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测量电压、电流、功率的数字表的设计制作【优秀毕业课程设计带任务书+开题报告+外文翻译】
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测量电压、电流、功率的数字表的设计制作【优秀毕业课程设计带任务书+开题报告+外文翻译】,测量,电压,电流,功率,字表,设计,制作
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编号: 毕业设计外文翻译 (原 文) 学 院: 机电工程学院 专 业: 电气工程及其自动化 学生姓名: 张 永 发 学 号: 1200120333 指导教师单位: 机电工程学院 姓 名: 郭 福 力 职 称: 工程师 2016 年 6 月 3 日 A) In of is to of a as to of is to of to by a A is of is A 16CD is is in on of on a of a is on A) . n as So is a of of a it is an to to in to a as a to is a a of is To a EM is a is is a 12V 12V A (I is of to to to by a a is A 16CD is is in on is in as as he of is A is in L) N). of ) B) C) D) 16A. o of So in to a EM in of +HT +,-, M) at +HT to of a +) to to be 12V 15V. M) is to a m m of as =10be by 500 = 50 50k, 5W. = 25 . = 5 2020, of +,-, M) a at It of a in is + ) to be 12V 15V. M) is to a m m is to A is as =100 2V. = 2V/100 2020, B. n if an is to to a DC or a it be to of is as In ) 2) 3) 1) is of a of in a is to 2) is of to DC an If is , it is as or a is in 3) It is of In DC is of So in to is of C. is a to In is as a It 6 12to in D. 16n to a 16CD is in SS to is of in D1 3 4 7 as R/W, E to to or to be a as a of in to in to So in is to in as 1) A a is to a a is to in to is in 1) be a or MS is to be x be of a of 28 MS is 2)is of to is in 2). of is to of by at of is in 3) of be by of to is in 3). F) = 1/T) -(3) be of at of in of it be by ). = 360/(4). be by of is in 5) = (5) is It of a to as as 4) of in , to To a is as as of in an or is or is to DC in it 28 is in FT to FT is to is by 6). =0,1,2,1 n is k is of is 28 in we . of be by 7). of it is to as to FT is as is in as in in of it in of as in In it is of 3 is as of of of to of as in 8). It in HD of is in CD he in I II in In of of as in In it is a is to a to be be a or of is in to 12V, 5V As in I, is a m m of of to .0 of to .1 .3 of to .0 .2 to is on CD by 4, D6 7 to .4 of in up in is , It a as be in . of is 00L 0mH 0V. to V, on as a) it is in of of So FT is of HD to be So is to at in b) is of is in a in a he is to in a it be a by in It of to to It is a By at SP it be a to of is of a by be to by 1A a 51, 4, 002. 2 A of 10, 3, 995. 3 . A. on a 11, 2009, 4I. L. M. of a 2) 28th 02012. C an of in of a of 、 C in of is In a of of of th测量单相电能质量参数的数字表的设计和样机研制 A) A) 要 :在电力系统中,由于非线性和变化负载 的存在,对电能质量的测量变得越来越重要。本文提出了一种数字仪表,设计并实现硬件测量基本的单相电能质量参数如电压、电流、频率、相位、功率因数、功率和总谐波失真( 本硬件电路设计的目的是对上述电能质量参数进行测量,提高系统的性能。该仪器的基本输入 为 电压和电流信号,由电压和电流霍尔传感器检测。微控制器开发板( 射台由德克萨斯仪器制造用于两信号的数字处理。所有软件相关程序是用 C 语言代码 在 部编写 。一个 16节的 液晶显示器用于显示电能质量参数。硬件电路 的测试 是 用标准仪表 在实验室 完成的。通过使用产的 钳 式 电能质量计能质量参数测量设备的实验结果会被报告出来。 关键字: 电能质量 ; 总谐波 畸变; 霍尔传感器 ; . 引言 在现代电力系统中,输入到电网中的电能 的扰动 主要是 连续电源中的电力电子变换器注入到电网的谐波造成的。 因此,在使用前 有必要对一个系统的电能质量 参数 进行测量 。 并且为了能够更好的提高系统的整体性能,需要对其电能质量参数进行测量。 本文提出了一种数字仪表,设计并实现硬件测量基本的单相电能质量参数如电压、电流、频率、相位、功率因数、功率和总谐波失真( 由于该仪表是专为一个单相电力系统 设计的 , 因此 一套电流和电压传感器 是满足设计需求的。 对于电压, 尔电压传感器 可以满足 0变化范围。对于电流的测量, 尔 电流传感器可以满足0 测量范围。 传感器的偏置电压+12V 和 别 是由稳压器 稳压电源 提供。 混合信号处理器( 射台采用 于数字处理。 算法方面采用 计算均方根值( 能 来分析谐波,并且相关程序由 C 语言编写到 。硬件方面采用一个简单的运 放电路 过零检测电路来测量频率,并以 电压跟随器 来 加强信号 的强度 , 通过整流电路将最后的信号传递给 样 。其中 四通道 运算放大器,用于 整流和过零检测电路 。 1602 液晶显示器用于显示电能质量参数。硬件电路与实验室 中的标准表 如电流表、电压表、功率表,功率因数表和电能质量流量计 进行比对 测试 。所有的硬件都在实验环境中进行了测试并将测量数据进行记录和分析。 硬件组成 该数字仪器框图如图 1 所示。 单相电力系统由线路( L)和中性( N)。方框图主要由四部分组成。他们是 a) 霍尔效应传感器。 b) 信号调理电路。 c)数字处理 射台。 d) 1602 液晶显示器。 A 霍尔效应传感器 要测量各种电能质量参数,所需的基本输入是电压和电流。因此,为了测量电压和电流,霍尔电流电压传感器(换能器)制造的问题进行原型。这些传感器进行测试和校准与实验室设备。 上面的图显示电压互感器由两个输入端( + 三个输出端( +, -, M)和两个电阻( 个输入和输出( 输入端子( + 接线和一个单相电源为中性。输出端( +和 -)被用来给换能器的功率。他们可以连接到 12V 或15V。剩余的输出端( M)通过一个电阻接地在 电压降会从换能器输入衰减电压。电阻的计算 如下。 初级 额定电流( = 10 最大电压,可以通过传感器感应 = 500 伏。 输入电阻( = 50 公斤 50K 欧姆, 5W 。 次级额定电流(是) = 25。 定义的次级电压输出 = 输出电阻( = 5 20 20,。 图 3。显示电流传感器由三个输出端子( +,-, M)和输出电阻( 它由一个中空的结构,在该结构中,供电线为 裸线 。输出端子( +和 -)是用于功率传感器。 他们可以连接到 12V 或 15V。剩余的输出端( M)通过一个电阻 电压降会连接到地面的衰减电压与电流测量。电阻的计算如下。 次级额定电流(是) = 100 定义的次级输出电压为 2V。 输出电阻( = 2V / 100 20 B 信号处理电路 一般来说, 如果 一个模拟信号的目的是给一个数字处理器像 微控制器,然后给它应该操纵以满足要求的下一阶段进一步处理。这被称为信号 处理 。运算放大器 是常用的信号处理电路 。该模块中 , 三种电路由运 放电路建立。他们是 : 1)过零检测器。 2)电压跟随器(缓冲区)。 3)反相放大器。 1) 过零检测电路 :该电路 通过零检测电路来实现信号频率的测量。 如图 4 所示。两个连续的 过零点 和他们之间的时间 为信号周期的一半,用来计算信号的频率。 2)电压跟随器(缓冲区):该电路是用来满足 要求模拟信号放大和防止第二电路加载第一个电路。由于一个理想的运算放大器具有无限的输入阻抗和输出阻抗。如果增益( 1,则称为单位 增益缓冲器或电压跟随器,如图所示。 3)反相放大器:它是用于模拟信号的放大和反 相 。 在电路中 能输入正极性信号, 因此,为了实现完整的信号采样,在该运算放大器电路的帮助下,负的半周期 的信号反向变为 正的。 如图: C 数字处理单元 数字处理单元用来 处理数字信号,实现所需的参数 要求 。本文提出的原型,射台作为数字处理单元。其基本特征是如图 7 所示 。它由 16 个通道的 12 位逐次逼近型模拟数字转换器( 这两个通道 非别对正极和负极信号单独进行采样。 D 1602晶显示器 在该模块中, 1602 液晶显示器用 来显示被测量 。 子用于功率显示。 V 终端用于显示调整后的绿色光的对比。 接 用于显示数据位。遥感, R / W, E 是控制引脚来控制数据,即从测量到读或写显示 . 测量算法 除了硬件电路,应该有一个软件支持作为编码的一部分,以测量电能质量参数。这种编码有助于连接硬件电路的数字处理器提供测量参数。因此,在这一部分中,每个参数的测量算法进行了讨论,使知道在微控制器的软件编程。不同测量量的算法如下。 1)电压和电流均方根值测量:霍尔电压传感器具有一系列 0用来测量电压和霍尔电流传感器具有一系列 0用来测量电流这一原型。在方程( 1)中给出了根均方值(有效值)值的函数 该函数 Y 可能是一个电压或电流,其有效值是被发现和 期的样本数超过一个周期,特别是作为 128 个样品 /周期。测量有效值的算法 在图 9 中给出 。 2)有功功率:软件算法是用 电压和电流传感器的输出通过 数来找到根均方(有效值)值的公式( 2)。 该算法的目的是计算功率值乘以电压和电流在每个周期的,说明在 品会给有功功率的测量 . 3)频率、相位角和功率因数:电源波形的频率可由零点和功能之间的时间段相互决心找到频率给出了方程( 3)。 F) = 1/T) -(3) 在同一时刻的电压和电流波形的过零点,可以发现相位角。差异 零交叉点之间的相位角可以在时间上,它可以被转换成相位角的方程( 4)。 = 360/(4). 功率因数可以通过考虑电压和电流之间的夹角的余弦值来确定。即相位角。在方程( 5)中给出了相位角的表达式() = (5) 发现这三个参数的相关软件算法示于图。它还包括一个单独的算法来表示领先,以及滞后的功率因数。 4)谐波(总谐波失真):谐波是基频以外的频率。通常它们是基本频率的倍数。他们造成电源中的干扰,会产生热,噪音等,也导致非正弦波形式,可能会损坏电气设备。找到他们,一个数学的方法快速傅里叶变换( 析法,以及总谐波失真( 出了各次谐波。在一个模拟电压或电流波形的谐波分量的计算说明图。 最初,从电压或电流传感器输出信号给28个样品,采样数据进行 析处理计算谐波。 析的主要目的是将时域信号转换成频域表示这是由方程( 6)。 其中 k = 0,1,2,的 n 是时间域和频率域的顺序依次是。在这种情况下, n 为 128的样品的数目为代表的。 转换到频域后,我们将得到的表达。然后谐波的幅值和相位可以通过方程( 7)。 时域信号转换到频域中,它是要知道即使样品和奇怪的样品分别处理,最后结合如图有趣。软件算法的 析显示图的实现。最初给出的数据是在倒位序如图,然后进行第一阶段,在第一组和第一只蝴蝶。在计算该蝶后,它将完成剩余的所有其他蝴蝶位于不同组的不同阶段,每一个以上的算法, 并给出了在频域中的谐波的值。本文提出的原型,它可以测量 1 到 63 次谐波和总谐波失真( 这个总谐波失真是指对所有谐波分量的基波功率给出了方程的力量总和的比值( 8)。它表示在信号中存在的完整的谐波失真。对于测量,具体的电压波形 有百分比是液晶显示了。 样机开发与调试 V. 样机开发与调试 以上讨论的第二部分和第三部分介绍了在这个原型中使用的硬件和软件编程。在这一部分中,所提出的工作显示所有组件连接在图及其描述整个原理进行了详细的讨论。 在图中,我们观察到一个单相电源通过电压和电流传感器连接到一个负载的电能质量参数被发现。负载可能是一个电阻,电感,电容或任何组合。稳压电源是提供以生成 + 12V, 12V 偏压传感器和 +5V 供电的 控制器, 示。正如在第二节中已经讨论的,运算放大器电路是用于三个目的,即过零检测,信号增强和信号反演。这三个回路电压和使用一个四通道 流。这三个电路的输入是相同的,即虚拟机和即时通讯,这是什么,但电压和电流传感器的输出。的同相缓冲器的电压和电流输出给定的端口 6和 反相缓冲器 输出给端口 和 别给予 根据第三章 ,数字处理解释及其建成后,测量电参数通过连接的数据位 晶屏上显示, 端口 量参数将连续重复每一个周期。的原型试验在实验室进行了试验与标准仪器如电流表、电压表、功率表、功率因数表随着数字存储示波器( 电能质量分析仪( 造的横河公司。图是建立在实验室测试其响应的试验样机。 在实验过程中,原型是不同负载 R,测试 也测试了作为逆变器输出的非线性负载。最后的结果 将在第五实验讨论,负载 R 的值作为 100 500型规格: 实验结果分析 参照第四节,对不同载荷的原型进行了试验,结果如下。 观察 : A)原型的结果与标准仪器的结果比较发现,它具有相当的精度除百分比的总谐波失真( 情况下的电压。这样的代码是用 的 析,随着 此,误差仅仅是由于在数字存储示波器中观察到的传感器输出的噪声。由于该软件是考虑过电压和电流的过零检测的软件写的,这个原型仪给出了一个在一个周期内有许多过 零点的脉宽调制波形的测量误差。 结论 提出的原型设计和实施,在一个单相电源系统,具有公平的准确性来衡量基本的电能质量参数。该原型已开发令人满意的有限的投入,它可以成为一个低成本的产品,通过提供升级的环境中的软件和硬件部分。它使了解电气系统的行为对标准的意义,并进一步导致采取措施,以提高系统的性能。它是先进的智能计量的基本步骤。通过提供抗干扰电路在传感器输出和选择现代最新控制器的 类的,它可以是一个好的设备对各种电能质量问题。 该原型是也能够测量电能质量参数的脉冲宽度调制(脉宽调制)波形通过更换过零检测方案与锁相环(锁相环)同步。这项工作可以进一步扩展到测量三个阶段的数量,通过提供额外的设备。 参考文献:(略) 桂林电子科技大学毕业设计英文资料翻译 1 直流开关稳压电源的保护技术 摘要 :讨论了直流开关稳压电源的保护系统 ,提出保护系统设计的原则和整机保护的措施,分析了开关稳压电源中的各种保护的特点及其设计方法 ,介绍了几种实用保护电路。 关键字 :开关电源;保护电路;系统设计 一、引言 直流开关稳压器中所使用的大功 率开关器件价格较贵 ,其控制电路亦比较复杂 ,另外 ,开关稳压器的负载一般都是用大量的集成化程度很高的器件安装的电子系统。晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差。因而开关稳压器的保护应该兼顾稳压器本身和负载的安全。保护电路的种类很多 ,这里介绍极性保护、程序保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护以及过热保护等电路。通常选用几种保护方式加以组合 ,构成完善的保护系统。 二、极性保护 直流开关稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。由于操作失误或者意外情况会将其极性接错 ,将损坏开关稳压电源。极性保护的目的 ,就是使开关稳压器仅当以正确的极性接上未稳压直流电源时才能工作。利用单向导通的器件可以实现电源的极性保护。最简单的极性保护电路如图 1 所示。由于二极管 D 要流过开关稳压器的输入总电流 ,因此这种电路应用在小功率的开关稳压器上比较合适。在较大功率的场合 ,则把极性保护电路作为程序保护中的一个环节 ,可以省去极性保护所需的大功率二极管 ,功耗也将减小。为了操作方便 ,便于识别极性正确与否 ,在二极管之后接指示灯。 三、程序保护 开关稳压电源的电路比较复杂 ,基本上可以分为小功率的控制部分和大功率的开关部分。开关晶体管则属大功率,为保护开关晶体管在开启或关断电源时的安全 ,必须先让调制器、放大器等小功率的控制电路工作。为此 ,要保证正确的开机程序。开关稳压器的输入端一般接有小电感、大电容的输入滤波器。在开机瞬间 ,滤波电容器会流过很大的浪涌电流 ,这个浪涌电流可以为正常输入电流的数倍。这样大的浪涌电流会使普通电源开关的触点或继 电器的触点熔化 ,并使输入保险丝熔断。另外 ,浪涌电流也会损害电容器 ,使之寿命缩短 ,过早损坏。为此 ,开机时应该接入一个限流电阻 ,通过这个限流电阻来对电 容器充电。为了不使该限流电阻消耗过多的功率,以致影响开关稳压器的正常工作 ,而在开机暂态过程结束后,用一个继电器自动短接它 ,使直流电源直接对开关稳压器供电。这种电路称之谓开关稳压器的“软启动”电路。 开关稳压器的控制电路中的逻辑组件或者运算放大器需用辅助电源供电。为此 ,辅助电源必须先于 开关电路工作。这可用开机程序控制电路来保证。一般的开机程序是 :输 入电源的极性鉴别 ,电压保护开机程 序电路工作辅助电源工作并通过限流电阻 充电 开关稳压器的调制电路工作,短路限流电阻开桂林电子科技大学毕业设计英文资料翻译 2 关稳压 器 稳定工作。 在开关稳压器中 ,刚开机时 ,因为其输出电容容量大 ,充到额定输出电压值需要一定时间。在这段时间内 ,取样放大器输入低的输出电压采样 ,根据系统闭环调节特性将迫使开关三极管的导通时间加长 ,这样一来 ,开关三极管就会在这段期间内趋于连续导通 ,而容易损坏。为此 ,要求在开机这一段时间内 ,开关调制电路输出给开关三极管基极的脉宽调制驱动信号,能保证开关三极管由截止逐渐趋于正常的开关状态,故而要加设开机保护以配合软启动。 四、过电流保护 当出现负载短路、过载或者控制电路失效等意外情况时 ,会引起流过稳压器中开关三极管 的电流过大,使管子功耗增大 ,发热 ,若没有过流保护装置 ,大功率开关三极管就有可能损坏。故而在开关稳压器中过电流保护是常用的。最经济简便的方法是用保险丝。由于晶体管的热容量小 ,普通保险丝一般不能起到保护作用 ,常用的是快速熔断保险丝。这种方法具有保护容易的优点,但是 ,需要根据具体开关三极管的安全工作区要求来选择保险丝的规格。这种过流保护措施的缺点是带来经常更换保险丝的不便。 在线性稳压器中常用的限流保护和电流截止保护在开关稳压器中均能应用。但是 ,根据开关稳压器的特点 ,这种保护电路的输出不能直接控制开关三极管 ,而必 须使过电流保护的输出转换为脉冲指令 ,去控制调制器以保护开关三极管。为了实现过电流保护一般均需要用取样电阻串联在电路中 ,这会影响电源的效率 ,因此多用于小功率开关稳压器的场合。而在大功率的开关稳压电源中 ,考虑到功耗,应尽量避免取样电阻的接入。因此 ,通常将过电流保护转换为过、欠电压保护。 五、过电压保护 开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护。开关稳压器所使用的未稳压直流电源诸如蓄电池和整流器的电压如果过高 ,使开关稳压器不能正常工作 ,甚至损坏内部器件 ,因此 ,有必要使用输入过电压保护电路。 在该电 路中,当输入直流电源的电压高于稳压二极管的击穿电压值时,稳压管击穿,有电流流过电阻 R, 使晶体管 V 导通,继电器动作,常闭接点断开,切断输入。其中稳 压管的稳压值 入 电源的极性保护电路可以跟输入过电压保护结合在一起 ,构成极性 保护鉴别与过电压保护电路。 输出过电压保护在开关稳压电源中是至关重要的。特别对输出为 5V 的开关稳压器来说 ,它的负载是大量的高集成度的逻辑器件。如果在工作时 ,开关稳压器的开关三极管突然损坏 ,输出电位就可能立即升高到输入未稳压直流电源的电压值 ,瞬时造成很大的损失 。常用的方法是晶闸管短路保护。当输出电压过高时 ,稳压管被击穿 ,触发晶闸管导通 ,把输出端短路 ,造成过电流 ,通过保险丝或电路保护器将输入切断 ,保护了负载。这种电路的响应时间相当于晶闸管的开通时间,约为 5 10 s。它的缺点是动作电压是固定的,温度系数大,动作点不稳定。另外,稳压管存在着参数的离散性,型号相同但过电压起桂林电子科技大学毕业设计英文资料翻译 3 动值却各不相同,给调试带来了困难。 六、欠电压保护 输出电压低于规定值时,反映了输入直流电源、开关稳压器内部或者输出负载发生了异常。输入直流电源电压下降到规定值之下时,会导致开关稳压器的输出电压跌落 ,输入电流增大,既危及开关三极管,也危及输入电源。因此,要设欠电压保护。简单的欠电压保护如图 6 所示。 当未稳压输入的电压值正常时,稳压管 穿,晶体管 V 导通,继电器动作,触点吸合,开关稳压器加电。当输入低于所允许的最低电压值时,稳压管 通, V 截止,触点跳开,开关稳压器不能工作。开关稳压器内部,由于控制电路失常或者开关三极管失效会使输出电压下降;负载发生短路也会使输出电压下降。特别在升压型或反相升压型的直流开关稳压器中欠电压的保护是跟过电流保护紧密相关的,因而更加重要。实现方法是在开关稳压器的输出端接电 压比较器。 正常时,比较器没有输出,一旦电压跌落在允许值之下比较器就翻转,驱动告警电路 ;同时反馈到开关稳压器的控制电路,使开关三极管截止或切断输入电源。 七、过热保护 开关稳压器的高集成化和轻量小体积,使其单位体积内的功率密度大大提高,电源装置内部的元器件对其工作环境温度的要求也相应提高。否则,会使电路性能变坏,元器件过早失效。因此在大功率开关稳压器中应该设过热保护。 采用温度继电器来检测电源装置内部的温度,当电源装置内部产生过热时,温度继电器就动作,使整机告警电路处于告警状态,实现对电源的过热保护。亦可将 温度继电器置于开关三极管的附近,一般大功率管允许的最高管壳温度是 75,调节温度整定值为 60。当管壳温度超过允许值后继电器就切断电器,对开关管进行保护。半导体热敏开关器件“热晶闸管”在超温保护方面有重要作用。它可以用作温度指示电路。根据 特性,由 确定该器件的导通温度, 大,导通温度越低。 当将其放置功率开关三极管附近,或在电源装置内时,它就能起到温度指示作用。当功率管的管壳温度或者装置内部的温度超过允许值时,热晶闸管就导通,使发光二极管发亮告警。倘若配合光电耦合器 ,就可使整机告警电路动作,保护开关稳压器。它亦可以用作功率晶体管的过热保护,晶体开关管的基极电流被 n 控制栅型热晶闸管 关管截止,切断集电极电流 ,防止过热。 八、继电保护的未来发展 继电保护技术未来趋势是向计算机化,网络化,智能化,保护、控制、测量和数据通信一体化发展。 1)计算机化 桂林电子科技大学毕业设计英文资料翻译 4 随着计算机硬件的迅猛发展,微机保护硬件也在不断发展。原华北电力学院研制的微机线路保护硬件已经历了 3 个发展阶段:从 8 位单 构的微机保护问世,不到 5年时间就发展到多 构,后又发展到总线不出模块的大模块结构,性能大大提高,得到了广泛应用。华中理工大学研制的微机保护也是从 8 位 展到以工控机核心部分为基础的 32 位微机保护。 南京电力自动化研究院一开始就研制了 16 位 基础的微机线路保护,已得到大面积推广,目前也在研究 32 位保护硬件系统。东南大学研制的微机主设备保护的硬件也经过了多次改进和提高。天津大学一开始即研制以 16 位多 基础的微机线路保护, 1988 年即开始研究以 32 位数字信号处理器 (基础的保护、控制、测量一体化微机装置,目前已与珠海晋电自动化 设备公司合作研制成一种功能齐全的 32 位大模块,一个模块就是一个小型计算机。采用 32 位微机芯片并非只着眼于精度,因为精度受 A/D 转换器分辨率的限制,超过 16 位时在转换速度和成本方面都是难以接受的;更重要的是 32 位微机芯片具有很高的集成度,很高的工作频率和计算速度,很大的寻址空间,丰富的指令系统和较多的输入输出口。 寄存器、数据总线、地址总线都是32 位的,具有存储器管理功能、存储器保护功能和任务转换功能,并将高速缓存 (浮点数部件都集成在 。 电力系统对微机保护的要求不断提高,除 了保护的基本功能外,还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间,快速的数据处理功能,强大的通信能力,与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力,高级语言编程等。这就要求微机保护装置具有相当于一台 的功能。在计算机保护发展初期,曾设想过用一台小型计算机作成继电保护装置。由于当时小型机体积大、成本高、可靠性差,这个设想是不现实的。现在,同微机保护装置大小相似的工控机的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小型机,因此,用成套工控机作成继电保护的时机已经成熟,这将是微机保护的发展方向之 一。天津大学已研制成用同微机保护装置结构完全相同的一种工控机加以改造作成的继电保护装置。这种装置的优点有: (1)具有 486的全部功能,能满足对当前和未来微机保护的各种功能要求。 (2)尺寸和结构与目前的微机保护装置相似,工艺精良、防震、防过热、防电磁干扰能力强,可运行于非常恶劣的工作环境,成本可接受。 (3)采用 线或 线,硬件模块化,对于不同的保护可任意选用不同模块,配置灵活、容易扩展。 继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的发展趋势。但对如何更好地满足电力系统要求,如何进一步提高继电保护 的可靠性,如何取得更大的经济效益和社会效益,尚须进行具体深入的研究。 2)网络化 计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱,使人类生产和社会生活的面貌发生了根本变化。它深刻影响着各个工业领域,也为各个工业领域提供了桂林电子科技大学毕业设计英文资料翻译 5 强有力的通信手段。到目前为止,除了差动保护和纵联保护外,所有继电保护装置都只能反应保护安装处的电气量。继电保护的作用也只限于切除故障元件,缩小事故影响范围。这主要是由于缺乏强有力的数据通信手段。国外早已提出过系统保护的概念,这在当时主要指安全自动装置。因继电保护的作用不只限于切除故 障元件和限制事故影响范围 (这是首要任务 ),还要保证全系统的安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共 九、结语 以上分别讨论了在开关稳压器中的各种保护方式 ,并介绍了一些具体实现的方法。对一个给定的开关稳压电源来说,还应从整机保护方面考虑以下几点: ( 1)把开关稳压器中所应用的开关三极管限制在直流安全工作区域之内工作。对于选定的开关三极管 ,由晶体管手册可查得其直流安全工作区。根据集电极电流的最大值来确定输入过电流的保护值。但是 ,这个瞬时最大值应转换为电流的平均值。在额定输出电流与输出电压的条件下 ,开关管的动态负 载线不超过直流安全工作区的最大输入电压 ,就是输入过电压保护的电压值。 ( 2)把开关稳压器的输出限制在所给定的技术指标之内。在所要求的工作温度范围内 ,开关稳压器的输出电压的上、下限就是输出过、欠电压保护的电压值。过电流保护则可根据最大输出电流来确定。为了不误告警 ,保护值应适当留一定的余量。 ( 3)由以上两点确定保护方式之后 ,再根据电源装置的需要来确定告警措施。一般告警措施有声警和光警两种。声警适用于整机比较复杂、电源部分又装在不显眼的地方 ,它可以给工作人员以有效的故障告警 ;光警可以醒目地指示故障告警并指出故障 发生的部位和类型。保护措施要视所保护的部位来确定。在大功率 ,多路电源的场合 ,总是用交、直流断路器 ,高灵敏继电器等构成自动保护措施 ,切断电源的输入使系统停止工作 ,免受损害。通过逻辑控制 电路使相应的开关三极管截止的方案显得既灵敏方便又经济。这样可以省去体积大 ,响应时间长 ,价格贵的大功率继电器或断路器。 ( 4)电源中加设了保护电路之后会影响系统的可靠性,为此要求保护电路本身的可靠性要高,以提高整个电源系统的可靠性,进而提高电源本身的 就要求保护的逻辑严密 ,电路简单、元器件最少,除此而外还要考虑到保护电 路本身出故障时维修难度和其所保护的电源损坏程度。 所以必须全面系统地考虑开关电源各种保护措施,确保开关电源的正常工作和高效率与高可靠性。 编号: 毕业设计说明书 题 目: 测量电压、电流、功率的 _数字表的设计制作 学 院: 机电工程学院 专 业: 电气工程及其自动化 学生姓名: 张 永 发 学 号: 1200120333 指导教师: 郭 福 力 职 称: _工程师 _ 题目类型: 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2016 年 6 月 3 日桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第 I 页 摘 要 在现代检测技术中,常需用高精度数字电压表进行现场检测,将检测到的数据送入微计算机系统,完成计算、存储、控制和显示等功能 片机的测量电量的数字表,以 片机和 核心器件 用的元件较少,成本低,调节工作可实现自动化: 数字电表抗干扰能力强、测 量 速度快、测量准确度高 要测出这两个 参数就可以计算出有功功率和无功功率。 整个系统的设计完成了硬件电路的设计及软件程序的编写,通过最终硬件电路的调试及软件程序的仿真,使该系统能够在要求的条件下达到正常的测量及显示功能 。 在整个系统的设计过程中,主要采用了模块化的设计方法。该系统 主要分为四大模块,即输入信号衰减模块、主控制模块、 A/D 转换模块和输出显示模块。由于实际电路中的电量参数太大, 接采集会使器件被损坏,因此先对电量信号进行衰减,在单片机的控制下完成对电压 、电流 信号采集 ,并对电压和电流的相位进行比较得到功率角 ,最后将 测量结果通过 晶 显示出来。该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强 。 关键字: 51 单片机 ; A/D 转换器 ;电压电流的采样;显示屏; 数字表 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第 n it is to a be to An is It is a on in of it In at of of of of of is is of of of to of of it of of of be 602. is 51A/D 林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 目录 目 录 摘 要 . I . 引言 . 1 题背景和研究意义 . 1 字表的发展现状 . 1 字表的未来发展趋势 . 1 题研究目的和主要内容 . 2 2 系统方案 设计 . 3 统原理分析 . 3 压、电流测量原理 . 3 率测量原理 . 4 统功能要求 . 4 统框图 . 5 统设计方案及技术分析 . 5 压、电流采集模块 . 5 号处理模块 . 6 数转换模块 . 6 角测量模块 . 6 3 硬件系统分析 . 8 路测量系统的分析 . 8 片机简介 . 8 统前向通道 . 8 压、电流采样电路 . 8 号处理和分析 . 10 角测量的前置电路 . 11 数转换电路 . 12 介 . 12 作过程 . 12 件设计 . 13 盘电路 . 15 晶显示电路 . 15 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 目录 源电路 . 16 4 系统的软件设计 . 17 统的主程序设计 . 17 始化子程序的设计 . 18 量子程序 . 18 率因数的测量子程序 . 19 压、电流有效值的测量 . 20 率测量 . 21 晶显示子程序 . 21 盘扫描子程序 . 23 5 软件仿真与硬件调试调试部分 . 24 压、电流采集模块调试 . 24 位捕捉验证 . 25 件制作与调试 . 26 总结 . 27 谢 辞 . 28 参考文献 . 29 附 录 . 30 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第 1 页 共 38 1 引言 题背景和研究意义 电能,作为生产和日常生活必要的一部分,在人类社会的发展过程中具有重要地位1。而在电能的生产、传输、分配、和使用的过程中只有通过对电能质量和负载运行情况的监测才能保证供电的可靠、灵活和经济性。因此,对于电能参数的测量具有重要意义。通过对电压、电流和功率的测量,便可以具体的描述出电信号能量的大小。在电参数的测量过程中必然会使用到测量仪表。传统的电参数测量仪表多为功能单一的模拟式针仪表。这类仪表通过电流或电压线圈的电磁感应来驱动指针偏转,测量人员通过指针在刻度表盘上的位置即可进行读数。这类传统的模拟式仪表多数在使用前需要进行机 械调零,而且根据待测量数据的大小需要通过手动调节的方式来选择合适的档位。尤其是在精度要求不同的测量条件下,仍然需要根据测量所需精度的不同来选择不同准确度等级的电工测量仪表,因此操作较为复杂、通用性较差。而且由于刻度盘的读数并不直观,导致测量结果被引入了人工读数所带来的误差。因此这种传统的机械式电气测量仪表急需被一种新型的高性能测量仪表所取代。 字表的发展现状 随着电子技术的发展,一种新型数字式测量仪表渐渐出现在人们的视线中。这种数字式仪表不同于传统的模拟式指针仪表,它采用将模拟量转化为数字量的方式 将测量结果直接液晶或数码管上显示出来。这种数字表主要由输入变换部分、 A/D 变换部分和显示部分构成。由于数字表可以直接将测量结果通过显示部分显示出来,因此在测量过程中避免了以往因人工读数不直接而引入的测量误差。而且部分数字表还具有自动转换量程的功能,这也避免了人工切换量程时由于误操作所引发的安全事故,增加了测量过程的 安全和可靠性。 数字式仪 表在国外发展较早 ,早在二十世纪五十年代初期 美国的 司年就已经研发出了四位的数字电压表。后来逐渐发展成为显示位数更多的高精度 数字电 压表 2。而我国在 二十世纪六十年代初 才开始对数字表进行研制,随着国内电子技术的发展,我国研制的数字表的 稳定 显示位数和精度也在不断提高, 随之 出现了许多六 位和 七位 半显示 的数字电压表 。目前国内数字表已经实现八位半的稳定显示输出 。 字表的未来发展趋势 随着研发技术的不断进步,数字表的应用也越来越成熟,如今已被广泛的应用到工桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第 2 页 共 38 业生产和电力行业中 3。尤其是在一些较为恶劣的环境中,数字表以其自身的优越性仍然占有主导地位。但也由于一些复杂环境中,存在各种形式的干扰,因此对数字表性能的要求也十分苛刻。比如在磁场变化较为剧烈的环境中,仪表中的电子元件很容易受到变化磁场的干扰从而导致测量结果出错。对于精密仪表,抗干扰能力尤为重要。并且随着计算机技术的发展,通讯和智能化也被运用到各个领域,这也将成为数字表的一个新的发展趋势。因此数字表 的未来发展应该有以下特点: ( 1) 更高的稳定性 供电的电源,现场的抗干扰能力,显示的数值的准确精度,这些性能都 会越来越好。 ( 2) 附加功能的智能化 通讯能力,控制保护功能,传输能力,历史记录功能,波形显示等。未来的电力仪表会更加智能化,更切合现场的需要。 题研究目的和主要内容 为了克服传统指针式仪表的缺点,实现量程自动切换、读数直观、操作更加方便的电参数测量。本文采用了新型的设计方式,以互感器及其外围电路组成采样电路实现交流的信号的采样,以运放组成的精密整流电路和滤波电路实现信号的交直流变换,以核心的 A/D 电路实现模拟量到数字量的转换,以过零比较电路实现相位的测量,以单片机为核心实现对电压 、电流和功率的运算并通过 1602 液晶模块实现测量 果的直观显示。相对与传统的指针式仪表,本设计具有功能多样、读数直接、可以自动切换量程、操作方便的特点。本设计包括以下几个内容:交流采样电路,整流滤波电路, A/D 转换电路,相位测量电路,液晶显示部分 ,按键控制部分,单片机及其外围路以及电源部分。以下是本设计需要研究的学习内容: 各章内容安排如下: 第一章前言部分简单介绍课题的发展背景、发展现状和研究意义等; 第二章是介绍设计本课题相关理论知识基础。 第三章主要对用到的单片机和各个功能电路的功能、原理、原件的选择 和参数计算 进详细分析; 第四章主是整个系统的软件部分进行设计并对各个功能模块电路的软件部分进行 详细说明; 第五章主要是对整个设计的软件仿真与硬件调试,并对过程中出现的问题进行分 析,找出合理的解决办法; 第六章是对本次课题设计的总结及未来的展望; 文章的最后是致谢以及所用到的参考文献和附录部分;桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第 3 页 共 38 2 系统方案 设计 根据要求,本设计需要同时对电压、电流、功率等电能参数 信息 进行 实时采集。以下为本次设计中所需要的理论基础。 统原理分析 压、电流测量原理 在电路原理中,可以通过二端口模 型对电路中负荷的电参数进行求解。如图 示: 图 二端网络 本图中取电流与电压为关联参考方向, 在交流电路中可以 设电流和电压分别为2 s i n( )i I w t , 2 s i w t 其中 为 电 流 超前电 压 的相位角。 对于交流信号幅值的相对大小可以分别用峰值、平均值和有效值来表示; 有 效值指的是信号的均方根值( 对于电压信号,其有效值的数学表达式如公式( 2示: 2) t d ( 2 而对于标准正弦信号而言, 其信号的有效值与峰值之间存在以下关系,如公式( 2示: S ( 2 因此对于标准正弦信号而言,其有效值可以根据公式( 2通过获取峰值的方式来间接求得。但严格意义上来说,由于高次谐波的存在,从电网输出到民用负荷的电压波形并不是完美的正弦波 。因此为保证更高的计算精度本次设计对电压有效值的计算是根据公 式( 2行求解的。 对于电流有效值的测量,通常是由电流按照一定比率转换为电压信号后进行求解的。根据电路原理,流经纯电阻电路的电流与电流在该电路产生的电压信号在 同一时刻的波形上是可以完全重合。因此,通过电阻采样的方法既可以保证在时间上波形的同步,又可以保证数值上的对应关系。对与电流有效值的求解,从原理上讲还是对电压有效值的求解。综上,对于电流有效值的求解同样可以根据公式( 2欧姆定律联合求得。桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第 4 页 共 38 测量电压电流的最终目的是对设备功率进行求解,因此接下来将对功率的测量原理。 率测量原理 根据初 中物理对功率的定义,功率是在有效的单位时间 T 内,用电器所消耗的电能是 W(瓦特)。因此根据定义,功率可以由公式 P=W / T 求得,但实际上计算用电器在时间 T 内消耗的电能是非常困难的。因此,通常对功率的求解是根据如下公式进行求解的: 01 TP u id ( 2 其中 u 和 i 分别为电压和电流的 瞬时值,通过对公式( 2行变换可以得出功率的最终表达式( 2 I ( 2 其中 U 和 I 分别为电压和电流的有效值, 根据公式 ( 2以分别对电压和电流的有效值进行求解。 因此对于功率的求解还需要最后一个变量 便可以完成。 为以电压为相位参考时,电流的相位 。因此对于功率 的求解 实际转换为 对电压电流之间的相位差 进行求解 。 统功能要求 本设计以 片机作为核心控制元件,以 外围硬件组成信号的输入通道对交流信号进行实施信号采集的交流数字测量仪表。该仪表可以同时对负荷的电压,电流和功率进行测量,并且由于采用数字显示模块 1602 液晶完成被测量的输出显示,因此具有可以直观的将模拟量对应的数字量显示出来。对与数字式仪表,其工作原理是先将采集 到的模拟信号进行信号类型转换,完成模拟量到数字量的对应转变。因此信号的采集和转换过程对数字表功能的实现尤为重要。本文的重点也将放在信号的采集和转换部分。本文通过互感器电路对交流信号实施采样,并通过后续电路的处理将采样到的模拟信号输入到数据转换芯片已完成数据从模拟量到数字量的转换。对于功率的测量部分,本文采用将交流信号转换为方波信号并通过逻辑运算的方法实现电流与电压之间相位差的测量以达到最终获得功率的目的。整个电路对于软硬件的要求都比较高,因此需要大量的知识储备以应对设计中出现的各种问题,经过软硬件的整体设计 之后,本设计应达到以下要求: 表 2系统设计要求 需测参数 参数测量要求 电压 交流 0250V 误差 2 V 电流 交流 05A 误差 功率 有功功率 01250W 误差 1 W 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第 5 页 共 38 统框图 在 本设计 中 ,需要同时对电压、电流和负荷的有功功率进行测量。 而电压和电流在数值上均用有效值来表示。根据公式( 2在已知电压有效值和电流有效值的前提下只需要测量功率因数便可以得出功率的测量值 。 故,在 设计上对上述内容进行了分别处理,因此可以大体分为以下几个板块: 电压电流采集 模块、相位角测量模块、 按键 模块、液晶显示模块。各模块的具体实施方案将在第三章进行介绍。 整个 设计的 系统的结构图如图 示: 统设计方案及技术分析 压、电流采集模块 方案一 :电阻分压采样 通过测量电路中采样电阻的串并联接法 , 使 电流流过电阻,从而采集到电压 和电流值。 方案二:电压 、 电流互感器 测量型互感器是一种被广泛应用在仪器仪表中的变压器,从原理上讲互感器与变压器类似,都可以将电信号按照一定的比例放大或缩小。不同于普通变压器的是互感器通常用于完成电参数 的变换以达到测量的目的。常用的电压 互感器二次测额定值均为100V,而电流互感器的二次侧额定电流为 5A 或 1A。而本此设计需要将采集到的电信号直接输入 换器,因此需要用到一种仪表用测量型互感器,其二次侧电压一般为5 因为其依然具有互感器 的特性因此可以很好的应用于电参数的测量电路当中,并完成强电到弱电 的转化。而且在强 电与 弱电的隔离方面,互感器也具有良好的效果。 通过分析比对,方案一适用于弱电信号的测量电路,因其接法简单,并且易于实现而被采用。而方案二则多应用于需要将强电信号进行衰减采样的电路中。根据本次设计被测 电压 被测 电流 互感器电路 相 角 测量 精密整流 信号处理 液晶显示 A/D 转化 单片机 图 系统 组成方框图 放大电路 信号处理 按键控制 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第 6 页 共 38 的功能设计要求,电路 需要实现 0流信号的采集和测量,属于强电到弱电的转化。因此本次设计选取方案二作为本次设计的交流输入方式。 号处理 模块 由于电压电流互感器二次测输出电压比较小,且 A/D 转换器只 允许 0直流信号 通过自身并完成信号的类型转换。因此需要对经互感器采集转换后的弱 信号进行放大和整流处理。而且由于电网电压的波动可能导致转换后的电信号的幅值大于 换器的允许输入范围,因此需要 对整流电路的输出端也就是 A/D 转换器的输入端进行过流和过压保护处理。 综上,信号处理模块需要设计整流电路、过流保护和过 压保护电路。 数转换模块 本次设计需要对电信号进行实时测量, 且待测量为在时间上连续变化的交流模拟信号,因此首先需要对该信号进行类型的转换。由连续变化的模拟信号转化为时间上离散的数字信号的过程就需要用到 A/D 转换器。而就本次设计而言, 对于交流量的测量过程中,首先要将有效值为 0250V 的交流电压信号转换为单片机内部可以读取的电平信号。根据设计要求,电压的误差需要控制在 2V 以内,相对于本设中需要测量电压信号的最大量程而言 允许误差基本在满量程测量数值 右。但考虑到硬件电路的设计与制作过程意 外引入的干扰问题和模拟信号的采集和输入部分产生的误差,工程上通常选用精度为设计要求 10 倍以上的 A/D 芯片作为最佳选择。 根据信号输出方式的不同 A/D 又可以分为两种:串行输出式、并行输出式。并行传输方式的优点是传输速率快,但由于需要多通道数据同时传输,因此占用了较多的芯片资源,对于 I/O 有限而需要采集的信号较多时,这种方式基本不予采用,并且并行输出方式的 A/D 电路布线较为复杂。相比之下,串行输出方式的 A/D 所构成的电路具有布线简单的特点,因此本次选用位数较高的串行 A/D 芯片来同时满足电路对布线和传输速率的要求 ,而且在价格方面本次选用的 通道串行 A/D 与常用的 有极高的性价比。因此选用由美国 司生产的多通道、高性价比的 行 A/D 作为本次设计的模数转换芯片。 角 测量模块 功率因数是指正弦信号的电压超前于电流的相角的余弦值。对于相位角的测量可以有以下几种方案: 方案一:采用过零比较的方法来测量 相位角 对于标准正弦信号而言,其波形会周期性的通过零点,根据信号每次通过零点的桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第 7 页 共 38 时间便可以求出信号的相位角。 方案二:通过 傅立叶变换的方式来求取输入信号的 相角。 此种方法在精度上的确优于第一种方案,但由于其算法实施较为复杂。此种方法主要应用于系统精度要求极高,且信号复杂的情况。 综上,本 次 设计采用方案一 的办法来实现系统的相位测量功能 。桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第 8 页 共 38 3 硬件系统分析 路测量 系统的分析 单片机电路测量 系统主要由 统前向输入通道(电压和电流的采样电路)、按键电路和液晶显示电路组成。这部分电路主要需要完成以下任务: 1) 完成对系统输入通道采集到 的信号的数据处理; 2) 通过调用显示函数将处理结束后的数据通过液晶显示出来 ; 片机简介 本次设计使用 深圳宏晶科技公司生产的增强型 片机, 内部带有 8K 的程序存储空间最高工作频率可达 1 单片机,该芯片在内部增加了可以 10 万次擦写的 且相对 于 51 单片机, 52 单片机在片内也增加了定时器此资源上更为丰富,且由于兼具价格低廉,性价比高的优点所以深受广大电子爱好者的喜爱。 正是基于众多优点,本次设计选用 为核心控制元件。 统 前向 通道 一个完整整的系统,应该同时具备信号的输入、输出和处理环节。为提高系统的优越性和完整性,本系统也同样对 信号设有输入通道。根据设计要求,本系统需要对电压0流 0强电信号进行测量,为实现设计的数字化,就必须将通道 内 的 模拟 信息进行转化,这一过程将用到 A/D 转换元件。 但由于 A/D 的允许输入信号变化范围有限,因此就需要将输入信号进行再一次转换,由 0交流电转化为 0直流电,这一过程就需要互感器电路和整流电路的参与。因此在硬件方面需要位系统设置电压电流的前向 处理 通道。 压、电流采样电路 将 0交流电压转换成较小的电压,此时采用 电压互感器来实现。图 林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第 9 页 共 38 该器 件的原理是电流型电压互感器,即二次测输出的电流与输入的电压成正比,所以二次测不能开路, 通常互感器的接法有两种 ,如图 示: 图中的 C 和 r 是用来补偿相移的。通过软件补偿或不需要补偿相移的场合,电容 r 可以不接。图中运算放大器为 列,运算放大器的电源电压通常取 1512V。根据设计手册,图 阻 R 和限流电阻 R要求温度系数优于 50电阻选取时应注意工作电阻的工作电流合理选择适合功率值的电阻。在 A/D 转换器为低压输入时,互感器可以采用图 二次侧 并联一个电阻,但采样电压不得大于 效值 ,当采样电压 大于 角差会增大。因此在需要测量相位的电路设计中优先考虑第一种。由于本次设计使用的 用 05V 的直流输入,并且对有功功率的测量正是 通过测量电流与电压之间的相位角间接得到的,为了 尽可能使有功功率的测量达到要求,本次设计采用图 式。 图 输入端并联的两个二极管用来保护运放,当输入电压高于二极管的正向导通压降时,输入电压会被钳位在 右,达到保护运放的目的。根据理想运放的特性,反馈回路的电流与反向输入端的电流相等,此时运放的输出电压 。而互感器两侧的理想工作电流为 2输入电压的最大值可以计算出 R 的阻值。考虑到电阻的工作电流和发热状况,本设计中 R选择为 120K 额定功率为 2W、精度为 1%的金属膜电阻。 由于接入 A/D 的信号为 0化范围内,故接入 A/D 据理想运放的性质,此时反馈回路的电阻应为 姆,为保证输出电压精度,本次设计采用精密电位器串联定值电阻的方式来完成。具体电路如图 示: 图 电压采样电路 对于电流采样电路 而言,由于流过用电设备的交流 电流通常较大,
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