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基于单片机的电量检测系统设计方案.pdf
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基于单片机的电量检测系统设计方案
1 绪论
自第一个微处理器问世以来,以微处理器为核心构成的计算机以各种各样的形式,
无孔不入的渗入到人们的生产、生活、科研等各个领域,为人类带来了渗透到各个领
域的“智能”。微处理器是整个智能仪器仪表的核心,检测电路时微处理器的外围设
备,微机通过接口发出各种控制信息给检测电路,以规定功能、启动测量、改变工作
方式等。微机通过查询或检测电路向微机提出的中断请求,使微机及时了解检测电路
的工作状态。当检测电路完成一次测量后,微机读取测量数据,进行了解检测电路的
工作状态。当检测电路完成一次测量后,微机读取测量数据,进行必要的加工、计算、
变换等处理,最后以各种方式输出,如送显示器、打印机打印,或送给系统的主控制
器等等。
近二十年来,以计算机科学,信息学,生命科学为代表的各门新兴学科的迅猛
发展,极大限度的刺激了全球经济的发展,在现代化的工业生产中,电流、电压、温
度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如:在冶金工业、化工
生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中,电能是人们日常生
活和工业生产中的重要能源之一,在现代社会中起着越来越重要的作用,而电压、电
流是其中最关键的两个因素,是否准确的测量电压、电流对我们的生活和生产有着至
关重要的影响,特别是电工和电力系统等领域经常要对交流电量进行采样测试以了解
工作电压或整个电网的工作情况。
2 WB 系列交流电量传感器
2.1 概述
WB 系列交流电量传感器采用电磁隔离技术和专用厚膜集成电路。对电网或电路
中的交流电流或交流电压进行实时测量,将其变换成跟踪电压暑促(
Vg
)、直流电压
输出(
Vz
)、直流电压输出(
Iz
)、频率输出(
Fk
)。传感器的输出可以与各型 AD 转
换器配接构成数据采集系统,也可以与传统模式、数字式指示仪表配接,显示被测量
之值。体积小、重量轻、精度高、耗能低,输入电路、输出电路完全隔离,输出信号
可以共地,输出形式多样,满足各种使用要求,在 0~120%标称输入围,输出信号入
输出信号之间保持正比例关系,通聘宽带,可以测量 5kHz 以的正弦交流电流或交流
电压。结构形式多样,提供直插式、DIN 卡装式安装方式,方便各种场合使用等特点。
2.2 WB 交流电量传感器的工作原理
本系列传感器采用模块化电路结构,如图 2-1 主要由电流测头 1(或电压侧头 2)、
采样电路 3、定标放大器 4、装用厚膜集成转化器 5、6、7 组成。
-
E
lx 1 3 4
5
6
Ux
2
7
Vg
Vz
Iz
Fk
+E
图 2-1 电路结构
被测电流信号
Ix
﹝或被测电压信号
Ux
﹞经电流测头 1﹝或电压测头 2﹞隔离变
换,在二次回路形成高精度毫安级跟踪电流,经采样电路 3 转换为跟踪电压信号,在
经定标放大器 4 进行放大、定标,形成跟踪电压输出 Vg;跟踪电压信号经 AC/DC 转
换器 5 后,形成直流电压输出
Vz
。
Vz
输出经 V/I 转换器 6 后形成直流输出
Iz
,
Vz
输
出经 V/F 变换器 7 后形成频率输出
Fk
。只有输出跟踪电压
Vg
的产品才使用正负电源
﹝+E,-E﹞,其他产品才使用单一正电源。
图 2-1 中电流测头 1 和电压测头 2 是本系列产品的关键部件,属于精密互感器
系列,承担隔离和线性变换的双重作用,改变电流测头规格或改变电压测头的输入电
阻可以改变传感器的测量围。定标放大器 4 是一个宽带交流放大器,它产生的电压输
出
Vg
,在波形和相位上快速跟踪输入信号的变化,
Vg
输出型传感器适用于交流采样
系统。转换器 5 是配套研发的专用厚膜集成器件,它把交流电压信号变换为直流电压
或直流电流输出。转换原理分为平均值转换和真有效值转换,平均值转换器成本低,
适用于标准正弦交流信号转换;真有效值转换器适用于含有多次谐波的交流信号(如
三角波、矩形波、梯形波、可控硅调功波等),单成本较高。转换器 5(或转换器 6)
的“基准波”接地时,他输出 0~5V(或 0~20mA);为它们配加以个高稳定的偏置
电路,就形成 1V~5V(或 4mA~20mA);为它们配加一个高稳定的偏置电路,就形成
了 1V~5V(4mA~20mA)输出。
2.3 传感器型号及技术指标
采用 WBV413AS3﹝交流电压传感器﹞和 WB1414AS1﹝交流电流传感器﹞对电流和
电压进行数据采集。
WBV141AS3 技术指标:
输入规格:10V~1000VAC
输出规格:4mA~20mA
响应时间: 250MS
负载能力:6V
静态功耗:50MW
供电电源:+12 或+24
其他指标:(1)线性围:0~120%标称输入
(2)输入频响:25~5K
(3)环境条件:0℃~+50℃
WB1414AS1 技术指标:
输入规格:5A~50A
输出规格:4mA~20mA
精度等级:0.5 级
响应时间:300ms
负载能力:6V
静态功耗:800mW
供电电源:+12 或+24
其他指标:(1)线性围:0~120%标称输入
(2)输入频响:25Hz~5kHz,特别适合工频至中频
(3)环境条件:0℃~+50℃。
3 硬件系统的设计
3.1 硬件框图
按键
WBV414AS3
ADC0809
WBI414AS1
AT89C51
LED显示
图 3-1 硬件框图
本设计是 AT89C51 单片机控制的电量检测系统。其工作原理是:先由电量传感
器采集数据,启动 A/D 转换,后将数据读入单片机中进行运算并显示,即由数据采
集,数据分析和数据处理三部分完成。
本设计中,控制系统的控制器有单片机 AT89C51 为核心,系统采用 WB1414AS1
(交流电流传感器)和 WBV1414AS3﹝交流电压传感器﹞对电流和电压进行数据采集,
并输出标准电流 4mA~20mA,WB1414AS1、WBV1414AS3 具有新型电磁隔离,高精度变
送等优点。AT89C51 单片机控制 AD0809 进行模数转换,数据经过单片机的运算,输
出结果,并把结果在 4 位 8 段数码管上显示。
3.2 控制电路的设计
3.2.1 单片机的选择
20 世纪 80 年代以来,单片机的发展非常迅速,就通用单片机而言,世界上一些
著名的计算机厂家已经投放市场的产品就有 50 多个系列,数百个品种。目前世界上
较为著名的 8 位单片机的生产厂家和主要机型如下:
美国 Intel 公司:MCS-51 系列和其增强型系列
美国 Motorola 公司:6801 系列和 6805 系列
美国 Amtel 公司:89C51 等单片机
美国 Zilog 公司:Z8 系列和 3870 系列
美国 Fairchild 公司:F8 系列及 SUPER8
美国 ROCKWELL 公司:6500/1 系列
美国 TI(德克萨斯仪器仪表)公司:TMS7000 系列
NS(美国国家半导体)公司:NS8070 系列等等。
尽管单片机的品种很多,但是在我国使用最多还是 Intel 公司的 MCS-51 系列单
片机和美国 Amtel 公司的 89C51 单片机。
MCS-51 系列单片机包括三个基本型 8031、8051、8751。
8031 部包括一个 8 为 CPU、128 个字节 RAM,21 个特殊功能的寄存器(SFR)、4
个 8 位并行 I/O 口、1 个全双工穿行口、2 个 16 位定时器/计数器,但片无程序存
储器,需外扩 EPROM 芯片。比较麻烦,不予采用。
8051 是在 8031 的基础上,片集成有 4KROM,作为程序存储器,是一个程序不超
过 4K 字节的小系统。ROM 的程序是公司制作芯片时,代为用户烧纸的,出场的 8051
都是含有特殊用途的单片机。所以 8051 适用用应用在程序已定且批量大的单片机产
品中,所以也不采用。
8751 是在 8031 基础上,增加了 4K 字节的 EPROM,它构成了一个程序小于 4KB
的小系统。用户可以将程序固化在 EPROM,可以反复修复程序。但其价格相对 8031 较
贵。8031 外扩一片 4KB EPROM 就相当于 8751,它的最大优点是价格低。随着大规模
集成电路技术的不断发展,能装入片的外围接口。虽然虽都在不断的改变制造工艺,
但核却一样,也就是说这类单片机指令系统完全兼容,绝大多数管脚也兼容;在使用
上基本可以直接互换。所以不采用
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