自动检测技术课程设计

检测系统设计原则与步骤设计原则自动检测系统的设计，多数采用自顶向下的设计方法，即从总体到局部、再到细节。先考虑整体目标，明确任务，把整体分解为多个子任务，并充分考虑子任务之间的联系。这样就把一个较大的、复杂的、难解决的问题分解成若干个较小的、简单的、易解决的问题。在某些场合反其道行之，采取自底向上的设计方法。为了完成某个检测任务,可以利用现有的模块、仪器，综合成一个满足要求的系统。设计步骤（1） 确定任务、拟定设计方案（2） 硬件和软件的设计研制阶段（3） 系统总调、性能测试阶段二.系统原理框图 M M 被:测电斥：!!：±J77f■-S电压互感器::信号園理__l-4.-1__l--l;「-4-IT单片机

__l-4.-1__l--l;「-4-IT单片机三．信号检测及调理电路电压互感器的选择为得到检测系统可接受的电压，需将测量电压范围经由电压互感器转换为小电压，为能符合A/D转换器的输入要求，现选择变比为20：1的单相电压互感器，将0〜100V交流电压降至0〜5V小范围，为输入后续电路做准备。滤波电路设计通常在单片机的工作现场中存在许多干扰源，被测信号混杂有不同频率的干扰，这些干扰源会淹没待提取的有用信号，影响系统的正常工作，因此需要有一种电路能选出有用的频率信号，抑制频率与信号不同的干扰。具有这种功能的电路就称为滤波电路，简称滤波器。在实际中主要的干扰是电源干扰，数字模拟电路间的相互作用等，所以抗干扰处理主要也是针对这些方面。抑制电源的干扰通常使用线路滤波器消除电源脉冲干扰的高频分量，用隔离变压器隔离感应干扰的传输。在本次设计中，对交流电采用电压互感器降压，再经过电容去耦、滤波处理，电压波形稳定，无毛刺。滤波器的种类繁多，根据滤波器的选频作用，一般将滤波器分为四类，即低通、高通、带通和带阻滤波器。本次设计选用的为二阶反相型低通有源滤波器，详见电路图。电路图及说明uiui如图，为信号检测与滤波电路，0〜100V被测交流信号经电压互感器降压为0〜5V小电压，输入滤波装置。图中选用的滤波器为低通滤波器，电压放大R比为仝3,因选用的电压互感器已将电压变换至所需小范围，为不使电压超出R1A/D转换器可接受的范围，故选择R R，使放大比为1,经滤波电路后电压31大小不发生变化。四．单片机扩展电路采样保持电路设计模拟信号进行A/D转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间，即A/D转换器的孔径时间。在这个转换时间内，模拟信号要基本保持不变，否则转换精度没有保证。要防止误差的产生，必须在A/D转换开始时将输入信号的电平保持住，而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化。能完成这种功能的电路叫采样保持电路，由采样保持电路构成的器件叫采样保持器。采样保持器是一种具有信号输入、信号输出以及由外部指令控制的模拟门电路。它主要由模拟开关K，电容C和缓冲放大器A组成，结构如图：采样保持器是用逻辑电平控制其工作状态的，它具有两个稳定的工作状态：（1） 跟踪状态。在此期间，采样保持器尽可能快地接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟信号的变化，一直到接到保持指令为止。（2） 保持状态。对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。如图，低阻抗模拟开关K，受采样/保持信号Ug的控制。采样时，Ug为高电平时，开关K导通，C上的电压Uc等于被测信号电压。量化时，Ug等于低电平，开关K切断，Uc电压得以保持。由于这种器件的跟随器A输入阻抗极大，电容C的泄露极小，跟随器增益等于1,因此在量化时间内输出电压Uo=Uc,也等于量化起始时所采的Ux瞬时值。本次设计，采用一般结构的采样保持电路，即上图，将经滤波后的电压信号输入采样保持器，为A/D转换做好准备。A/D转换电路设计（1）A/D转换介绍模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指将时间上连续，幅值也连续的模拟量转换为时间上离散，幅值也离散的数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。模数转换器最重要的参数是转换的精度， 通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。例如，对于一个2位的电压模数转换器，如果将参考设为1V,那么输出的信号有00、01、10、11，4种编码，分别代表输入电压在0V-0.25V,0.26V-0.5V,0.51V-0.75V,0.76V-1V时的对应输入。分为4个等级编码，当一个0.8V的信号输入时，转换器输出的数据为11。A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码 4个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。模数转换过程包括量化和编码。量化是将模拟信号量程分成许多离散量级，并确定输入信号所属的量级。编码是对每一量级分配唯一的数字码，并确定与输入信号相对应的代码。最普通的码制是二进制，它有2n个量级（n为位数），可依次逐个编号。模数转换的方法很多，从转换原理来分可分为直接法和间接法两大类。 直接法是直接将电压转换成数字量。它用数模网络输出的一套基准电压， 从高位起逐位与被测电压反复比较，直到二者达到或接近平衡。控制逻辑能实现对分搜索的控制，其比较方法如同天平称重。先使二进位制数的最高位 Dn-l=l,经数模转换后得到一个整个量程一半的模拟电压 VS,与输入电压Vin相比较，若Vin>VS,则保留这一位；若Vin<Vin,则Dn-l=O。然后使下一位Dn-2二1,与上一次的结果一起经数模转换后与Vin相比较,重复这一过程，直到使D0=1,再与Vin相比较，由Vin>VS还是Vin<V来决定是否保留这一位。经过n次比较后，n位寄存器的状态即为转换后的数据。这种直接逐位比较型（又称反馈比较型）转换器是一种高速的数模转换电路，转换精度很高，但对干扰的抑制能力较差，常用提高数据放大器性能的方法来弥补。它在计算机接口电路中用得最普遍。间接法不将电压直接转换成数字，而是首先转换成某一中间量，再由中间量转换成数字。常用的有电压-时间间隔（V/T）型和电压-频率（V/F）型两种，其中电压-时间间隔型中的双斜率法（又称双积分法）用得较为普遍。模数转换器的选用具体取决于输入电平、输出形式、控制性质以及需要的速度、分辨率和精度。用半导体分立元件制成的模数转换器常常采用单元结构，随着大规模集成电路技术的发展，模数转换器体积逐渐缩小为一块模板、一块集成电路，常见的芯片有8位、10位、12位3种形式。（2）芯片选取常用的并行比较型A/D转换器产品有AD9012（TTL工艺，8位）、AD9002（ECL工艺，8位）、AD9020（TTL工艺，10位）等；常用的逐次比较型A/D转换器有ADC0808/0809系列（8位）、AD575（10位）、AD574（12位）等；常用的双积分型A/D转换器有ADC-EK8B（8位，二进制码）、ADC-EK10B（10位，二进制码）、MC14433（31位，BCD码）等。2本次设计选用的是AD574模数转换芯片，以满足交流信号的检测。AD574A是一种高性能的12位逐次逼进式A/D转换器。该芯片具有可以与8位或16位微处理器系统总线直接配接的三态输出缓冲电

路，片内包含基准电源和时钟，转换时间为25口s,线性误差为±1/2LSB,,单极性或双极性电压输入，输入模拟信号范围有0〜10V、0〜20V及±5V、±10V,采用28脚双立直插式封装（如图）。引脚图:■+V[引脚图:■+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转换器，控制逻辑，三态输出锁存缓冲器，10V基准电压源四部分构成：12位A/D转换器可以是单极性也可以双极性的。单极性应用时， BIPOFF接0V,双极性时接10V。量程可以是10V也可以是20V。输入信号在10V范围内变化时，将输入信号接至10V（IN）;输入信号在20V范围内变化时，将输入信号接至20V（IN）;所以量化单位相应的就是10V/（2「2）和20V/（2「2）。逻辑控制任务包括：启动转换，控制转换过程和控制转换结果D的输出。CE、CS（即CS上面一横杠）、R/C（C上一横杠）、12/8（8的上面有一横杠）、A（0）操作功能：100X0启动12位转换100X1启动8位转换1011X并行12位输出10100输出高8位数字10101输出低4位数字三态输出锁存缓冲器用于存放12位转换结果D(D=0〜2J2-1)。D的输出方式有两种：引脚12/8=1(8的上面有一横杠)时，D的D(11)~D(0)并行输出；引脚12/8=0(810101输出低4位数字三态输出锁存缓冲器用于存放12位转换结果D(D=0〜2J2-1)。D的输出方式有两种：引脚12/8=1(8的上面有一横杠)时，D的D(11)~D(0)并行输出；引脚12/8=0(8的上面有一横杠)时，D的高8位与低4位分时输出。AD574有很多优点，它不需外接辅助电路就能独立完成变换过程，转换时A/D转换的精度也是可选的，可以按8位转换也可以按12位转换。因此转换精度选择和读出方式应用时必须注意。按输入信号极性的不同，分为单极性输入和双极性输入两种方式(10Vin端允许输入0-10V单极性被测电压或5V双极性被测电压。20Vin端允许输入0-20V单极性电压或10双极性电压)，如图：数了ititm1273——殆一站—阮一CF—]213Id1115*+5VA+HV—15V-IH/CCL-R23456STSi(n输人型空7LI15++I5V*-15V(hl煉根性輸入经由设计的检测电路，电压变换为0〜5V交流，可选择双极性输入,经由土5V接口输入。单片机扩展电路(1)A/D转换与单片机如图所示，为AD574模数转换芯片与8031单片机连接的参考电路°AD574与8031连接时，由于本次设计所需A/D转换位数为8位，故574的D〜D3 0依次与D〜D相连接，D〜D再依次与80311/O口P2.7〜P2.0相连，将7 4 11 4模数转换后的信号输入8031单片机。另外，由于进入AD574的电压为0〜5V交流，故由10V端输入。in(2)单片机与输出显示PIOPfflPllP01P12P02P13REP14K4P15PQ5Pl(5PK.P17POTPIOPfflPllP01P12P02P13REP14K4P15PQ5Pl(5PK.P17POTimT1EWVPKlK2丽TORIEETmRDTKDJ\LHPWE.PSEH5—8153119Is-BO313837¥141021豆¥281F3433327T丽292827141516F互1110o1-23cjrDflljoT1234.CJroHI—DOD1D2D3E4D5WD7RD阪型Al^cspcopcl翊PC3PC4酣血PC74如图，为8031单片机接输出显示电路的参考电路。本次设计最终选用8155作为8031扩展输出接至数码管进行输出显示，8155芯片及简单介绍如下: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/数据线（8条）：ADO〜AD7I/O口总线（22条）：PAO〜PA7、PBO〜PB7、PCO〜PC5。控制总线（8条）：ALE——地址锁存（输入）IO//M——IO口/RAM选择，0：选内RAM；1：选内IO口/CE——片选线/RD、/WR——读、写控制TIMERIN——定时器输入（输入定时器所需时钟）TIMEROUT——定时器输出（输出所产生的方波脉冲）五.系统电路图及工作原理1•总电路图（见附录）2.工作原理输入测量信号为0〜100V交流电压，首先经过变比为20：1的电压互感器，降压为0〜5V的交流小电压，以达到A/D转换器的输入要求；电压互感器输出电压进入滤波电路，滤除干扰，以使系统稳定、正常工作（滤波器电压放大比置“1”，即不对电压进行放大，以保证输入后续电路乃至A/D转换器的电压不超出相应的输入范围）；滤波器输出电压进入采样保持电路，为A/D转换做好准备，以保证A/D转换能有效、顺利进行；再将电压输入A/D转换器进行A/D转换，将被测模拟量转换为单片机可识别的数字信号，再送至单片机进行处理；最后为输出显示电路，由单片机处理后的信息送至数码管进行输出显示，完成交流电压的检测。六．设计心得这两周的课程设计，虽然仅侧重于理论上的设计，