由4.1.1簡單概述AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。外形與引腳排列如圖3-2所示。圖3-2 AT89C51芯片模型4.1.2主要功能特性(1) 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器。 (2) 32個雙向I/O口；1288位部RAM 。(3) 2個16位可編程定時/計數(shù)器中斷，時鐘頻率0-24MHz。 (4) 可編程串行通道。 (5) 5個中斷源。 (6) 2個讀寫中斷

15、口線。 (7) 低功耗的閑置和掉電模式。(8) 片振蕩器和時鐘電路。4.1.3 AT89C51的引腳介紹89C51單片機(jī)多采用40只引腳的雙列直插封裝(DIP)方式，下面分別簡單介紹。(1)電源引腳電源引腳接入單片機(jī)的工作電源。Vcc(40引腳）：+5V電源。GND(20引腳)：接地。(2)時鐘引腳XTAL1(19引腳)：片振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生器電路的輸入端。XTAL2(20引腳)：片振蕩器反相放大器的輸出端。(3)復(fù)位RST(9引腳)在振蕩器運(yùn)行時，有兩個機(jī)器周期（24個振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此引腳時，將使單片機(jī)復(fù)位，只要這個腳保持高電平，51芯片便循環(huán)復(fù)位。(4)/Vpp(31

16、引腳)為外部程序存儲器訪問允許控制端。當(dāng)它為高電平時，單片機(jī)讀片程序存儲器，在PC值超過0FFFH后將自動轉(zhuǎn)向外部程序存儲器。當(dāng)它為低電平時，只限定在外部程序存儲器，地址為0000HFFFFH。Vpp為該引腳的第二功能，為編程電壓輸入端。(5)ALE/(30引腳)ALE為低八位地址鎖存允許信號。(6)(29引腳)片外程序存儲器的讀選通信號。在單片機(jī)讀片外程序存儲器時，此引腳輸出脈沖的負(fù)跳沿作為讀片外程序存儲器的選通信號。(7) pin39-pin32為P0.0-P0.7輸入輸出腳，稱為P0口。P0是一個8位漏極開路型雙向I/O口。(8)Pin1-Pin8為P1.0-P1.7輸入輸出腳，稱為P1

17、口，是一個帶部上拉電阻的8位雙向I/0口。P1口能驅(qū)動4個LSTTL負(fù)載。(9)Pin21-Pin28為P2.0-P2.7輸入輸出腳，稱為P2口。(10)Pin10-Pin17為P3.0-P3.7輸入輸出腳，稱為P3口。4.2 ADC0804的選用理由4.2.1、ADC0804引腳功能:VIN（+）和VIN（-）：模擬電壓輸入端，單邊輸入時模擬電壓輸入接VIN（+）端，VIN（-）端接地。雙邊輸入時VIN（+）、VIN（-）分別接模擬電壓信號的正端和負(fù)端。當(dāng)輸入的模擬電壓信號存在“零點漂移電壓”時，可在VIN（-）接一等值的零點補(bǔ)償電壓，變換時將自動從VIN（+）中減去這一電壓。VREF/2：

18、參考電壓接入引腳，該引腳可外接電壓也可懸空，若外接電壓，則ADC的參考電壓為該外界電壓的兩倍，如不外接，則VREF與Vcc共用電源電壓，此時ADC的參考電壓即為電源電壓Vcc的值。CLK IN和CLK R：外接RC振蕩電路產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換器所需的時鐘信號，時鐘頻率CLK = 1/1.1RC，一般要求頻率圍100KHz1460KHz。AGND和DGND：分別接模擬地和數(shù)字地。 ：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號，低電平有效，當(dāng)一次A/D轉(zhuǎn)換完成后，將引起=0，實際應(yīng)用時，該引腳應(yīng)與微處理器的外部中斷輸入引腳相連（如51單片機(jī)的，腳），當(dāng)產(chǎn)生信號有效時，還需等待=0才能正確讀出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，若ADC0804單獨使用

19、，則可以將引腳懸空。DB0DB7：輸出A/D轉(zhuǎn)換后的8位二進(jìn)制結(jié)果。4.2.2、ADC0804工作過程如下圖所示，ADC0804的工作時序圖(Timing Diagrams)：實現(xiàn)一次ADC轉(zhuǎn)換主要包含下面三個過程： 1.啟動轉(zhuǎn)換：在信號為低電平的情況下，將引腳先由高電平變成低電平，經(jīng)過至少tW(WR)I 延時后，再將引腳拉成高電平，即啟動了一次AD轉(zhuǎn)換。2延時等待轉(zhuǎn)換結(jié)束：依然由圖6中的上部“FIGURE 10A”可知，由拉低信號啟動AD采樣后，經(jīng)過1到8個Tclk+INTERNAL Tc延時后，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，因此，啟動轉(zhuǎn)換后必須加入一個延時以等待AD采樣結(jié)束。3.讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果：采樣轉(zhuǎn)換完畢

20、后，在信號為低的前提下，將腳由高電平拉成低電平后，經(jīng)過tACC的延時即可從DB腳讀出有效的采樣結(jié)果。圖6：ADC0804手冊給出的ADC轉(zhuǎn)換時序圖對采樣值進(jìn)行運(yùn)算變換，換算出實際的滑動變阻器輸入電壓值。對于任何一個A/D采樣器而言，其轉(zhuǎn)換公式如下：其中:輸入ADC的模擬電壓值。：ADC轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制值。本試驗的ADC0804為八位。：ADC能夠表示的刻度總數(shù)。ADC0804為八位ADC,因此：ADC參考電壓值，本試驗ADC0804的被設(shè)置為5V因此，對于本試驗，轉(zhuǎn)換公式為4.2 電壓互感器的選用理由 電壓互感器選取100V/5V的變比，使其符合電壓測量圍：0100VAC，檢測精度： 0.1V的

21、測量要求。五、課程設(shè)計總結(jié)心得體會：這次課程設(shè)計，我了解了被測量的檢測原理、方法和技術(shù) 。在平時課堂學(xué)習(xí)中雖然也涉與了這些容，但通過課程涉與讓我對這些容有了進(jìn)一步的了解和認(rèn)識。由于平時課本知識學(xué)得不是很扎實，涉與中遇到了好多問題，但在老師和同學(xué)的幫助下還是完成了任務(wù)，平時以為這些知識不是很有用，但是通過這次課程設(shè)計我認(rèn)識到了這些知識的重要性。和上學(xué)期課程設(shè)計一樣，這次課程設(shè)計讓我學(xué)會了很多，實踐是讓我們把學(xué)得東西充分理解的很好的途徑！這個課程設(shè)計讓我認(rèn)識到了知識的重要性。六、參考文獻(xiàn)1偉.單片機(jī)C語言程序設(shè)計實訓(xùn)100例.:電子工業(yè).2009 2賈振國，許琳.智能化儀器儀表原理與應(yīng)用.:中國水

22、利水電.20113明莉基于MSP430F5438 單片機(jī)的交流電壓測量（駐631 研究所代表室，710068）4剛，玲玲，紅單相交流參數(shù)測量儀設(shè)計（化工學(xué)院學(xué)報）5白雪峰，宇應(yīng)用單片機(jī)實現(xiàn)交流電量參數(shù)的測量（東北林業(yè)大學(xué)，150040）6文誠 交流電量參數(shù)測量方法的特點與應(yīng)用期刊論文-電力自動化設(shè)備 2007(06)7梅永;王柏林 電力系統(tǒng)信號采集與諧波測量方法期刊論文-電測與儀表 2008(09)七、附錄7.1程序設(shè)計#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit rs=P25;sbit lcden=P27;s

23、bit wr=P26;sbit WRR=P36;sbit RDD=P37;sbit CS=P20;uchar love=0;uchar aa=0;uchar result;uint num=0;uchar k1=3;uint num1=1000;uchar table100=0;uchar max(uchar a)int i;uchar max=a0;for(i=0;imax)max=ai;return max;void delay(uint z)uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);void write_(uchar )rs=0;wr=0;lcden

24、=0;delay(1);P0=;delay(1);lcden=1;delay(1);lcden=0;void write_date(uchar date) rs=1;wr=0;lcden=0;P0=date;delay(1);lcden=1;delay(1);lcden=0;void init_lcd()lcden=0;write_(0x38);delay(1);write_(0x0c);delay(1);write_(0x06);delay(1);write_(0x01);delay(1);write_(0x80);delay(1);write_date(L); write_(0x81);d

25、elay(1);write_date(o);write_(0x82);delay(1);write_date(v);write_(0x83);delay(1);write_date(e);write_(0x84);delay(1);write_date( );write_(0x85);delay(1);write_date(D);write_(0x86);delay(1);write_date(o);write_(0x87);delay(1);write_date(n);write_(0x88);delay(1);write_date(g);write_(0x89);delay(1);writ

26、e_date( );write_(0x8a);delay(1);write_date(S);write_(0x8b);delay(1);write_date(h);write_(0x8c);delay(1);write_date(e);write_(0x8d);delay(1);write_date(n);write_(0x8e);delay(1);write_date(g);void write_sfm(uchar add,uchar date)uchar ge,shi;shi=date/10;ge=date%10;write_(0x80+0x40+add);write_date(0x30+

27、shi);write_date(0x30+ge);void init_ad()P1=0;P0=0;CS=0; void start()WRR=0;WRR=1;void main()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,AD Convert,10);lcddisplay(0x