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檢測系統(tǒng)設計原則與步驟設計原則自動檢測系統(tǒng)的設計,多數(shù)采用自頂向下的設計方法,即從總體到局部、再到細節(jié)。先考慮整體目標,明確任務,把整體分解為多個子任務,并充分考慮子任務之間的聯(lián)系。這樣就把一個較大的、復雜的、難解決的問題分解成若干個較小的、簡單的、易解決的問題。在某些場合反其道行之,采取自底向上的設計方法。為了完成某個檢測任務,可以利用現(xiàn)有的模塊、儀器,綜合成一個滿足要求的系統(tǒng)。設計步驟(1) 確定任務、擬定設計方案(2) 硬件和軟件的設計研制階段(3) 系統(tǒng)總調、性能測試階段二.系統(tǒng)原理框圖 M M 被:測電斥:!!:±J77f■-S電壓互感器::信號園理__l-4.-1__l--l;「-4-IT單片機

__l-4.-1__l--l;「-4-IT單片機三.信號檢測及調理電路電壓互感器的選擇為得到檢測系統(tǒng)可接受的電壓,需將測量電壓范圍經由電壓互感器轉換為小電壓,為能符合A/D轉換器的輸入要求,現(xiàn)選擇變比為20:1的單相電壓互感器,將0?100V交流電壓降至0?5V小范圍,為輸入后續(xù)電路做準備。濾波電路設計通常在單片機的工作現(xiàn)場中存在許多干擾源,被測信號混雜有不同頻率的干擾,這些干擾源會淹沒待提取的有用信號,影響系統(tǒng)的正常工作,因此需要有一種電路能選出有用的頻率信號,抑制頻率與信號不同的干擾。具有這種功能的電路就稱為濾波電路,簡稱濾波器。在實際中主要的干擾是電源干擾,數(shù)字模擬電路間的相互作用等,所以抗干擾處理主要也是針對這些方面。抑制電源的干擾通常使用線路濾波器消除電源脈沖干擾的高頻分量,用隔離變壓器隔離感應干擾的傳輸。在本次設計中,對交流電采用電壓互感器降壓,再經過電容去耦、濾波處理,電壓波形穩(wěn)定,無毛刺。濾波器的種類繁多,根據濾波器的選頻作用,一般將濾波器分為四類,即低通、高通、帶通和帶阻濾波器。本次設計選用的為二階反相型低通有源濾波器,詳見電路圖。電路圖及說明uiui如圖,為信號檢測與濾波電路,0?100V被測交流信號經電壓互感器降壓為0?5V小電壓,輸入濾波裝置。圖中選用的濾波器為低通濾波器,電壓放大R比為仝3,因選用的電壓互感器已將電壓變換至所需小范圍,為不使電壓超出R1A/D轉換器可接受的范圍,故選擇R R,使放大比為1,經濾波電路后電壓31大小不發(fā)生變化。四.單片機擴展電路采樣保持電路設計模擬信號進行A/D轉換時,從啟動轉換到轉換結束輸出數(shù)字量,需要一定的轉換時間,即A/D轉換器的孔徑時間。在這個轉換時間內,模擬信號要基本保持不變,否則轉換精度沒有保證。要防止誤差的產生,必須在A/D轉換開始時將輸入信號的電平保持住,而在A/D轉換結束后又能跟蹤輸入信號的變化。能完成這種功能的電路叫采樣保持電路,由采樣保持電路構成的器件叫采樣保持器。采樣保持器是一種具有信號輸入、信號輸出以及由外部指令控制的模擬門電路。它主要由模擬開關K,電容C和緩沖放大器A組成,結構如圖:采樣保持器是用邏輯電平控制其工作狀態(tài)的,它具有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài):(1) 跟蹤狀態(tài)。在此期間,采樣保持器盡可能快地接收模擬輸入信號,并精確地跟蹤模擬信號的變化,一直到接到保持指令為止。(2) 保持狀態(tài)。對接收到保持指令前一瞬間的模擬輸入信號進行保持。如圖,低阻抗模擬開關K,受采樣/保持信號Ug的控制。采樣時,Ug為高電平時,開關K導通,C上的電壓Uc等于被測信號電壓。量化時,Ug等于低電平,開關K切斷,Uc電壓得以保持。由于這種器件的跟隨器A輸入阻抗極大,電容C的泄露極小,跟隨器增益等于1,因此在量化時間內輸出電壓Uo=Uc,也等于量化起始時所采的Ux瞬時值。本次設計,采用一般結構的采樣保持電路,即上圖,將經濾波后的電壓信號輸入采樣保持器,為A/D轉換做好準備。A/D轉換電路設計(1)A/D轉換介紹模數(shù)轉換器即A/D轉換器,或簡稱ADC,通常是指將時間上連續(xù),幅值也連續(xù)的模擬量轉換為時間上離散,幅值也離散的數(shù)字信號的電子元件。通常的模數(shù)轉換器是將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數(shù)字信號。由于數(shù)字信號本身不具有實際意義,僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數(shù)轉換器都需要一個參考模擬量作為轉換的標準,比較常見的參考標準為最大的可轉換信號大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。模數(shù)轉換器最重要的參數(shù)是轉換的精度, 通常用輸出的數(shù)字信號的位數(shù)的多少表示。轉換器能夠準確輸出的數(shù)字信號的位數(shù)越多,表示轉換器能夠分辨輸入信號的能力越強,轉換器的性能也就越好。例如,對于一個2位的電壓模數(shù)轉換器,如果將參考設為1V,那么輸出的信號有00、01、10、11,4種編碼,分別代表輸入電壓在0V-0.25V,0.26V-0.5V,0.51V-0.75V,0.76V-1V時的對應輸入。分為4個等級編碼,當一個0.8V的信號輸入時,轉換器輸出的數(shù)據為11。A/D轉換一般要經過采樣、保持、量化及編碼 4個過程。在實際電路中,有些過程是合并進行的,如采樣和保持,量化和編碼在轉換過程中是同時實現(xiàn)的。模數(shù)轉換過程包括量化和編碼。量化是將模擬信號量程分成許多離散量級,并確定輸入信號所屬的量級。編碼是對每一量級分配唯一的數(shù)字碼,并確定與輸入信號相對應的代碼。最普通的碼制是二進制,它有2n個量級(n為位數(shù)),可依次逐個編號。模數(shù)轉換的方法很多,從轉換原理來分可分為直接法和間接法兩大類。 直接法是直接將電壓轉換成數(shù)字量。它用數(shù)模網絡輸出的一套基準電壓, 從高位起逐位與被測電壓反復比較,直到二者達到或接近平衡??刂七壿嬆軐崿F(xiàn)對分搜索的控制,其比較方法如同天平稱重。先使二進位制數(shù)的最高位 Dn-l=l,經數(shù)模轉換后得到一個整個量程一半的模擬電壓 VS,與輸入電壓Vin相比較,若Vin>VS,則保留這一位;若Vin<Vin,則Dn-l=O。然后使下一位Dn-2二1,與上一次的結果一起經數(shù)模轉換后與Vin相比較,重復這一過程,直到使D0=1,再與Vin相比較,由Vin>VS還是Vin<V來決定是否保留這一位。經過n次比較后,n位寄存器的狀態(tài)即為轉換后的數(shù)據。這種直接逐位比較型(又稱反饋比較型)轉換器是一種高速的數(shù)模轉換電路,轉換精度很高,但對干擾的抑制能力較差,常用提高數(shù)據放大器性能的方法來彌補。它在計算機接口電路中用得最普遍。間接法不將電壓直接轉換成數(shù)字,而是首先轉換成某一中間量,再由中間量轉換成數(shù)字。常用的有電壓-時間間隔(V/T)型和電壓-頻率(V/F)型兩種,其中電壓-時間間隔型中的雙斜率法(又稱雙積分法)用得較為普遍。模數(shù)轉換器的選用具體取決于輸入電平、輸出形式、控制性質以及需要的速度、分辨率和精度。用半導體分立元件制成的模數(shù)轉換器常常采用單元結構,隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展,模數(shù)轉換器體積逐漸縮小為一塊模板、一塊集成電路,常見的芯片有8位、10位、12位3種形式。(2)芯片選取常用的并行比較型A/D轉換器產品有AD9012(TTL工藝,8位)、AD9002(ECL工藝,8位)、AD9020(TTL工藝,10位)等;常用的逐次比較型A/D轉換器有ADC0808/0809系列(8位)、AD575(10位)、AD574(12位)等;常用的雙積分型A/D轉換器有ADC-EK8B(8位,二進制碼)、ADC-EK10B(10位,二進制碼)、MC14433(31位,BCD碼)等。2本次設計選用的是AD574模數(shù)轉換芯片,以滿足交流信號的檢測。AD574A是一種高性能的12位逐次逼進式A/D轉換器。該芯片具有可以與8位或16位微處理器系統(tǒng)總線直接配接的三態(tài)輸出緩沖電

路,片內包含基準電源和時鐘,轉換時間為25口s,線性誤差為±1/2LSB,,單極性或雙極性電壓輸入,輸入模擬信號范圍有0?10V、0?20V及±5V、±10V,采用28腳雙立直插式封裝(如圖)。引腳圖:■+V[引腳圖:■+V[1'亠0]STS12^8[2 27]DB1WSBCS[3 26]DB10A0[4 25]DB9R/C[5 24]DBSCE[—23]DB7V+[7^22]DB6REFOUT[8g21]DBSAGND[9 20]DB4REFIN[10 19]DB3V-[1118]DB2BIPOFF[12 17]DB1■WIN[13 16]DBOJLSB20YIN[14 15]DGNDAD574A由AD574A由12位A/D轉換器,控制邏輯,三態(tài)輸出鎖存緩沖器,10V基準電壓源四部分構成:12位A/D轉換器可以是單極性也可以雙極性的。單極性應用時, BIPOFF接0V,雙極性時接10V。量程可以是10V也可以是20V。輸入信號在10V范圍內變化時,將輸入信號接至10V(IN);輸入信號在20V范圍內變化時,將輸入信號接至20V(IN);所以量化單位相應的就是10V/(2「2)和20V/(2「2)。邏輯控制任務包括:啟動轉換,控制轉換過程和控制轉換結果D的輸出。CE、CS(即CS上面一橫杠)、R/C(C上一橫杠)、12/8(8的上面有一橫杠)、A(0)操作功能:100X0啟動12位轉換100X1啟動8位轉換1011X并行12位輸出10100輸出高8位數(shù)字10101輸出低4位數(shù)字三態(tài)輸出鎖存緩沖器用于存放12位轉換結果D(D=0?2J2-1)。D的輸出方式有兩種:引腳12/8=1(8的上面有一橫杠)時,D的D(11)~D(0)并行輸出;引腳12/8=0(810101輸出低4位數(shù)字三態(tài)輸出鎖存緩沖器用于存放12位轉換結果D(D=0?2J2-1)。D的輸出方式有兩種:引腳12/8=1(8的上面有一橫杠)時,D的D(11)~D(0)并行輸出;引腳12/8=0(8的上面有一橫杠)時,D的高8位與低4位分時輸出。AD574有很多優(yōu)點,它不需外接輔助電路就能獨立完成變換過程,轉換時A/D轉換的精度也是可選的,可以按8位轉換也可以按12位轉換。因此轉換精度選擇和讀出方式應用時必須注意。按輸入信號極性的不同,分為單極性輸入和雙極性輸入兩種方式(10Vin端允許輸入0-10V單極性被測電壓或5V雙極性被測電壓。20Vin端允許輸入0-20V單極性電壓或10雙極性電壓),如圖:數(shù)了ititm1273——殆一站—阮一CF—]213Id1115*+5VA+HV—15V-IH/CCL-R23456STSi(n輸人型空7LI15++I5V*-15V(hl煉根性輸入經由設計的檢測電路,電壓變換為0?5V交流,可選擇雙極性輸入,經由土5V接口輸入。單片機擴展電路(1)A/D轉換與單片機如圖所示,為AD574模數(shù)轉換芯片與8031單片機連接的參考電路°AD574與8031連接時,由于本次設計所需A/D轉換位數(shù)為8位,故574的D?D3 0依次與D?D相連接,D?D再依次與80311/O口P2.7?P2.0相連,將7 4 11 4模數(shù)轉換后的信號輸入8031單片機。另外,由于進入AD574的電壓為0?5V交流,故由10V端輸入。in(2)單片機與輸出顯示PIOPfflPllP01P12P02P13REP14K4P15PQ5Pl(5PK.P17POTPIOPfflPllP01P12P02P13REP14K4P15PQ5Pl(5PK.P17POTimT1EWVPKlK2麗TORIEETmRDTKDJ\LHPWE.PSEH5—8153119Is-BO313837¥141021豆¥281F3433327T麗292827141516F互1110o1-23cjrDflljoT1234.CJroHI—DOD1D2D3E4D5WD7RD阪型Al^cspcopcl翊PC3PC4酣血PC74如圖,為8031單片機接輸出顯示電路的參考電路。本次設計最終選用8155作為8031擴展輸出接至數(shù)碼管進行輸出顯示,8155芯片及簡單介紹如下:寸占血心;To-1454-最^寸占血心;To-1454-最^?1/C1r■d—.3-o1zJ?n;<話筈X地址/數(shù)據線(8條):ADO?AD7I/O口總線(22條):PAO?PA7、PBO?PB7、PCO?PC5??刂瓶偩€(8條):ALE——地址鎖存(輸入)IO//M——IO口/RAM選擇,0:選內RAM;1:選內IO口/CE——片選線/RD、/WR——讀、寫控制TIMERIN——定時器輸入(輸入定時器所需時鐘)TIMEROUT——定時器輸出(輸出所產生的方波脈沖)五.系統(tǒng)電路圖及工作原理1?總電路圖(見附錄)2.工作原理輸入測量信號為0?100V交流電壓,首先經過變比為20:1的電壓互感器,降壓為0?5V的交流小電壓,以達到A/D轉換器的輸入要求;電壓互感器輸出電壓進入濾波電路,濾除干擾,以使系統(tǒng)穩(wěn)定、正常工作(濾波器電壓放大比置“1”,即不對電壓進行放大,以保證輸入后續(xù)電路乃至A/D轉換器的電壓不超出相應的輸入范圍);濾波器輸出電壓進入采樣保持電路,為A/D轉換做好準備,以保證A/D轉換能有效、順利進行;再將電壓輸入A/D轉換器進行A/D轉換,將被測模擬量轉換為單片機可識別的數(shù)字信號,再送至單片機進行處理;最后為輸出顯示電路,由單片機處理后的信息送至數(shù)碼管進行輸出顯示,完成交流電壓的檢測。六.設計心得這兩周的課程設計,雖然僅側重于理論上的設計,

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