基于C8051F005单片机航空交流电参数

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8 q2 R9 ^/ Y$ c* _摘要:介绍了基于单片机航空交流电参数测试仪的系统设计。以Silicon Labs公司的C8051F005单
片机为核心设计出数据采集板,通过RS-232串口与上位机通讯。运用Lab Windows/CVI编写的上
% D1 s7 Q3 J# m" i: y+ r位机软件实现信号的检测以及波形和数据的显示，给出了测试仪硬件电路的组成和软件流程困。
. Z' \, W( P6 N9 B本系统具有硬件结构简单、容易实现和成本低等特点，在实际应用中其稳定性、精确性均能满足客
户要求。

关键 词: C8051F005单片机;相位差;数据采集; Lab Windows/CVI

8 \9 U" H3 @. V2 J0 Y: g1引言
$ C9 I3 Y8 \5 q9 l3 j1 X在运行过程中,航空设备对工作电源的稳定性
6 z1 N3 E( J& Z& {) @. X要求很高，因此,设计航空交流电参数测试仪对电
( c6 b; ^: X, I( }% q! K源参数进行实时检测具有重要意义。
1 L5 i3 ~; K$ l6 N% M: ?测试仪的主控器件采用Silicon Labs公司的一
2 N9 _+ \7 v9 C2 x4 ?- r款C8051F005单片机，它具有强大的数据采集、存
储、运算和控制功能。应用虚拟仪器[ab Windowse/
$ E* C# S( K" O, v% [CVI软件分析和处理大量数据,以软件分析替代硬
件电路,大大简化了硬件电路,节约成本,提高系统
# Q5 g6 y( O/ v. Q4 |的可靠性。
4 H$ F* {# I7 r2系统概述
# [  _6 }0 z7 j) Z$ m2 g4 i( D$ `基于测试技术与信号处理中的采样定理四,实
& J  ~% V0 h, H& L" O, x* f% Y现对400 Hz航空交流电信号采集。系统充分发挥了
C8051F系列单片机强大的数据采集能力,A/D采集
( a  L6 U) }$ F- M8 s( k, d0 |8 @速率可达到80 Kb/s,对于400 Hz航空交流电,每个
周期内的采样点数为200个。Lab Windows/CVI提
6 [4 C4 n1 a% I& j供了串口编程的函数库，这样便于用户开发程序。
应用软件分析计算出相位差、有用功率,功率因数、
电压基波有效值等参数。应用Lab Window8/CVI软
* j- V; I; t* N" N" N8 b件设计的用户界面具有良好的人机交互功能。
测试仪系统结构如图1所示。软件结构上、下
% d! J% h& Y" E- W' Q* e+ L' f' P5 c* @位机采用Keil C软件编程，上位机采用Lab Win-
dows/CVI软件编程。电路设计中,交流信号经过放.
' v* ^% S3 `" F: y# I) a$ x大处理后,由频率测量电路、电压测量电路和电流
  b( m/ r& H) X7 h8 o; q测量电路分别输人单片机,采集到的数据经单片机
处理后,通过串口送到上位机做进-一步的信号分析
& u2 v% Y' _+ m4 k: d# @& S处理。单片机内部12位8通道AD转换器用于采
( m2 B( ]6 S1 q' I样4路电压.4路电流信号,并将其转化结果通过
- l6 P2 D& J8 z( CRS- 232串口送人上位机。根据这些信息，上位机用
* D# Y, O5 ^: s" G3 ^$ u" f1 Z户界面显示电压、电流波形;用LabWindows/CVI中
8 W  g2 X! a9 v4 E! n的相关分析函数计算相位差,根据离散积分公式内
计算电压、电流的有效值以及有用功率、功率因数,
并在用户界面上，显示。
3硬件设计
! F( g2 b& K; ?( t. w4 v. `3.1 C8051F005 单片机的选用
+ V; \) G2 W6 _, \& E* sC8051F005单片机囤功能强大的集成模块简化
& ~$ ~9 k- v/ j- ?, d了硬件电路设计。测试仪AD转换器选用
C8051F005内部电压基准,是由内置的8通道12位
A/D转换器实现。频率测量采用PCA捕捉触发定时
0 Z9 Z7 Y- @1 e* V# y器。与8051兼容的控制内核和内置的32KBFlash
' w' z8 r8 l7 M  E$ d5 E$ c便于用户编程和电路设计。最重要的是片内2 304
8 a1 ^' ~9 U' F/ v* ^- E字节的RAM,执行速度可达25MI/s。与上位机通讯
* U' G, g& x) }# f' o时,可在RAM中开辟下位机的数据缓存区,这样下.
0 `# x* \$ ?5 u& X: W3 a& f4 `位机可分时进行数据采集和数据传输，大大提高了
数据采集速度。
将单片机I0口分配为:AI0~AI3为电压模拟
$ Y  |+ _' f; D' h, x$ f- R/ ?量输入口,Al4~AI7为电流模拟量输人口,P04~P07
为PCA捕捉输人口,用于测量频率。
9 ~6 W" Q" I; S, b3.2信号调理电路
5 |& l8 S( l% @. ~7 J) m电压信号采集电路如图2所示。采用互感器对
115 V航空交流电隔离降压，经差模放大后输人单
片机。采用VREF/2为参考电压基准,将交流电压信
2 X- |1 [7 u7 C6 B/ w号的零点提升到VREF/2,使采样到的正弦信号介.
于0和VREF之间，单片机能够识别。而电压信号
放大采用LM324差模放大,满足速度和精度要求。
电流信号采集电路如图3所示，采用5:1 000的交
! V( W! n- f5 w, D( O
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C8051F005单片机囤功能强大的集成模块简化了硬件电路设计