智能仪器设计
智能仪器仪表课程设计报告
--------智能电压检测仪
姓名: 陈守佳
学号: 0906160118
班级: 09机电(1)班
导师: 杨志远
目录
1.摘要 (4)
2. 智能型电压监测仪的基本结构和工作流程 (3)
2.1硬件部分 (3)
2.1.1数字量输入通道 (3)
2.1.2数码管显示电路： (6)
2.1.3通讯部分： (7)
2.1.4 EEPROM及实时时钟部分 (8)
2.1.5复位电路及晶振 (9)
2.2软件部分 (9)
2.2.1工作流程 (9)
3. 结论 (11)
1.摘要
电力系统中电网电压的测量与监控影响电网系统调节和自动化管理。为实时监控电网电压，本次课程设计就是要设计一个电压监测仪实时监测电网电压值。智能电压监测仪实现的是对220v或380v电压值的监测，在每天的整点时监测电网的电压值，并记录时刻，每天最小电压、最大电压值的发生时刻及运行时间，每天的平均电压值，并具有自动切换量程，自动校准，掉电存储等，能实现与上位机通讯并由上位机设定上下限、设定系统时间及读取数据等。
2.智能型电压监测仪的基本结构和工作流程
智能型电压监测仪由硬件和软件两大部分组成。
2.1硬件部分
智能型电压监测仪的硬件部分由单片机主机电路、数字量输入通道、显示部分、通讯接口、实时时钟电路及EEPROM等组成，如下图所示。
主机电路仪单片机为核心，用来存储数据和程序并进行一些列的运算和处理，数字量输入通道实现对信号的采集，实时时钟信号为单片机提供准确的整点时间，显示电路用来显示电压值及系统时间，EEPROM用来存储整点电压值，通讯接口用来与上位机通讯，并可通过上位机设定系统时间、设定上下限电压值、读取数据等。
2.1.1数字量输入通道
数字量输入通道主要用到的是AD736和LM331芯片.
AD736是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC转换器。其主要特点是准确度高、灵敏性好（满量程为200mVRMS）、测量速率快、频率特性好（工作频率范围可达0～460kHz）、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低最大的电源工作电流为200μA.用它来测量正弦波电压的综合误差不超过±3%。LM331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、A/ D 转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。
LM331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。LM331 的动态范围宽, 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 或F/V 等变换电路,并且容易保证转换精度。
电路中由AD736对电压采集，输出该交流电的有效值，并给LM331进行频率转换。AD736的输入电压最大为200mV，所以从市电接入时还要进行衰减，可用变压器降压，再用电阻分压到200mV输给AD736，从AD736输出时最大电压才200mV，LM331可测量的电压值为-5V，必须放大-25倍，可用双运放芯片LM358实现，从LM331出来后就可直接接到单片机了。具体电路如下：
市电接入部分电路，其中moc3061为继电器，控制两档不同的待测电压经过变压器降压后接到整流桥再衰减为1%后变为200mV，经过AD736电路，输出交流电的真有效值再经过两个运放放大，变为-5V，再接到lm331的。lm331把输入电压变为频率输出，接到单片机的T0计数器输出口。因单片机的计数是相当于脉冲的方式，故取名为数字量输入通道。
电压到频率的具体实现是:
上图是由 LM331 组成的电压—频率变换电路。外接电阻 Rt 、Ct和定时比较器、复零晶体管、R-S触发器等构成单稳定时电路。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,Q输出高电平,输出驱动管导通,输出端fo为逻辑低电平,同时,电流开关打向右边,电流源 IR 对电容CL 充电。此时由于复零晶体管截止,电源 Vcc 也通过电阻 Rt 对电容 Ct 充电。当电容 Ct 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,Q 输出低电平,输出驱动管截止,输出端 fo 为逻辑高电平,同时,复零晶体管导通,电容 Ct 通过复零晶体管迅速放电;电流开关打向左边,电容 CL 对电阻 RL放电。当电容 CL 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。右图画出了电容 Ct、 CL 充放电和输出脉冲 f0 的波形。设电容 CL 的充电时间为 t1,放电时间为 t2,则根据电容 CL 上电荷平衡的
原理,我们有: (IR-VL/RL)t1=t2VL/RL 下图为电容充放电输出波形图：
从上式可得: f0=1/(t1+t2)=VL/(RLIRt1) 实际上,该电路的VL 在很少的范围内(大约
10mV)波动,因此, 可认为VL=Vi,故上式可以表示为: f0==Vi/(RLIRt1) ，可见,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。式中IR 由内部基准电压源供给的1.90V 参考电压和外接电阻Rs 决定,IR=1.90/Rs,改变Rs 的值,可调节电路的转换增益,t1 由定时元件Rt 和Ct 决定,其关系是：t1=1.1RtCt, 典型值Rt=6.8k?,Ct=0.01µF,t1 =7.5µs。由f0=Vi/(RLIRt)可知,电阻Rs、RL、Rt 和电容Ct 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。电容CL对转换结果虽然没有直接的影响。但应选择漏电流小的电容器。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。
2.1.2数码管显示电路：
此为单片机的所有网络标号，其中31脚接电源
数码管采用动态显示方式，其中a、b···g、dp七段显示二极管并联接到P0口，低位在前，位选接到P2口的低六位。能显示电压值、系统时间。
数码管显示的原理是：数码管的每一位七段LED的阳极接在一起，阴极引出分别接在P0
口的八位IO口上，阳极接电源正极，通过位选口决定电源的开断，阴极口又称数据口，通过控制数据口各位不同的高低电平让不同段的LED显示，从而显示不同字符。各个数据口的接线可自由选择，高位在前或低位在前，当数据口接线确定口，不同字符的数据也确定了。
2.1.3通讯部分：
电平转换及串口通讯电路MAX232实现电平转换，因单片机用的是正逻辑的TTL电平，与RS232的电平逻辑相反，必须进行电平转换。串口通信采用全双工最简系统连接，
以便实时与上位机或其他智能仪器通信。
2.1.4 EEPROM及实时时钟部分
AT24c02提供片外存取空间，存储每天的点钟电压值及运行分钟数，能实现掉电储存数据；DS1302为单片机提供实时时钟信号，保证系统时间的准确。
2.1.5复位电路及晶振
复位电路采用按键电平复位，RST接到第9脚，晶振用11.0592MHz。
2.2软件部分
智能型电压监测仪的系统软件主要有频率转换程序、显示程序、数据记录、数据读取等，频率转换程序对数字量输入通道的信号进行计数，并转换为一定的电压值，通过显示程序显示在数码管上，数据记录用来记录整点电压值、运行分钟数、超上限运行分钟数、超下限运行分钟数，数据读取是当上位机有要求读取数据时读取存储在EEPROM的数据。
2.2.1工作流程
开机自检运行项目：EEPROM的监测、RAM的监测、数码管的监测。
EEPROM的监测一般采用“校验和”的方法，其具体的方法是：在将仪器程序机器码写入EEPROM的时候，保留一个单元，此单元不是用于写程序代码，而是用于写入“校验字”。“校验字”应能满足EEPROM中所有单元的每一列都具有奇数个“1”。程序内容是：对每一列数进行异或运算，如果EEPROM无故障，各列的运算结果都为“1”，即校验和等于0xFF。
0906160118
陈守佳
RAM的监测：先将0x55写入RAM的一个单元，然后从改单元中读取数据，并与0x55进行比较，若不相符，则显示出错并给出出错单元地址；若相符，则再写入0xAA，然后从该单元中读取数据，并与0xAA比较，若不相符，则显示出错并给出出错单元地址，若相符，则修改指针地址，用同样地方法对下一个单元进行“读写”监测。依此类推，直到最后一个单元监测完毕即可。
数码管的监测：送一个显示“8”的字符，依次选通各个位选，若所有数码管都显示“8”，则数码管正常，若显示不完全，则可知道到底是哪个段选出错。
软件运行的流程为：实时对电压值进行显示，并对DS1302进行读取时间，整点到时将电压值及时刻写入AT24C02，每存入一个数据就进行最大最小值比较，同时记下时间。这样轮流运行，电压值是实时显示在数码管的，但后台也有存储数据。
平均值的计算：读取24个整点电压值，然后取平均值，存于一个地址。
3.结论
本次课程设计可谓付满心血，查阅了《智能化仪器原理及应用》、《单片机初级教程—单片机基础》等书籍，了解了智能仪器的工作流程，硬件电路参考了单片机的设计，结合本次要求，做了写修改。本次设计能够采集电网电压值，并显示与led上，具有掉电存储功能，并能存储180天地电压值，具有与上位机通讯功能。但也有些不足，如时间与电压不能同时显示，若显示器用lcd1602字符型显示器，则可基本实现，但那样单片机IO口会不够用，此是遗憾之一，再者通讯部分的软件流程实在是设计不了，看来还得加强这方面的能力。
在此要感谢杨志远老师的指导，感谢他对这次课程设计的分析和说明以及所提供的相关信息。
黎明职业大学
第11 页共11 页