1、 课程设计说明书题 目 基于电压互感器的单相交流 电压测量系统设计 课 程 名 称 检测技术与系统课程设计 院（系、部、中心） 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 生 姓 名 学 号 240102230 设 计 时 间 2013.6.32013.6.14 设 计 地 点 工程实践中心 8315 指 导 教 师 2013 年 6 月 13 日 南 京成绩2目录一、课程设计任务书 3二、系统原理及框图 7三、主要工作电路 83.1 输入电路 83.1.1 极性转换电路电路 8 3.1.2 输入电路 93.2 A/D 转换电路 10四、主要元器件的选用 104.1 选择单片机的种类、型号114.
2、2 A/D 模数转换器选择 124.3 电压互感器选择13五、课程设计总结14六、参考文献 14七、附录 147.1 软件设计14 7.2 系统总体设计 22 3课 程 设 计 任 务 书课 程 名 称 检测技术与系统课程设计 院（系、部、中心） 电力工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 K 电气 101 起 止 日 期 13.6.313.6.14 指 导 教 师 许大宇 1课程设计应达到的目的4通过对本课程的设计，使学生掌握常见被测量的检测原理、方法和技术，了解国内外对这些工程量进行测控的系统组建原理，通过对检测系统的设计与分析，增强学生理解和运用所学知识来解决实际问题的能力,逐步掌
3、握根据具体测控要求、性能指标设计出先进测控系统的方法和技术。2课程设计题目及要求题目：基于电压互感器的单相交流电压测量系统设计要求：（1）电压测量范围：0100VAC，检测精度： 0.1V；（2）根据题意，明确被控对象的功能及性能指标；（3）根据系统要求，选择合适的电压传感器（尽量选择实验室中已有的传感器） ；（4）设计传感器测量电路；（5）选择单片机的品种、型号，设计单片机的外围测量电路；（6）计算有关的电路参数，有条件的情况下，根据实验室现有设备进行实验数据的测取，明确测量电路输出与被测非电量的关系；（7）画出系统原理框图（此部分放在说明书的开始） ；（8）画出系统电路图，最好用 PROT
4、EL 画；（9）在说明书中详细说明本系统工作原理。3课程设计任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求5(1)给出设计说明书一份；(2)有条件的情况下尽量给出必要的实验数据；(3)在说明书中附上完整的系统电路原理图（手画或用 PROTEL 画） 。4主要参考文献1、李现明，吴皓编著.自动检测技术.北京：机械工业出版社，20092、徐仁贵.单片微型计算机应用技术.北京：机械工业出版社.20013、陈爱弟.Protel99 实用培训教程.北京：人民邮电出版社.20005课程设计进度安排6起 止 日 期 工 作 内 容13 年 6 月 3 日 布置设计任务，熟悉课题，查找资料；1
5、3 年 6 月 4 日 结合测控对象，选择合适的传感器，理解传感器性能；13 年 6 月 5 日 设计传感器测量电路，选择合适的单片机，设计其外围电路；13 年 6 月 6 日 设计电路参数，有条件情况下，在实验室进行实验，进一步理解测量电路输入输出关系；13 年 6 月 7 日 继续设计论证电路参数，完善系统设计方案；13 年 6 月 8 日 查找资料，理解系统各部分工作原理；13 年 6 月 9 日 理清系统说明要点，着手设计说明书的书写；13 年 6 月 10 日 书写设计说明书，充分理解系统每一部分作用；13 年 6 月 13 日 完善设计说明书，准备设计答辩。13 年 6 月 14
6、日 设计答辩。6成绩考核办法平时表现 30%，设计成果 40%，答辩表现 30%.教研室审查意见：教研室主任签字： 年 月 日院（系、部、中心）意见：主管领导签字： 年 月 日1、 题目及设计要求7基于电压互感器的单相交流电压测量系统设计二、主要设计方框图如下：2.1、设计思路由电压互感器取得一次系统的电压，选用单片机AT89C51和A/D 转换芯片ADC0809 通过单片机内置A/D 转换器将模拟量转换成数字量，采用相应算法编程运算得到一次系统的电压电气参数,实现电压的转换和控制，用四位数码管显示出最后的转换电压结果。2.2、电路设计原理本实验采用 AT89C51 单片机芯片配合 ADC08
7、04 模/数转换芯片构成一个简易的单相交流电压测量电路，原理电路如图 1 所示。该电路通过 ADC0804 芯片采样输入口 IN0 输入的 05 V 的模拟量电压，经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道D0D7 传送给 AT89C51 芯片的 P0 口。AT89C51 负责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的 7 段数码管的显示段码，并通过其 P1 口传送给数码管。同时它还通过其三位I/O 口 P1.0、P1.1 、P1.2 、P1.3 产生位选信号，控制数码管的亮灭。另外， AT89C51 还控制着 ADC0808 的工作。其 ALE 管脚为 ADC0804 提供了 1MHz
8、工作的时钟脉冲；P2.4 控制 ADC0804 的地址锁存端(ALE) ；P2.1 控制 ADC0804 的启动端(START)；P2.3 控制ADC0804 的输出允许端(OE)；P2.0 控制 ADC0804 的转换结束信号(EOC) 。三、主要电路3.1、输入处理电路电压采集 模数转换 单片机处理 数码管显示数据处理及控制模块AT89C51P0P2显示模块LED 数码管数据采集模块ADC0804控制信号输出显示AnalogDigitalLED 位控制信号P2P38为了保证硬件电路设计的通用性，采用单级性电压测量的方法，将输入的双极性电压转换成单级性电压进行测量。整个电路主要包括极性转换电
9、路和输入处理电路。其中，极性转换电路主要由放大电路实现，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）如图所示，该芯片共有 8 个管脚，Vcc 管脚：电源管脚GND 管脚：接地管脚VIN-管脚：负输入端管脚VIN+管脚：正输入端管脚OUT 管脚：输出管脚3.1.1、极性转换电路：在进行 A/D 转换时，我们一般会采用芯片的工作电压作为 A/D 转换的参考电压。由于一般芯片的工作电压都为正电压，而我们在这里要测量交流电压，所以要对输入的交流信号进行极性转换，将双极性变成单级性。下图为极性转换电路：在极性转换电路中，ADOUT 为输出信号
10、。输出信号是在输入信号 ADIN 的基础上叠加了一个直流分量，调节上面的 Vref 的值就可以改变直流分量的值。如果调节 Vref 使直流分量的值为 1.5V，并且此时输入信号是幅值为 1.5V 的交流正弦信号，那么输出信号就为最大值为 3V，最小值为 0V 的单级性正弦信号。在极性转换电路基础上我们将很容易设9计出我们要的输入电路。3.1.2、输入处理电路：在极性转换电路基础上，输入处理电路需要将 100V 的交流电压信号变为幅值为 1.5V左右的交流信号，此外，还需要为 MCP601 提供适当的参考电压信号。电路如下图所示：从所设计的电路中我们可以得到，首先通过变压器将 100V 的交流电
11、压降成 3V 的交流电压，再经过极性转换电路将双极性的交流电压转换为单级性的交流电压。电路中的RV1 电位器主要用调节参考电压，RV2 电位器用于调节交流输入电压的幅度。经过上面电路的处理，可以将输入的交流电压转换成 03V 的单级性交流电压，这样很容易使用AT89C51 单片机通过 A/D 转换通道进行模拟量采集，从而实现交流电压的测量。3.2、A/D 模数转换电路在 A/D 转换开始之前，逐次逼近寄存器的 SAR 的内容为 0，在 A/D 转换过程中，SAR存放“试探”数字量，在转换完毕后，它的内容即为 A/D 转换的结果数字量。逻辑控制与定时电路在 START 正脉冲启动后工作，没来一个
12、 CLK 脉冲，该电路就可能告知向SAR 中传送一次试探值，对应输出 U0 与 U1 比较，确定一次逼近值，经过 8 次逼近，即可获得最后转换的结果数字量。此处，EOC 端口的信号显示 ADC0804 的状态，开始 A/D10转换时，EOC 为低电平，转换结束后，输出高电平。3.2.1、 数据处理及控制A/D 转换完毕后，单片机的 P1.6 口接收到一高电平，立马通过 P2 将 OE 置1，ADC0804 的三态输出锁存器被打开，转换完的数字信号经过与 D0D7 相连的 P0 口进入 AT89C51。AT89C51 根据公式 1-1 将数字信号转换为模拟量，然后利用程序获取模拟量的每一位，分别
13、通过 P2 口输出到 LED 上。与此同时，AT89C51 会通过 P2.0P2.3 口选择用哪一段 LED 显示所传出的数据。例如，当 P2.0P2.3=1110，则 LED 接收到的数据会在第四段 LED 上显示。 另外，AT89C51 一旦获得了数据后便会将 ST 置 0，即模数转换器停止转换，知道 LED获得新的数据并显示出来，ST 才会重新置 1.由于 AT89C51 转换速率很快（微妙量级） ，所以不会影响其接收新的数据。3.2.2、设计过程简易交流电压测量电路由 A/D 转换、数据处理及显示控制等组成。电路原理图见附录2。A/D 转换由集成电路 0804 完成。0804 具有 8
14、 路模拟输入端口，地址 (23-25)脚可决定对哪路模拟输入作 A/D 转换，22 脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6 脚为测试控制，当输入一个 2us 宽高电平脉冲时，就开始 A/D 转换。7 脚为A/D 转换结束标志，当 A/D 转换结束时 7 脚输出高电平。9 脚为 A/D 转换数据输出允许控制，当 OE 脚为高电平时，A/D 转换数据从该端口输出。10 脚为 0804 的时钟输入端，由外部信号源提供。单片机的 P1、P3.0-P3.3 端口作为四位 LED 数码管现实控制。P3.5端口用作单路显示/循环显示转换按钮，P3.6 端口用作单路显示时选择通道。P0 端
15、口作A/D 转换数据读入用，P2 端口用作 0804 的 A/D 转换控制。四、主要元器件的选用 4.1 AT89C51 的选用理由4.1.1 简单概述AT89C51 是一种带 4K 字节闪存可编程可擦除只读存储器（ FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。外形及引脚排列如图 3-2 所示。XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD63P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD1P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A92P2.2/A1023P2.3/A1 24P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51
