微機電量變送器硬件電路設計

日期：2025-05-02 08:51

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摘要：

微機電量變送器硬件電路設計 (以MCS-51單片機為核心)

微機變送器的輸入信號取自電壓互感器和電流互感器的輸出回路，分彆是有效值為0～100V，0～5A的交流信號。這些信號不能直接輸入到A／D轉換器，而需要變換成A／D轉換器輸人所允許的信號形式以及變化範圍。一般A／D轉換器輸入-5～+5V或-10～+10V的電壓信號。中間電壓互感器TV將0～100V交流電壓按比例變換成峰值為0～5V的交流電壓信號，中間電流互感器TA將0～5A的電流信號變換成較小的電流後使之在電阻上形成峰值為0～5V的交流電壓信號。

在實驗室利用高精度示波器和真空毫伏表對PT、CT進行了反複特性試驗，測試的電壓互感器和電流互感器特性如表2-1，表2-2所示。

表2-1 電壓互感器原副邊電壓轉換特性
(注：以上數據采用真空毫伏表測試)

表2—2 電流互感器原邊電流副邊電壓(二次並1 Q電阻)轉換特性

信號采樣電路的硬件實現

該裝置的信號采集電路結構如圖2-11所示（略）。信號采集電路由模擬信號通道和方波信號通道組成。

(1)模擬信號通道

三個TV(電壓互感器)的原邊分彆接至三相電源電壓，由於TV原邊可能產生的峰值電壓(按高出額定值10％考慮)為：

按PT轉換特性副邊將產生的電壓為

由於模擬地為+2.5V，所以要想獲得單片機A/D轉換器能接受的0～+5V電平信號必須經運放衰減，衰減的倍數KV為：

由圖2-11可見，衰減倍數完全可以通過調節電位器R3來實現。

與三電壓通道不同的是，三個二次TA(小電流互感器)原邊分彆接至三相一次TA，副邊通過精密1電阻獲得與二次電流成正比的電壓信號。因此二次TA副邊經電阻取樣後可能獲得的峰值電壓(按高出額定值的20％考慮)為：

可見此電壓信號必須經運算放大器放大到2.5V，放大倍數KI為

在電路中通過調節電位器R8來實現。

為可靠保證送入單片機的電平信號不高於5V。運放的輸出端均接有5.1V穩壓二級管。經處理後的三相電壓、三相電流信號分彆送入0809 A/D轉換器的模擬輸入口IN0～IN5。

(2)電壓、電流方波信號通道

處理後的三相電壓電流信號經各自的比較器LM311便產生與模擬信號周期相同的方波信號，並通過與門及4051模擬開關送至8031單片機的外部中斷口INT0。當點壓方波正跳變時，開始計時，讀上跳變時時間值t1 ，多路開關切換到電流方波通道，當電流方波正跳變時，讀出時間值t2，二者差值△t即為反映相角差的時間值(360/20ms= /△t）。

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