基于c#的安时计设计

基于c#的安时计设计

1安时计的作用原理安时计是一种特殊的计数器，用于测量电、电、电池等电气工业中的电流和工作时间。电化学领域的工作电流虽然是直流电流,但电流的大小却在不同的工作时间区域内变化,因此不能简单地由通电的时间和电流的乘积获得累积安时值,要想计量或控制安时量,就必须使用安时计。由于行业特点,安时计的使用环境相对比较复杂,故对安时计的设计有较严格的要求,尤其在抗干扰能力、可靠性及安全性等方面要求更高,安时计的主要功能是通过直接计量累积的电量来间接控制电池的充放电时间或金属镀层的厚度,同时能按设定值进行报警和及时切断电路。本文设计的安时计采用了大规模CMOS集成电路QA64X889和集成霍尔传感器,在可靠性、安全性及抗干扰性能等方面都很优良。2电流测量显示电路本安时计主要由取样放大电路、电流测量显示电路、V/F转换电路、控制及计数显示电路组成。首先由取样电路得到与工作电流成正比的电压量,对此电压量进行线性放大,分别送给电流测量显示电路和V/F转换电路,由电流测量显示电路读出现时的电流值;同时,由V/F转换电路得到频率与输入电压量成正比的脉冲信号,对此脉冲信号按显示精度进行分频,得到适合计数的脉冲,再对分频后的脉冲信号计数显示便得到了累积的安时值,本设计中的分频、计数、显示驱动及超限报警电路均由大规模CMOS集成电路QA64X889完成(称为控制及计数显示电路),与传统的设计相比电路简洁而功能完备,其原理框图如图1所示。3各部分功能电路设计3.1敏传感器的工作原理该电路主要由集成霍尔效应电流传感器及集成运算放大器组成。霍尔传感器是一种广泛用于自动控制、仪器仪表、信息传递、生物医学等领域的磁敏传感器,是利用霍尔效应制成的闭环电流传感器,它应用磁调制原理,原边与副边高度绝缘,能在非接触的情况下测量各种电流,具有线性度好、响应时间短、失调和漂移小等特点,能对输出进行幅度和零点的调整。由于测量电流是非接触测量取样,所以对被测电流基本无影响,同时安全可靠。由取样放大电路得到的电压信号与被测工作电流之间的关系为:式中,Vi——取样放大电路输出电压(V)α——转换放大系数(V/A)3.2时域电流值的计算该电路的作用是测量并显示现时的工作电流值。由集成运算放大器构成比例运算电路,对取样放大的输出Vi进行比例运算,得到与工作电流同等数值的毫伏电压值UA,其关系为:式中,β——比例放大系数UA——单位为mV选取β·α的乘积为1,得UA=I,然后用四位半数字电压表头显示即为现时电流值。3.3电压频率变换电路V/F转换电路的作用是将取样放大电路的输出电压变换为频率与之成正比的脉冲信号,该电路的转换精度直接影响整个仪器的精度,它的核心器件是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片,可用作精密频率电压转换器用。它采用了新的温度补偿能隙基准电路,在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。同时它动态范围宽,可达100dB;线性度好,最大非线性失真小于0.01%,工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性;变换精度高,数字分辨率可达12位;外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成V/F变换电路,并且容易保证转换精度。图2是由LM331组成的电压频率变换电路,LM331内部由输入比较器、定时比较器、R-S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。当输入端Vi输入一正电压时,输入比较器输出高电平,使R-S触发器置位,输出高电平,输出驱动管导通,输出端f0为逻辑低电平,同时电源Vcc也通过电阻R2对电容C2充电。当电容C2两端充电电压大于Vcc的2/3时,定时比较器输出一高电平,使R-S触发器复位,输出低电平,输出驱动管截止,输出端f0为逻辑高电平,同时,复零晶体管导通,电容C2通过复零晶体管迅速放电;电子开关使电容C3对电阻R3放电。当电容C3放电电压等于输入电压Vi时,输入比较器再次输出高电平,使R-S触发器置位,如此反复循环,构成自激振荡。输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比,从而实现了电压-频率变换。其输入电压和输出频率的关系为:由式知电阻R2、R3、R4和C2直接影响转换结果f0,因此对元件的精度要有一定的要求,可根据转换精度适当选择。电阻R1和电容C1组成低通滤波器,可减少输入电压中的干扰脉冲,有利于提高转换精度。3.4单元电路的设计控制电路的作用是控制V/F转换器,在被测工作电流为零时,V/F转换器被封锁,它是由μA741构成的过零比较电路和两输入的与门组成,当工作电流为零时比较电路输出为低电平,即与门的一个输入为低电平,从而使其输出为零;反之比较电路输出为高电平,与门有f0输出。V/F转换电路输出的信号f0是频率较高的信号,不适合计数显示,需对此信号进行分频,即变换为频率f=f0/m的信号,m为分频系数。按照仪器的设计显示精度为0.01安时(Ah)的要求,1A的被测工作电流1小时的累计安时数为1.00Ah,故应选择1A的被测工作电流对应f=(1/36)Hz,这样,3600秒(1小时)×f=100,所以应将倒数第三位数码管的Dp端经电阻接电源(小数点位置),即这时显示的安时值为1.00。该单元电路的核心器件为奎克半导体公司生产的大规模CMOS集成电路QA64X889八位可逆十进制多功能计数器,该电路为28脚双列直插封装,能直接驱动共阴LED,最高计数频率5kHz,最小正、负脉宽100μs,控制沿与有效计数沿最小间隔时间20μs。最大安时容量为999999.99Ah,该电路能通过BCD码盘P0～P3预置分频系数和S0～S7预置安时值,分频系数的预置范围为1～10000,若分频系数码盘不接,则分频系数为1,故实际的分频系数应为预置数加1(即3600分频设置为3599)。电路如图3所示,图中CP-接地,为低电平,以使QA64X889设置为上升沿触发加计数模式,计数脉冲由CP+端输入。“START”为手动计数开始按钮,“RESET”为手动复位按钮。“EQUAL”为超限输出端,当测量的安时值等于大于预置值时,输出高电平,使晶体管导通,继电器动作,完成报警和切断电源的功能。4u2009安时计的校准方法按电路原理图设计制做PCB板,供电电源选择具有±5V和±12v输出的高稳定度、高精度的直流稳压电源,各信号线采用屏蔽导线以防外界干扰。安时计的校准须从集成霍尔电流传感器和V/F转换电路两方面入手,首先对整个仪器调整零点,即调整传感器的调零电位器,使无被测工作电流时仪表的所有显示均为零。然后调整传感器的幅度调节电位器,使1A的工作电流对应0.1V的电压(Vi)输出。其次调整V/F转换电路的参数,用频率计测量f0,使100mV的电压对应100Hz的频率,且误差应控制在±4%的范围内,