基于电压互感器的单相交流电压测量系统设计

1、 课程设计说明书成绩题 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 8 3.1输入电路 8 3.1.1极性转换电路电路 8 3.1.2输入电路 9 3.2 a/d转换电路 10四、主要元器件的选用 10 4.1选择单片机的种类、型号11 4.2 a

2、/d模数转换器选择 12 4.3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 14 7.1软件设计14 7.2 系统总体设计 22 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,逐步掌握根据具体测控要求、性能指

3、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protel画；（9）在说明书中详细说明

4、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(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；13年6月4日结合测控对象，选择合适的传感器，理解

5、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

6、： 年 月 日1、 题目及设计要求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：数码管显示单片机处理模数转换电压采集 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adc0804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

7、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

8、束信号(eoc)。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p2p3三、主要电路3.1、输入处理电路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

9、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。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计出我们要的

10、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

11、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/d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

12、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

13、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

14、用作单路显示时选择通道。p0端口作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。图3-2 at89c51芯片模型4.1.2主要功能特性(1) 4k字节可编程闪烁存储器。 (2) 32个双向i/o口；1288位内部ram 。(3) 2个16位可编程定时/计数器中断，

15、时钟频率0-24mhz。 (4) 可编程串行通道。 (5) 5个中断源。 (6) 2个读写中断口线。 (7) 低功耗的闲置和掉电模式。(8) 片内振荡器和时钟电路。4.1.3 at89c51的引脚介绍89c51单片机多采用40只引脚的双列直插封装(dip)方式，下面分别简单介绍。(1)电源引脚电源引脚接入单片机的工作电源。vcc(40引脚）：+5v电源。gnd(20引脚)：接地。(2)时钟引脚xtal1(19引脚)：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。xtal2(20引脚)：片内振荡器反相放大器的输出端。(3)复位rst(9引脚)在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的

16、高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。(4)/vpp(31引脚)为外部程序存储器访问允许控制端。当它为高电平时，单片机读片内程序存储器，在pc值超过0fffh后将自动转向外部程序存储器。当它为低电平时，只限定在外部程序存储器，地址为0000hffffh。vpp为该引脚的第二功能，为编程电压输入端。(5)ale/(30引脚)ale为低八位地址锁存允许信号。(6)(29引脚)片外程序存储器的读选通信号。在单片机读片外程序存储器时，此引脚输出脉冲的负跳沿作为读片外程序存储器的选通信号。(7) pin39-pin32为p0.0-p0.7输入输出脚，称为p0口。

17、p0是一个8位漏极开路型双向i/o口。(8)pin1-pin8为p1.0-p1.7输入输出脚，称为p1口，是一个带内部上拉电阻的8位双向i/0口。p1口能驱动4个lsttl负载。(9)pin21-pin28为p2.0-p2.7输入输出脚，称为p2口。(10)pin10-pin17为p3.0-p3.7输入输出脚，称为p3口。4.2 adc0804的选用理由4.2.1、adc0804引脚功能: vin（+）和vin（-）：模拟电压输入端，单边输入时模拟电压输入接vin（+）端，vin（-）端接地。双边输入时vin（+）、vin（-）分别接模拟电压信号的正端和负端。当输入的模拟电压信号存在“零点漂移

18、电压”时，可在vin（-）接一等值的零点补偿电压，变换时将自动从vin（+）中减去这一电压。vref/2：参考电压接入引脚，该引脚可外接电压也可悬空，若外接电压，则adc的参考电压为该外界电压的两倍，如不外接，则vref与vcc共用电源电压，此时adc的参考电压即为电源电压vcc的值。clk in和clk r：外接rc振荡电路产生模数转换器所需的时钟信号，时钟频率clk = 1/1.1rc，一般要求频率范围100khz1460khz。agnd和dgnd：分别接模拟地和数字地。 ：转换结束输出信号，低电平有效，当一次a/d转换完成后，将引起=0，实际应用时，该引脚应与微处理器的外部中断输入引脚相

19、连（如51单片机的，脚），当产生信号有效时，还需等待=0才能正确读出a/d转换结果，若adc0804单独使用，则可以将引脚悬空。db0db7：输出a/d转换后的8位二进制结果。4.2.2、adc0804工作过程如下图所示，adc0804的工作时序图(timing diagrams)：实现一次adc转换主要包含下面三个过程： 1.启动转换：在信号为低电平的情况下，将引脚先由高电平变成低电平，经过至少tw(wr)i 延时后，再将引脚拉成高电平，即启动了一次ad转换。2延时等待转换结束：依然由图6中的上部“figure 10a”可知，由拉低信号启动ad采样后，经过1到8个tclk+internal

20、tc延时后，ad转换结束，因此，启动转换后必须加入一个延时以等待ad采样结束。3.读取转换结果：采样转换完毕后，在信号为低的前提下，将脚由高电平拉成低电平后，经过tacc的延时即可从db脚读出有效的采样结果。图6：adc0804手册给出的adc转换时序图 对采样值进行运算变换，换算出实际的滑动变阻器输入电压值。对于任何一个a/d采样器而言，其转换公式如下： 其中:输入adc的模拟电压值。：adc转换后的二进制值。本试验的adc0804为八位。：adc能够表示的刻度总数。adc0804为八位adc,因此 ：adc参考电压值，本试验adc0804的被设置为5v因此，对于本试验，转换公式为 4.2

21、电压互感器的选用理由 电压互感器选取100v/5v的变比，使其符合电压测量范围：0100vac，检测精度： 0.1v的测量要求。五、课程设计总结心得体会：这次课程设计，我了解了被测量的检测原理、方法和技术 。在平时课堂学习中虽然也涉及了这些内容，但通过课程涉及让我对这些内容有了进一步的了解和认识。由于平时课本知识学得不是很扎实，涉及中遇到了好多问题，但在老师和同学的帮助下还是完成了任务，平时以为这些知识不是很有用，但是通过这次课程设计我认识到了这些知识的重要性。和上学期课程设计一样，这次课程设计让我学会了很多，实践是让我们把学得东西充分理解的很好的途径！这个课程设计让我认识到了知识的重要性。六

22、、参考文献1彭伟.单片机c语言程序设计实训100例.北京:电子工业出版社.2009 2贾振国，许琳.智能化仪器仪表原理及应用.北京:中国水利水电出版社.20113赵明莉基于msp430f5438 单片机的交流电压测量（驻631 研究所代表室，西安710068）4刘刚，孙玲玲，陈红单相交流参数测量仪设计（吉林化工学院学报）5白雪峰，张宇应用单片机实现交流电量参数的测量（东北林业大学，哈尔滨，150040）6潘文诚 交流电量参数测量方法的特点及应用期刊论文-电力自动化设备 2007(06)7梅永;王柏林 电力系统信号采集与谐波测量方法期刊论文-电测与仪表 2008(09)七、附录7.1程序设计#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

25、ay(1);write_com(0x06);delay(1);write_com(0x01);delay(1);write_com(0x80);delay(1);write_date(l); write_com(0x81);delay(1);write_date(o);write_com(0x82);delay(1);write_date(v);write_com(0x83);delay(1);write_date(e);write_com(0x84);delay(1);write_date( );write_com(0x85);delay(1);write_date(d);write_com

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(

27、n);write_com(0x8e);delay(1);write_date(g);void write_sfm(uchar add,uchar date)uchar ge,shi;shi=date/10;ge=date%10;write_com(0x80+0x40+add);write_date(0x30+shi);write_date(0x30+ge);void init_ad()p1=0;p0=0;cs=0; void start()wrr=0;wrr=1;void main()init_ad();init_lcd();p1=0xff;tmod=0x01; th0=(65536-num1)/256; tl0=(65536-num1)%256;ea=1; et0=1; tr0=1;while(1)if(k1=5)num1=15000;/p1=0;/while(1);/result=result/256*5;/*lcdwritetable(0x83,ad convert,10);lcddisplay(