1、西安工程大学本科毕业设计（论文）1以太网传输功能的三相低压电参数测量系统的硬件设计摘 要随着工业的迅猛发展，能量的使用已经成为大家共同关注的问题。三相电是各大行业都在使用的主要能源。如何高效的利用三相电，就必须对三相电的各个参数（电压、相序、频率等）进行测量、实时监控。于此，本设计采用宏晶科技的自带10位AD转换器的STC90C58AD单片机作为微控制器件作为主控芯片，以Silicon公司的CP2200作为网络接口芯片。原来的控制设备通过串口和单片机STC90C58AD连接，单片机STC90C58AD把从串口接收到的数据，通过以太网驱动芯片CP2200 和以太网接口RJ45 ，传输到以太网。通
2、过以太网将数据传送到计算机做到实时显示，同时在系统上通过四位一体数码管显示。相对于传统的三相电参数测量仪，它具有精度高、可靠性强、功能强大及智能化等诸多优点。本测量仪表可以实时、准确测量三相电的电压值、相序和频率等各项三相电参数。测量参数值可以通过按键控制切换实时显示在数码管上。此外，该测量系统还可以将测得的数据经过以太网传输大PC机上。本设计完成了高压三相电参数在STC90C58AD单片机系统的控制下，完成了数据的采集、控制、传输。最后经验证本文设计的具有以太网传输功能的三相低压电参数的测量系统的设计方案是合理可行的。关键字：三相电，测量系统，单片机，以太网，A/D 转换西安工程大学本科毕业
3、设计（论文）2ABSTRACTWith the rapid development of industry, the use of energy has become a common concern. Three-phase power is a major industry in major energy use. Three-phase electric how to efficient utilization, we must all parameters of three-phase electrical (voltage, phase sequence, frequency etc
4、.) measurement, real-time monitoring, realize the automation of electric power systems is an important problem.Based on this, this design uses the macro crystal technology, with 10 bit AD converter STC90C58AD MCU as the main control chip, with Silicon Laboratories CP2200 as the network interface chi
5、p. The original control equipment connected through the serial port and STC90C58AD MCU, MCU STC90C58AD from the serial port to receive the data, via Ethernet chip CP2200 and Ethernet interface RJ45, transmission to Ethernet. The data will be sent to the computer through the Ethernet Real-time displa
6、y, at the same time in the system through one of four digital tube display.Compared with traditional three-phase electrical parameter measuring instrument, it has the advantages of high precision, strong reliability, powerful and intelligent. The measuring instrument can be three-phase electrical pa
7、rameters real-time, accurate measurement of voltage, phase and frequency of the. Parameters measured values can be controlled by button switch in the digital tube display real-time. In addition, the measurement system can also be measured data through Ethernet transmission PC machine.Completed the d
8、esign of high-voltage three-phase electrical parameters in the STC90C58AD control system, completed the data acquisition, control, transmission. Finally, the design of measurement system is designed in this paper has verified the 西安工程大学本科毕业设计（论文）3Ethernet transmission function of three-phase low-vol
9、tage electrical parameter is reasonable and feasible.KEYWORD: three-phase power, measurement system, MCU, Ethernet, CP2200目 录第 1 章 绪言 .51.1 选题背景 .51.2 交流电量采集的现在和发展 .51.3 本设计的任务 .61.4 论文章节安排 .6第 2 章 硬件设计理论分析 .82.1 三相电的基本知识 .82.2 二极管嵌位电路 .92.3 过零检测电路 .14第 3 章 硬件设计 .163.1 系统原理 .163.1.1 电压的测量 .163.1.2 相
10、序的测量 .173.1.3 频率的测量 .173.2 系统的设计方案 .173.2.1 系统的硬件设计 .173.2.2 器件的选择 .183.3 系统硬件的详细设计 .223.3.1 信号提取的设计 .223.3.2 过零检测电路的设计 .233.3.3 基于 CP2200 的嵌入式以太网模块设计 .243.3.4 基于 STC90C58AD 单片机的按键电路 .253.3.5 嵌位电路的设计 .26第 4 章 硬件仿真 .27西安工程大学本科毕业设计（论文）44.1 信号提取电路的仿真 .274.2 过零检测电路的仿真 .284.2.1 正负半轴都有信号的过零检测电路 .284.2.2 正
11、半轴信号的过零检测电路 .29第 5 章 软件设计 .305.3.1 LED 数码管的显示 .324.3.2 按键流程图 .335.3.3 CP2200 流程图 .345.3.4 主程序流程图 .37第 6 章 结论和展望 .38参考文献 .39致 谢 .41附 录 .42西安工程大学本科毕业设计（论文）5第 1 章 绪言本章主要对三相电参数测量系统的选题背景以及交流电量采集的现状和发展等进行介绍。同时对本设计的任务及论文章节安排着了简单的介绍。1.1 选题背景现代社会电能是一种使用最为广泛的能源，其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电的需求量日益增加，
12、同时对电网运行的稳定性要求也越来越高，对电网的实时监控就显得非常重要。随着我国电力行业的迅猛发展，电网供电品质越来越受到电力部门以及用户的关注。 在电力监控系统中，为了维护电网运行的稳定和安全，保证用户用电的可靠性，需要电网中各种电参量维持稳定值不变。这就需要实时的采集各种电参量，用来监控以保证电网的稳定。1.2 交流电量采集的现在和发展在微型机应用初期，电力系统的参数普遍采用直流采样技术。直流采样，即通过变送器采样经过整流后的直流量，此方法软件设计简单，计算简便，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值。但直流采样方法存在一些问题比如:测量精度直接受整流电路的精度和稳定性的影响;整流电
13、路调整困难，而且受波形因素的影响较大等。此方法计算容易，计算量小，准确度较高(取决于变送器的精度)。但因变送器多，造价较高，占用体积也较大，也无法实现实时信号采集。西安工程大学本科毕业设计（论文）6随着技术的发展，现阶段用于电量测量仪表中的越来越多的采用交流采样算法。交流采样技术是将被测电流、电压直接送入数据采集装置，在装置中经弱电用精密电流、电压互感器( SA/O.OSA, 100V/SV)变成小电压(或小电流) 在标准电阻上的压降，通过 A/D 转换和 CPU 计算得到电流、电压的有效值、有功功率、无功功率、有功电度和无功电度等值。此方法可省去各种变送器和电度表，造价较低，准确度也很好，具
14、有较好的实时性。交流采样技术将以往用硬件来实现的电参量计算用软件来实现。采用交流采样技术的好处有。(1)、可以减少变送器等硬件设备的投入，省去了直流采样必须的交直流转换硬件单元，提高了计算速度。(2)、可以充分的利用一些计算机算法本身具有的滤波功能，省略实际的滤波电路，而且计算机算法本身又具有计算精度高的优点。基于交流采样技术的优点以及微机技术的发展，电力监控系统越来越多的采用交流采样技术进行电参量的测量。电力系统交流电量采集是指把电力系统的交流电压及电流等经过变换、滤波、S/H 及 A/D 转换后得到对应该交流电量的离散化数据序列，并存放到存储器中的过程。交流电量的同步采集是指在电力系统的不
15、同采样点同时开始采样，使不同采样点的采样结果在时间上具有同步性。电力系统随着自身的发展变得越来越复杂，电力系统的各种监测与保护装置都要用到交流电量采集这个环节，并且在诸多场合都要求交流电量的同步采集，这对电力系统继电保护、故障判断和系统稳定的分析与控制等都具有重要意义 1。1.3 本设计的任务1、 设西安工程大学本科毕业设计（论文）7计出能够测量三相低压电电压、频率、相序参数的电路；2、 电压范围：100500V。频率范围：075Hz；3、 该电路带有以太网接口用于测量数据的传输。4、 带有相应的显示电路。1.4 论文章节安排本论文分为六部分。第一章绪言，分为三部分，第一部分主要介绍选题背景；
16、第二部分对交流电数据的采集发展进行说明；第三部分对该论文的安排做整体介绍。第二章系统硬件设计分为三部分。第一部分对三相电进行介绍，第二部分介绍二极管的嵌位电路，第三部分对过零检测电路进行简单的介绍。第三章是次论文的主要部分，也分为三大部分讲述了关于本系统的详细设计。第一部分介绍了三相电电压，频率和相序的测量理论。第二部分介绍系统硬件的设计方案和器件的选取。第三部分对硬件电路的设计进行详细说明。分小模块进行讲述，细分电路，并对 CP200 的以太网设计进行分析。第四章是模块电路的仿真，验证电路的正确性，以便本设计能够顺利的实现。第五章简单地介绍软件部分的设计，由于具体的设计是由我的搭档戚伟同学完
17、成，在他的论文中有详细的论述，所以在此只着简单的说明。主要考虑的是设计流程图。第西安工程大学本科毕业设计（论文）8六章从总结与展望两部分进行描写。第一部分对本系统设计的总结，第二部分对本系统设计的展望。西安工程大学本科毕业设计（论文）9第 2 章 硬件设计理论分析本章主要介绍该系统在设计过程中所用到的知识理论，电路结构，电路分析，电路选择等方面的知识。2.1 三相电的基本知识三相交流电是电能的一种输送形式，简称为三相电。三相交流电源，是由三个频率相同、振幅相等、相位依次互差 120的交流电势组成的电源。三相交流电的用途很多，工业中大部分的交流用电设备，例如电动机，都采用三相交流电，也就是经常提
18、到的三相四线制。而在日常生活中，多使用单相电源，也称为照明电。当采用照明电供电时，使用三相电其中一相对用电设备供电，例如家用电器，而另外一根线是三相四线之中的第四根线，也就是其中的零线，该零线从三相电的中性点引出 2。三相电源是三个频率相同、振幅相同、相位依次相差 120的正弦电源。对称三相电源的相序：三相电源各相经过同一值（比如最大值）的先后顺序，正序（或称顺序）：ABC A负序（或称逆序）：ACB A线电压(电流)与相电压( 电流)的关系：西安工程大学本科毕业设计（论文）10名词介绍： 端线(火线)：始端 A, B, C 三端引出线。 中线：中性点 N 引出线， 连接无中线。 相电压：每相电源的电压， 。CBA,U 线电压：端线与端线之间的电压， 。CAB A, 线电流：流过端线的电流， 。1） Y 联接 设 （式 2.1）oCNBoA120U则有 （式 2.2）oooNACABooo15030129 UU结论：对Y 联接的对称三相电源，相电压对称，则线电压也对称；线电压相位领先对应相电压 30o；线电压大小等于相电压的 倍，即 。 所谓的“对应”：3plU3对应相电压用线电压的第一个下标字母标出。
