基于電壓互感器的單相交流電壓測量系統(tǒng)設(shè)計

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) 電氣工程及其自動化 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(diǎn) 工程實(shí)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)原理及框圖 7三、主要工作電路 8 3.1輸入電路 8 3.1.1極性轉(zhuǎn)換電路電路 8 3.1.2輸入電路 9 3.2 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11 4.2 a

2、/d模數(shù)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) 電氣工程及其自動化 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)，了解國內(nèi)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(shí)際問題的能力,逐步掌握根據(jù)具體測控要求、性能指

3、標(biāo)設(shè)計出先進(jìn)測控系統(tǒng)的方法和技術(shù)。2課程設(shè)計題目及要求題目：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）電壓測量范圍：0100vac，檢測精度： 0.1v；（2）根據(jù)題意，明確被控對象的功能及性能指標(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(shí)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(shí)驗室現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行實(shí)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

4、本系統(tǒng)工作原理。3課程設(shè)計任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計計算說明書、圖紙、實(shí)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(shí)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、 李現(xiàn)明，吳皓編著.自動檢測技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20092、 徐仁貴.單片微型計算機(jī)應(yīng)用技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.20013、 陳愛弟.protel99實(shí)用培訓(xùn)教程.北京：人民郵電出版社.20005課程設(shè)計進(jìn)度安排起 止 日 期工 作 內(nèi) 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

5、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(shí)驗室進(jìn)行實(shí)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(diǎn)，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

6、： 年 月 日1、 題目及設(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)內(nèi)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(shí)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(shí)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

7、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at89c51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)

8、束信號(eoc)。數(shù)據(jù)處理及控制模塊at89c51p0p2顯示模塊led數(shù)碼管數(shù)據(jù)采集模塊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(shí)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

9、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

10、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(shí)現(xiàn)交流電壓的測量。3.2、a/d模

11、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的內(nèi)容為0，在a/d轉(zhuǎn)換過程中，sar存放“試探”數(shù)字量，在轉(zhuǎn)換完畢后，它的內(nèi)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)處理及控制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

12、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1-1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)

13、據(jù)處理及顯示控制等組成。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(shí)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

14、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。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)。外形及引腳排列如圖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位內(nèi)部ram 。(3) 2個16位可編程定時/計數(shù)器中斷，

15、時鐘頻率0-24mhz。 (4) 可編程串行通道。 (5) 5個中斷源。 (6) 2個讀寫中斷口線。 (7) 低功耗的閑置和掉電模式。(8) 片內(nèi)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)：片內(nèi)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)：片內(nèi)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

16、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)讀片內(nèi)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。

17、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口，是一個帶內(nèi)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(diǎn)漂移

18、電壓”時，可在vin（-）接一等值的零點(diǎn)補(bǔ)償電壓，變換時將自動從vin（+）中減去這一電壓。vref/2：參考電壓接入引腳，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，一般要求頻率范圍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(shí)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

19、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(dú)使用，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(shí)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

20、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(shí)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

21、電壓互感器的選用理由 電壓互感器選取100v/5v的變比，使其符合電壓測量范圍：0100vac，檢測精度： 0.1v的測量要求。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)中雖然也涉及了這些內(nèi)容，但通過課程涉及讓我對這些內(nèi)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(shí)，涉及中遇到了好多問題，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(shí)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

22、、參考文獻(xiàn)1彭偉.單片機(jī)c語言程序設(shè)計實(shí)訓(xùn)100例.北京:電子工業(yè)出版社.2009 2賈振國，許琳.智能化儀器儀表原理及應(yīng)用.北京:中國水利水電出版社.20113趙明莉基于msp430f5438 單片機(jī)的交流電壓測量（駐631 研究所代表室，西安710068）4劉剛，孫玲玲，陳紅單相交流參數(shù)測量儀設(shè)計（吉林化工學(xué)院學(xué)報）5白雪峰，張宇應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)交流電量參數(shù)的測量（東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040）6潘文誠 交流電量參數(shù)測量方法的特點(diǎn)及應(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#i

23、nclude#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit rs=p25;sbit lcden=p27;sbit 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 d

24、elay(uint z)uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);void write_com(uchar com)rs=0;wr=0;lcden=0;delay(1);p0=com;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_com(0x38);delay(1);write_com(0x0c);del

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26、(0x86);delay(1);write_date(o);write_com(0x87);delay(1);write_date(n);write_com(0x88);delay(1);write_date(g);write_com(0x89);delay(1);write_date( );write_com(0x8a);delay(1);write_date(s);write_com(0x8b);delay(1);write_date(h);write_com(0x8c);delay(1);write_date(e);write_com(0x8d);delay(1);write_date(

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