自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)

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

__l-4.-1__l--l;「-4-IT單片機(jī)三．信號(hào)檢測(cè)及調(diào)理電路電壓互感器的選擇為得到檢測(cè)系統(tǒng)可接受的電壓，需將測(cè)量電壓范圍經(jīng)由電壓互感器轉(zhuǎn)換為小電壓，為能符合A/D轉(zhuǎn)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(zhǔn)備。濾波電路設(shè)計(jì)通常在單片機(jī)的工作現(xiàn)場(chǎng)中存在許多干擾源，被測(cè)信號(hào)混雜有不同頻率的干擾，這些干擾源會(huì)淹沒待提取的有用信號(hào)，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(hào)，抑制頻率與信號(hào)不同的干擾。具有這種功能的電路就稱為濾波電路，簡(jiǎn)稱濾波器。在實(shí)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(duì)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(yīng)干擾的傳輸。在本次設(shè)計(jì)中，對(duì)交流電采用電壓互感器降壓，再經(jīng)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(jù)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(shè)計(jì)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(hào)檢測(cè)與濾波電路，0?100V被測(cè)交流信號(hào)經(jīng)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(zhuǎn)換器可接受的范圍，故選擇R R，使放大比為1,經(jīng)濾波電路后電壓31大小不發(fā)生變化。四．單片機(jī)擴(kuò)展電路采樣保持電路設(shè)計(jì)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，即A/D轉(zhuǎn)換器的孔徑時(shí)間。在這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，模擬信號(hào)要基本保持不變，否則轉(zhuǎn)換精度沒有保證。要防止誤差的產(chǎn)生，必須在A/D轉(zhuǎn)換開始時(shí)將輸入信號(hào)的電平保持住，而在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號(hào)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(gòu)成的器件叫采樣保持器。采樣保持器是一種具有信號(hào)輸入、信號(hào)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(guān)K，電容C和緩沖放大器A組成，結(jié)構(gòu)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(gè)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(hào)，并精確地跟蹤模擬信號(hào)的變化，一直到接到保持指令為止。（2） 保持狀態(tài)。對(duì)接收到保持指令前一瞬間的模擬輸入信號(hào)進(jìn)行保持。如圖，低阻抗模擬開關(guān)K，受采樣/保持信號(hào)Ug的控制。采樣時(shí)，Ug為高電平時(shí)，開關(guān)K導(dǎo)通，C上的電壓Uc等于被測(cè)信號(hào)電壓。量化時(shí)，Ug等于低電平，開關(guān)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(shí)間內(nèi)輸出電壓Uo=Uc,也等于量化起始時(shí)所采的Ux瞬時(shí)值。本次設(shè)計(jì)，采用一般結(jié)構(gòu)的采樣保持電路，即上圖，將經(jīng)濾波后的電壓信號(hào)輸入采樣保持器，為A/D轉(zhuǎn)換做好準(zhǔn)備。A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)（1）A/D轉(zhuǎn)換介紹模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，或簡(jiǎn)稱ADC，通常是指將時(shí)間上連續(xù)，幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散，幅值也離散的數(shù)字信號(hào)的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)。由于數(shù)字信號(hào)本身不具有實(shí)際意義，僅僅表示一個(gè)相對(duì)大小。故任何一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號(hào)大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)的大小。模數(shù)轉(zhuǎn)換器最重要的參數(shù)是轉(zhuǎn)換的精度， 通常用輸出的數(shù)字信號(hào)的位數(shù)的多少表示。轉(zhuǎn)換器能夠準(zhǔn)確輸出的數(shù)字信號(hào)的位數(shù)越多，表示轉(zhuǎn)換器能夠分辨輸入信號(hào)的能力越強(qiáng)，轉(zhuǎn)換器的性能也就越好。例如，對(duì)于一個(gè)2位的電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如果將參考設(shè)為1V,那么輸出的信號(hào)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(shí)的對(duì)應(yīng)輸入。分為4個(gè)等級(jí)編碼，當(dāng)一個(gè)0.8V的信號(hào)輸入時(shí)，轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)為11。A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過采樣、保持、量化及編碼 4個(gè)過程。在實(shí)際電路中，有些過程是合并進(jìn)行的，如采樣和保持，量化和編碼在轉(zhuǎn)換過程中是同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。模數(shù)轉(zhuǎn)換過程包括量化和編碼。量化是將模擬信號(hào)量程分成許多離散量級(jí)，并確定輸入信號(hào)所屬的量級(jí)。編碼是對(duì)每一量級(jí)分配唯一的數(shù)字碼，并確定與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的代碼。最普通的碼制是二進(jìn)制，它有2n個(gè)量級(jí)（n為位數(shù)），可依次逐個(gè)編號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法很多，從轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成數(shù)字量。它用數(shù)模網(wǎng)絡(luò)輸出的一套基準(zhǔn)電壓， 從高位起逐位與被測(cè)電壓反復(fù)比較，直到二者達(dá)到或接近平衡?？刂七壿嬆軐?shí)現(xiàn)對(duì)分搜索的控制，其比較方法如同天平稱重。先使二進(jìn)位制數(shù)的最高位 Dn-l=l,經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后得到一個(gè)整個(gè)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(jié)果一起經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后與Vin相比較,重復(fù)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(jīng)過n次比較后，n位寄存器的狀態(tài)即為轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。這種直接逐位比較型（又稱反饋比較型）轉(zhuǎn)換器是一種高速的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換精度很高，但對(duì)干擾的抑制能力較差，常用提高數(shù)據(jù)放大器性能的方法來彌補(bǔ)。它在計(jì)算機(jī)接口電路中用得最普遍。間接法不將電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字，而是首先轉(zhuǎn)換成某一中間量，再由中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字。常用的有電壓-時(shí)間間隔（V/T）型和電壓-頻率（V/F）型兩種，其中電壓-時(shí)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(zhuǎn)換器的選用具體取決于輸入電平、輸出形式、控制性質(zhì)以及需要的速度、分辨率和精度。用半導(dǎo)體分立元件制成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器常常采用單元結(jié)構(gòu)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器有ADC-EK8B（8位，二進(jìn)制碼）、ADC-EK10B（10位，二進(jìn)制碼）、MC14433（31位，BCD碼）等。2本次設(shè)計(jì)選用的是AD574模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，以滿足交流信號(hào)的檢測(cè)。AD574A是一種高性能的12位逐次逼進(jìn)式A/D轉(zhuǎn)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(nèi)包含基準(zhǔn)電源和時(shí)鐘，轉(zhuǎn)換時(shí)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(hào)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(zhuǎn)換器，控制邏輯，三態(tài)輸出鎖存緩沖器，10V基準(zhǔn)電壓源四部分構(gòu)成：12位A/D轉(zhuǎn)換器可以是單極性也可以雙極性的。單極性應(yīng)用時(shí)， BIPOFF接0V,雙極性時(shí)接10V。量程可以是10V也可以是20V。輸入信號(hào)在10V范圍內(nèi)變化時(shí)，將輸入信號(hào)接至10V（IN）;輸入信號(hào)在20V范圍內(nèi)變化時(shí)，將輸入信號(hào)接至20V（IN）;所以量化單位相應(yīng)的就是10V/（2「2）和20V/（2「2）。邏輯控制任務(wù)包括：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換，控制轉(zhuǎn)換過程和控制轉(zhuǎn)換結(jié)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(dòng)12位轉(zhuǎn)換100X1啟動(dòng)8位轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換結(jié)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(shí)，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(zhuǎn)換結(jié)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(shí)，D的D(11)~D(0)并行輸出；引腳12/8=0(8的上面有一橫杠)時(shí)，D的高8位與低4位分時(shí)輸出。AD574有很多優(yōu)點(diǎn)，它不需外接輔助電路就能獨(dú)立完成變換過程，轉(zhuǎn)換時(shí)A/D轉(zhuǎn)換的精度也是可選的，可以按8位轉(zhuǎn)換也可以按12位轉(zhuǎn)換。因此轉(zhuǎn)換精度選擇和讀出方式應(yīng)用時(shí)必須注意。按輸入信號(hào)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(cè)電壓或5V雙極性被測(cè)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(jīng)由設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路，電壓變換為0?5V交流，可選擇雙極性輸入,經(jīng)由土5V接口輸入。單片機(jī)擴(kuò)展電路(1)A/D轉(zhuǎn)換與單片機(jī)如圖所示，為AD574模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片與8031單片機(jī)連接的參考電路°AD574與8031連接時(shí)，由于本次設(shè)計(jì)所需A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換后的信號(hào)輸入8031單片機(jī)。另外，由于進(jìn)入AD574的電壓為0?5V交流，故由10V端輸入。in(2)單片機(jī)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(jī)接輸出顯示電路的參考電路。本次設(shè)計(jì)最終選用8155作為8031擴(kuò)展輸出接至數(shù)碼管進(jìn)行輸出顯示，8155芯片及簡(jiǎn)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(jù)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(nèi)RAM；1：選內(nèi)IO口/CE——片選線/RD、/WR——讀、寫控制TIMERIN——定時(shí)器輸入（輸入定時(shí)器所需時(shí)鐘）TIMEROUT——定時(shí)器輸出（輸出所產(chǎn)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(cè)量信號(hào)為0?100V交流電壓，首先經(jīng)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(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入要求；電壓互感器輸出電壓進(jìn)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(duì)電壓進(jìn)行放大，以保證輸入后續(xù)電路乃至A/D轉(zhuǎn)換器的電壓不超出相應(yīng)的輸入范圍）；濾波器輸出電壓進(jìn)入采樣保持電路，為A/D轉(zhuǎn)換做好準(zhǔn)備，以保證A/D轉(zhuǎn)換能有效、順利進(jìn)行；再將電壓輸入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將被測(cè)模擬量轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，再送至單片機(jī)進(jìn)行處理；最后為輸出顯示電路，由單片機(jī)處理后的信息送至數(shù)碼管進(jìn)行輸出顯示，完成交流電壓的檢測(cè)。六．設(shè)計(jì)心得這兩周的課程設(shè)計(jì)，雖然僅側(cè)重于理論上的設(shè)計(jì)，