测控电路设计与应用精选(九篇)

第1篇：测控电路设计与应用范文

【关键词】姿控；自检；测试

航天器的飞行姿态是受其姿控电路的控制来实现调整的，姿控电路是航天器控制系统中重要的一部分，姿控电路一旦发生故障，将对航天器任务的完成产生致命影响。航天器载诸如卫星之类的昂贵设备，一般要几亿人民币，因而保证航天器发射前姿控电路的正确性具有重要意义[1]。在航天器的试验飞行中，航天器的被测参数有时多达上千个。参数种类也很多[2]，一般航天器都会自带姿控自检电路来对其实时监测，并将结果下传，常用的姿控自检电路一般采用AD采集检测方式，涉及到元器件较多、印制板较大，不满足航天器原理简单可靠性、小型化设计的要求；同时，航天器发射前若地面联试时，若只依靠自身的姿控自检电路检测，当姿控自检结果出现异常时，通常不能立即判定是姿控电路异常还是自检电路异常。因此同时本文提出了一种改进姿控自检电路，采用电平检测方式能够简单、快速的实现对姿控电路自检，同时提出了一种等效测试电路，能够实现对姿控电路故障快速定位，提高排故效率。

1.电路设计

1.1姿控自检及等效测试原理

由于航天器的飞行姿态是由受其姿控电路来实现调整的，为了保证姿控电路的正确性，一般都设计有对应的姿控自检电路来对其进行检测并下传自检结果，然而姿控自检电路本身并不是完全可靠的，也存在故障的可能。因此一旦姿控自检电路故障将直接导致下传的自检结果错误，此时根据错误结果无法确定是姿控电路故障还是自检电路故障，因此在地面进行测试时，需要借助地测设备模拟电磁阀等效测试，才能将姿控电路故障和自检电路故障区分开。姿控自检及等效测试原理如图1所示,A表示航天器，A1、A2分别为航天器中的姿控电路和姿控自检电路；B表示地测设备，B1为地测设备中的等效测试电路。在地面测试时，通过对比A2姿控自检结果和B1等效测试结果即可进行故障定位，由于地测设备能够通过自身自检测试来保证设备正常工作，因此地测设备的等效测试结果是作为正确参考的依据，正常情况下两者结果应一致。若航天器下传的姿控自检结果出现异常，若测试两者结果一致，则可判定是航天器中姿控电路故障；若不一致，则判定航天器中姿控自检电路异常。

1.2改进姿控自检电路及等效测试电路设计

1.2.1姿控电路介绍姿控电路主要用于控制航天器的电磁阀打开或关闭，设计思路强调对姿控指令的快速响应要求[3]。航天器上的电源一般为28V直流电，通常电磁阀设计的也是采用28V直流信号进行控制的，电磁阀是由双点控制的，控制方式类似继电器。姿控电路如图2所示，+28V和DCF1-即为电磁阀的控制端，当DCF1-为28VGND时，电磁阀打开，否则关闭。然而电磁阀两控制端间的内阻一般只有几十欧姆，电磁阀打开时通过控制端的电流将在几百毫安以上，考虑到航天器上需要外挂几十个电磁阀，若采用继电器控制将增加重量，同时安装继电器的结构件将异常庞大，不满足目前小型化的要求。因此在姿控电路中一般采用场效应管来控制，选用的为IR公司的JANTX2N7224场效应管，漏栅击穿电压高达100mV，连续漏极电流可达34A，满足冗余设计要求。姿控控制信号由CPLD发出，经D1数字隔离器ADUM3400ARWZ后，再通过D6电平转换器CD40109BNSR将5V转换为12V信号来控制V13场效应管JANTX2N7224,信号DCFK1有效时，场效应管工作，电磁阀打开，否则电磁阀关闭。姿控电路的设计都是大同小异，在这里只做简要介绍。1.2.2改进姿控自检电路设计常用的姿控自检电路如图3所示，由V21场效应管、N6仪表放大器、N16运算放大器组成，其中信号+BB、-BB为28V电源正、负。该电路原理是在场效应管的源级与-BB之间并联电阻R21、R22，将这两个电阻两端的电压作为姿控电路检测点，通过N6和N16运算放大后通过AD采集电压来检测姿控电路的功能。当姿控信号FSK有效时，场效应管工作，R21、R22两端的电压接近28V；当姿控信号FSK无效时，R21、R22两端的电压接近0V。采用这种方式，需要运放、运放供电电源、AD芯片参与，过程比较复。为了简化姿控自检电路，对姿控电路采用电平检测的方式来设计，由于航天器上需要外挂几十个电磁阀，采用电平方式能够简单、快速的实现检测，改进后的姿控自检电路如图4所示，DCFK1为姿控控制信号，DCFCL1为姿控电路检测信号。通过在V13场效应管漏极串接电阻R83和R30，将R30正端DCFCL1作为检测点，考虑到DCFK1无效时，电磁阀不能动作，要求通过电磁阀的电流必须很小，因此在电路中选取R83和R30分别为100K和18K,计算通过电磁阀的电流为不到1mA，同时电阻的分压满足DCFCL1的高低电平的检测要求，但电流不足以驱动光耦D9，因此在检测点DCFCL1和光耦之间增加了D22非门，增强驱动能力。当DCFK1无效时，光耦检测为高电平；当DCFK1有效时，光耦检测为低电平，最后通过软件取反，变成DCFK1无效时，检测结果为低电平；当DCFK1有效时，检测结果为高电平。这样设计满足航天器简单可靠、小型化设计的要求，而且在成本上、功能上、和效率上都得到优化。1.2.3等效测试电路设计前面已经介绍过，在地面进行测试时，需要借助地测设备模拟电磁阀等效测试，才能将姿控电路故障和自检电路故障区分开。等效测试电路原理图如图5所示，测试时DCF+和DCF1-分别接图2中的+28V和DCF1-，采用电阻R101、R33模拟电磁阀，其中R101为2KΩ的贴片电阻，R33为20Ω限流保护电阻,考虑到通过电磁阀的在几百毫安以上，一般保护电阻最大功耗在几瓦，当电磁阀工作时的功耗为几十瓦,远远大于限流保护电阻的功耗，因此测试时利用继电器K601切换打开，测试完毕立即关断，保护限流电阻不被烧毁。不测试时继电器为断开状态，利用R101来模拟电磁阀默认上电初始状态，同时考核姿控电路电源接负载能力；测试时电磁阀工作将K601接通，此时R1O3和R33并联后电阻接近设计中采用的电磁阀内阻为20Ω,模拟电磁阀真实情况。同时将电磁阀负端DCF1-用B601光耦进行电平采集，当图2中的DCFK1无效时，光耦B601检测结果为低电平；当DCFK1有效时，B601光耦检测结果为高电平，与姿控自检电路判读结果一致。正常情况下，姿控自检电路与等效测试电路测试结果应一致，若一致的结果中有异常数据，则可认定是姿控电路故障导致；若两者测试结果不一致，则可认定是姿控自检电路故障导致。3.测试流程姿控自检电路在航天器上，等效测试电路在地测设备上，因此在地面测试时需要设计相应地测设备软件测试流程来使姿控自检电路和等效测试电路协同工作，完成对姿控电路的测试，具体测试流程如图6所示。姿控测试流程设计原理如下：姿控测试开始后首先要接通继电器，即为图5中K601，使R33和R101并联后的电阻模拟电磁阀负载；初始状态扫描，即扫描图5中B601光耦输出端DCFJC1，应为低电平，若判读异常则判定该路姿控电路故障，正常则继续下面流程；发出姿控控制信号，即地测设备通知航天器是发出图2中EOUT1信号，此时处于电磁阀工作状态，姿控自检电路和等效测试电路自动完成测试；结束姿控控制信号，即地测设备通知航天器使图2中的EOUT1信号无效，由于姿控控制信号有时序要求，一般200ms后应结束；断开继电器，即断开图5中K601，此时姿控测试已经完成，防止烧毁R33；对比姿控自检结果和等效测试结果，若结果一致则继续下面流程，若不一致可直接判定姿控自检电路故障；结果判读，即对设计的电平判读结果都正常则测试结束，若异常则可直接判定姿控电路故障。

2.结束语

本文介绍的这种改进姿控自检电路和等效测试电路已经在航天器中得以运用，通过多次的地面试验验证和测试，能够快速准确的完成对姿控电路和姿控自检电路的故障定位，表明了采用这种方式可靠性和实用性。目前随着航天器越来越多的被用于商业化、民用化，采用这种电路设计实现方式是十分有效的。

参考文献

[1]吴丽娜等.离散小波变换在卫星姿控系统故障诊断中的应用[J].仪器仪表学报,2006,27(6).

[2]纪盛东等.导弹姿控系统关联性仿真系统的设计与实现[J].计算机仿真.2012,29(5).

第2篇：测控电路设计与应用范文

 

一、引言

 

单片机是把一个计算机系统集成到一个芯片上，广泛应用于家用电器、智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、军工等领域，在社会生活中具有极其重要的作用。单片机原理及应用是测控技术与仪器专业中一门重要的综合性很强的专业基础课程，并且与多门课程深度相关，如电工基础、电子技术基础、传感技术、微机原理及应用、控制工程基础、测控电路设计、智能仪器设计等。同时本门课程具有极强的综合性、实践性的特点，对于培养学生的实验能力具有重要作用。基于单片机教学的重要性，全国各校也一直在进行关于单片机的教育教学方式、方法改革，主要的改革方向均是增强单片机教学的实践能力，在课堂教学的基础上，加强实践教学，主要的方式包括：(1)加强实验环节;

 

(2)增加综合性实验;(3)加课程设计环节;(4)设计单独的实践环节。项目驱动型是近年来比较受到认可的一种教学方式。项目教学法是在教师的指导下，学生设计一个相对独立的项目，围绕着项目组织和开展教学，由学生提出设计目标，完成项目的调研，在教师的指导下，形成设计方案，完成项目的设计及调试，并完成项目报告。对于培养学生的专业能力、信息收集能力、团队合作及写书面报告的能力等均有很大的帮助。项目教学法可将相关学科中的知识内容通过单片机作为核心，转化为若干个教学项目，使得学生在完成项目的过程中可以从知识体系的角度对本专业有深刻的认识。

 

基于测控技术与仪器专业的特点，项目的设计要尽可能与本专业重要的知识内容相结合，可以综合学生所学的电路、数字电路、模拟电路、编程语言、仪器电路、光电检测技术、传感器等多门基础课和专业基础课的知识，培养学生进行智能化电子系统整体设计能力。为此，本文设计了单片机教学实践平台项目，尽可能适应多种类型的传感器，可以完成多种类型的测控系统，全面培养学生的设计、实践能力。

 

二、单片机实践教学系统组成

 

教学系统的设计既要满足学生学习单片机的需要，也为学生建立符合测控技术与仪器专业培养方向的测控系统提供了足够的空间;既为学生学习本专业的相关课程提供了一个平台，也为学有余力的学生提供了更多深入学习的条件;既保留了目前教学过程中经典的教学内容，也要对实际应用领域中广泛使用的新技术予以足够的重视。系统主要组成如图1所示。

 

教学实践平台以ADUC842单片机为核心，设计了存储器扩展、人机接口、模拟信号处理电路、数字量输入输出电路、无线通信、驱动电路等，同时可通过串口电路连接GPS、GPRS、485等在测控系统中广泛应用的技术，同时设计多种类型传感器供学生组成不同类型的测控系统。

 

三、单片机实践教学系统电路设计

 

1.CPU电路设计。CPU选择ADuC842作为主控CPU，ADuC842是ADI公司生产的具有8051内核的模拟单片机，集成了丰富的片上资源，它具有3个16位定时器/计数器、62KB片内电擦除程序存储器、4KB片内电擦除数据存储器、2304B片内数据RAM、8通道12位高精度ADC、2个12位DAC、12个中断源、看门狗定时器和电源监视器，同时还集成了UART、I2C和SPI串行接口，既可满足学生学习的需要，也是一种功能强大的可广泛应用的新型单片机。

 

2.模拟信号及数字信号输入输出电路设计。由于ADuC842单片机具有8通道12位A/D转换器及2路12位D/A转换器，可以满足大多数的系统应用，因此只需要利用运放设计放大电路，用于和传感器输入的信号进行匹配即可。数字量输入输出采用光藕TLP281-4进行光电隔离，一方面可以起到保护作用，同时也可以匹配外接电路和各种电平，为测控系统设计提供更多的灵活性。

 

3.人机接口电路。人机接口电路采用了单片机电路最常用的键盘、数码管管理器件HD7279作为核心电路，设计了3×4的小键盘及四位数码管，可以满足测控的基本需要，同时还设计了液晶接口，可设计出更丰富的界面。

 

4.通信电路设计。测控系统的通信主要分为有线和无线两种，对于有线系统设计了最常用的RS232接口及广泛应用于测控系统中的RS485总线。无线通信采用了基于无线数据传输模块的通信接口设计，工作于433MHz频段，具有工作频道的设置和发送、接收、待机状态等工作模式可短距离无线传输，具有抗干扰性能强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制少、安装灵活等优点，在许多领域有着广泛的应用前景。同时为满足测控系统远程通信的需求，设计了基于GPRS通信模块的接口。GPRS网不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、支持TCP/IP协议，可以直接与Internet互通，具有广泛应用。

 

5.典型应用电路设计。串行总线是现代测控系统中应用最广泛的技术，为使学生学习到应用最广泛的单片机系统的串行片内互连技术，采用了三种总线设计了电路，分别是：DS18B20是基本于单总线的温度传感器、DS1302是基于SPI总线的日历时钟芯片、AT24C02是基于二线串行总线的EEPROM芯片。传感器是单片机测控系统中最重要的组成部分，为了与测控专业的其他课程相衔接，分别采用了多种原理设计的传感器，如电阻型、电感型、电容型、压电型等传感器，特别重视光电式传感器的应用。

 

四、单片机实践教学项目应用

 

本单片机实践教学系统可应用于单片机的教学实践中，让学生自己组队，根据自己的兴趣，调研并确定题目，尽可能利用教学系统所提供的资源，形成自己的设计方案，设计测控系统、调试电路、调试程序，完成一个可包含光、机、电的测控系统，在学习单片机的过程中，学习测控系统开发的整个过程，对本专业有更深刻的认识。

第3篇：测控电路设计与应用范文

【关键词】变电站；电气自动化；系统设计

一、引言

随着科学技术的不断发展，新技术层出无穷，伴随着数字化变电站的兴起，我国城乡电网改造与建设中不仅中低压变电站采用了自动化技术实现无人值班，而且在220kV及以上的超高压变电站建设中也大量采用自动化新技术，并已获得成功。在变电站自动化系统的具体实施过程中，目前有不同的方法：一种主张站内监控以远动（RTU）为数据采集和控制的基础，相应的设备以电网调度自动化为基础，保护相对独立；另一种则主张站内监控以保护（微机保护）为数据采集和控制的基础，将保护与控制、测量结合在一起。从我国目前的电力系统运行体制、人员配备、专业分工来看，前者占有较大优势。因为无论从规划设计、科研制造、安装调试、运行维护等各方面，控制与保护都是相互独立的两个不同专业，因此前者更符合我国国情，而后者因难以提供较清楚的事故分析和处理的界面而一时还不易被运行部门接受。但从发展趋势、技术合理性及减少设备重复配置、简化维护工作量等方面考虑，后者又有其优越性。此实施方法正在成为一种发展趋势和共识。

二、方案设计思想

从信息流的角度看，保护（包括故障录波等）和控制、测量的信息源都是来自现场TA、TV二次侧输出，只是要求不同而已。保护主要采集一次设备的故障异常状态信息，要求TA、TV测量范围较宽，通常按10倍额定值考虑，但测量精度要求较低，误差在3%以上。而控制和测量主要采集运行状态信息，要求TA、TV测量范围较窄，通常在测量额定值附近波动，对测量精度有一定的要求，测量误差要求在1%以内。总控单元直接接收来自上位机或远方的控制输出命令，经必要的校核后可直接动作至保护操作回路，省去了遥控输出、遥控执行等环节，简化了设备，提高了可靠性。

从无人值守角度看，不仅要求简化一次主接线和主设备，同时也要求简化二次回路和设备，因此保护和控制、测量的一体化有利于简化设备和减少日常维护工作量，对110kV及以下，尤其是10kV配电站，除了电量计费、功率总加等有测量精度要求而需接量测TA、TV外，其他量测仅作监视运行工况之用，可以与保护用TA、TV合用。此外，在局域网上各种信息也可以共享，控制、测量等均不必配置各自的数据采集硬件，常规的控制屏、信息屏、模拟屏等亦可取消。

对于10kV配电站，由于接线简单，对保护相对要求较低，为简化设备节省投资，建议由RTU来完成线路保护及双母线切换等保护功能。因此需在RTU软件中增加保护运行判断功能，如备用电源自投功能，可通过对相应母线端失压和相关开关状态信号的逻辑判断来实现。

随着计算机和网络通信技术的发展，站内RTU/LTU或保护监控单元将直接上网，通过网络与上位机及工作站通信。取消传统的前置处理机环节，从而彻底消除通信“瓶颈”现象。变电站自动化系统和无人值班运行模式的实施，在很大程度上取决于设备的可靠性。这里指的设备不仅是自动化设备，更重要的是电气主设备。

三、设计说明

变配电站自动化包括继电保护、变配电站集中监控以及远方调度管理3部分。继电保护有常规电磁型继电器保护、晶体管继电保护与微机保护3种形式。常规继电器保护仍在继续使用，晶体管保护是一种过渡型产品，现在已被先进的微机保护所替代。智能化开关与智能化开关柜，以及变配电站综合自动化系统集继电保护、数据监测及远方调度于一体，在变配电自动化设计中应根据工程实际情况选用上述产品。

1.系统选型

主要从继电保护及站内集中监测与远方调度几方面考虑。对于继电保护而言，35kV及以上的变配电站一般都有变压器保护，应优先考虑选用微机保护或变配电站综合自动化系统。10kV变配电所一般均为电力系统开闭所及用户变配电站，一次接线比较简单，应以常规继电保护为主。选用价格低、性能可靠的智能化开关，智能化开关柜或综合自动化系统之后，可以取消常规继电保护。对于站内集中监测与远方调度来讲，有集中式与分散于开关柜内的集散系统两种形式，变配电站综合自动化系统是一种最先进的分散安装于开关柜内的变配电站站内集中监测与远方调度系统。集中式变配电站计算机监测与远方调度系统需要安装各种电量变送器。测量、信号与控制电缆要由开关柜内引出，外部电缆数量多，设计与施工工作量大，一般不宜再推广使用。变配电站综合自动化系统的末端数据采集与控制单元直接安装于开关柜内，大都采用交流采样从电流或电压互感器直接进行测量，省掉了电量变送器，有些还可以省掉开关柜上的指示仪表。外部电缆只有一根通信电缆与供电电源电缆，设计与施工简单，所以应积极推广选用。智能化开关与智能化开关柜本身已经具备集中监测与远方调度功能。只要设计一根通信电缆引到调度值班室中央控制站计算机就可以实现集中监测与远方调度。但由于各厂家的通信协议不统一，不同厂家的产品实现联网比较困难，所以近期还难以推广应用。

2.电气设计原则

从一次系统与二次系统两方面考虑。对于一次系统设计而言，变配电站采用计算机监测与控制后对一次系统接线没有影响，一次系统接线方式及供电方案仍按有关要求与规定进行设计。变配电站采用计算机监测与控制后，应发挥计算机的图形显示功能，模拟盘可以简化或取消。变配电站采用计算机监测与控制后，可以实现无人或少人值班，值班室面积可以减小，分散值班可以集中于一处值班。

对于二次系统，其设计方案应该注意以下几点：开关柜内的继电保护，计量，信号与控制回路设计不变，值班室的继电保护屏与中央信号系统（信号屏、计量屏与控制屏）保持原设计不变，再设计一套重复的计量、信号与控制回路进入计算机监测与控制系统。开关柜内的继电保护，计量，信号与控制回路设计不变，值班室的中央信号系统（信号屏、计量屏与控制量）取消，集中保护的继电保护屏应保留，再将计量，信号与控制回路进入计算机监测与控制系统。开关柜内的继电保护、计量、信号与控制回路设计不变，值班室的中央信号系统（信号屏、计量屏与控制屏）只包括电源进线与母线联络开关柜，所有出线开关柜均不进入中央信号系统。电源进线，母线联络开关柜及所有出线开关柜的中央信号系统（信号、计量与控制）全部进入计算机监测与控制系统。

二次系统设计原则是：变配电站采用计算机监测与控制后值班室原有的中央信号系统（信号屏，计量屏与控制）应取消，采用集中保护的继电保护屏应保留，应优先选用第二方案。对于有特殊要求的单位或地区，可以选用第三方案，第一方案一般不宜设计选用。

3.电气设计

一次系统的电气主接线方式按原设计不变，在单线系统图的设备型号说明中应注明采用计算机监测与控制系统后所增加的设备数量与型号，如电量变送器，电力监控器等。对于需要通过计算机监测与控制系统进行远方遥控操作的开关，一定要选用能进行远方分、合闸功能的自动开关。开关运行状态要进入计算机监测与控制系统的开关，一般要有一对独立的常开接点引入计算机监测与控制系统。低压自动开关的型号设计时一定要注意满足这一要求，多选一对常开辅助接点。

对二次系统继电保护设计来讲，35kV及以上供电系统可以考虑选用微机保护，而且应优先考虑采用变配电站综合自动化单元。10kV供配电系统仍应以常规继电器型继电保护为主，可以再设计只有监控功能的变配电站综合自动化单元。220/380V低压配电系统，仍应以自动开关与熔断器作为保护，再设计只有监控功能的变配电综合自动化单元。

对于测量回路设计而言，需要进入计算机监测与控制系统的测量参数由设计者根据有关规定与用户实际需要来确定。需要进入计算机监测与控制系统的各种测量参数，首先经过电流互感器与电压互感器变为统一的交流。采用变配电站综合自动化系统之后，其监控单元均为交流采样，直接从电流或电压互感器取0A～5A或0V～100V测量信号，低压直接取220V或380V信号。不再需要各种电量变送器，开关柜上各种测量仪表可以取消。电度计量应选用带脉冲输出的电度表。其型号及一次接线与原电度表相同，只在备注中说明带脉冲输出，并注明与计算机监测与控制系统相匹配的直流电源电压，设计时应优先选用自带供电电源的有源型，输出为隔离型的脉冲电度表。计量柜电度表一般不进入计算机监测与控制系统，所以应在进线开关柜内增加有功与无功脉冲电度表各一块，作为内部统计用电量使用。

对于信号回路设计，所有需要计算机监测与控制系统进行监视的开关状态，均应有一对常开接点引到计算机监测与控制系统。所有常开接点可以共用一个信号地线，但不能与交流系统地线相连接。所有信号继电器均应有一对单独的常开接点引到计算机监测与控制系统。有中央信号系统时，信号继电器应再有一对常开接点引到中央信号系统，以下两种常开接点应分开，由于电压等级不同，不能共用地线。

控制回路设计中应该注意以下问题：计算机监测与控制系统都有合闸与分闸继电器输出接点，将其并连接到开关柜的合分闸开关或按钮上就可以进行远方合分闸操作。计算机监测与控制系统的合分闸继电器接点与开关柜上合分闸开关或按钮之间应设计手动与远方自动转换开关。10kV及以上的供配电系统需要计算机监测与控制系统进行远方合分闸操作时，其控制开关应取消不对应接线，可以选用自复位式转换开关，也可选用控制按钮。所有进入计算机监测与控制系统的远方操作开关的手动分闸操作开关或按钮应有一对独立的常开接点引到计算机监测与控制系统，以便在人工手动分闸时给计算机监测与控制系统一个开关量输入信号，以防止人工就地手动分闸时出现误报信号。

四、变配电站综合自动化系统

变配电站综合自动化系统是以一个配电间隔为单元，由一台电力监控器完成信号测量、继电保护与控制。测量为交流采样，直接从电流互感器或电压互感器取交流。--SA电流信号或交流。0V～100V电压信号，380/220V低压系统直接取交流0V～220V或0V～380V电压信号。所有电力监控器通过通信电缆引到计算机系统。

1.变配电站综合自动化系统外部电缆设计

变配电站综合自动化系统的外电缆设计非常简单，只有一根通信电缆与一根交流220V电源线。通信电缆一般选用计算用屏蔽电缆，线芯为两对两芯0.5m铜芯线，使用一对，备用一对。也可以选用双芯屏蔽双绞线。大型变配电站也可以考虑使用光缆。电力监控器应由专用电源集中供电，以保证供电可靠性，增加抗干扰能力。有些电力监控器可以用220V直流电源供电，此时可以由直流屏集中供电。变配电站数量少时，可以不设现场控制站，电力监控器的通信电缆可以直接引到中央控制站。供电电源可由变配电站内单独提供，距离中央控制站近时，也可以由中央控制站供电。通信距离可达3km。变配电站内开关柜数量少时，可以几个变配电站合用一个现场控制站，每个现场控制站可带犯个电力监控器。电力监控器到现场控制站及现场控制站之间的最远距离均为5km。

2.变配电站综合自动化系统的二次接线图设计

变配电站综合自动化系统的二次接线图设计按所选用的电力监控器种类分为只有监控功能与带保护功能两种。10kV及以下电压等级的供电系统一般应选用只有监控功能的电力监控器，其二次接线图见有关产品设计项或手册。

3.变配电站综合自动化系统的选用

变配电站综合自动化系统的成套设备生产厂商有很多，例如国内的鲁能、南瑞、南自、许继、思达、四通，国外的SIMENS、ABB等公司。应该根据实际设计要求与系统的功能，综合考虑选用，一般的变配电站综合自动化系统应该具有以下功能：SCADA功能、数据库系统、高级专家功能、运行管理功能、网络互联功能。选用的基本原则是：在满足要求的情况下，系统运行的可靠性好、性能价格比高。

五、结论

综上所述，智能化电网建设首先要从设计阶段优化电网设计，整体考虑，各电压等级全系统优化，使整个电网可靠、安全、简单。随着智能变电站建设的不断深化，变电站各系统将逐步优化和完善，实现高效、安全、可靠、经济的变电站建设，有力保证电网安全稳定运行。

参考文献

[1]马仕海,荆志新,高阳.智能变电站技术体系探讨[J].沈阳工程学院学报:自然科学版,2010,6(4):333-337.

第4篇：测控电路设计与应用范文

关键词：传统计算机联锁 全电子计算机联锁 趋势

随着微型计算机在工业系统中的广泛应用，全电子计算机联锁系统作为铁路信号控制的新一代联锁设备应运而生并得到逐步推广使用。笔者从结构、性能、经济等方面对传统计算机联锁系统和全电子联锁系统进行比较分析。

一、传统计算机联锁系统

传统计算机联锁系统的联锁电路采用计算机控制，保留了6502电气集中的执行电路，包括道岔启动电路、信号机点灯电路、轨道电路、各种联系电路等成熟的继电电路，这些电路经过几十年的改进和优化，其可靠性和抗外界冲击等性能已很成熟，为保证行车安全起到了很好的作用；计算机联锁内部电路也随着大量的工程应用日益完善、稳定性不断提高。

传统计算机联锁系统由于保留了部分继电器电路，联锁电路与继电电路之间、继电电路内部之间还存在大量的人工配线，因此仍旧存在“封连线”隐患。继电电路发生故障时，仍需人工判断故障位置然后进行相应处理。电路短路熔断器断丝保护后，还需人工更换熔断器。这都给运行维修部门带来了一定问题，既要定期维护检修继电器部分，又要维修计算机系统，尤其是近些年上道投入运行的计算机联锁系统数目增加后，问题更加突出，很难实现减员增效的目的，也难以达到工厂化施工的目标，从技术发展上看，已难以适应更加繁忙的运输要求，安全运输上还存在一定的隐患。

二、全电子计算机联锁

全电子计算机联锁系统的联锁电路采用计算机控制，执行电路用全电子执行机代替了传统的继电器执行电路来完成计算机联锁的末端控制和采集。系统由三部分组成：联锁机、全电子执行机、监测机，它们之间通过工业控制总线相互通信。

全电子执行机替代了计算机联锁系统中的执行组电路，去掉了传统联锁继电接触式控制方式，应用电力电子无触点功率器件，使控制更加简洁、可靠、灵活，可靠性也有所提高。全电子执行单元包括四个模块：道岔模块、信号模块、轨道模块和其他模块。模块通过网络总线直接与联锁机相连。这些模块替代了传统执行电路中的安全型继电器，通过联锁机下发的控制命令对信号室外设备进行控制和监测。监测机代替了传统的独立的微机监测设备，系统融合了计算机通信、自动检测和网络连通等技术，将电务维修与微机监测功能合为一体，通过监测并记录信号设备的主要运行状态，对整个系统的运行情况进行监测，为电务部门掌握信号设备当前状态提供科学依据。监测机系统满足铁道部颁发的信号微机监测技术条件。联锁机实现联锁功能，完成联锁逻辑运算，进行信号设备状态的采集与控制，与监测机交换信息。全电子计算机联锁系统实现了控制、执行、监测一体化智能控制，将道岔动作电流、轨道受电端电压等模拟量采集功能纳入其中，实现了微机监测系统对现场信号的采集、调理与处理功能。同时，它还具有过流保护、故障诊断、智能处理多项综合功能，可实现远程管理和远程诊断。

全电子计算机联锁系统的控制台采用彩色监视器或单元控制台，与传统计算机联锁系统的控制台一致，显示器显示站场图形，实时反映现场信号、道岔、轨道等设备的状态和联锁逻辑状态，通过鼠标对现场设备进行操作，具有声光报警和提示功能，对需要引起操作人员注意的情况或有可能危及行车安全的情况及时给出提示或报警信息。

全电子计算机联锁系统综合运用了计算机硬软件技术、网络通信技术、电力电子控制技术等多种高新技术，采用具有智能化和控制监督监测一体化的全电子模块，只保留了对外接口的少量配线，而且配线采用压接式端子，现场无需焊接，有效地提高了设备的安全性，消除了“封连线”隐患。模块具有过载和负载短路自动保护功能，取消了电路熔丝，故障排除后自动恢复，不需要人工干预。系统故障时，故障定位能够精确到板级，由人工更换故障板块，日常不需定期维护。全电子计算机联锁设备安全稳定性较高，故障模块更换简易方便。

第5篇：测控电路设计与应用范文

关键词 电压测量；W78E516单片机；显示报警

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）06-0078-03

电压这个词与我们的日常生活息息相关，然而，人们在测量电压时往往会遇到一些比较特殊的应用场合，比如某些设备的专用电缆上曾出现过感应电压及漏电电压，操作人员在连接这些电缆时可能会意外引爆火工品，直接影响到设备及人员安全。目前并没有专用的测量设备可以直接测量感应电压及漏电电压，基本使用万用表测量，而使用万用表又存在诸多不便之处。根据以上背景，本文设计一款以W78E516单片机为控制核心，通过专用线缆直接测量电缆中的感应电压及漏电电压的专用测量仪器，以解决长期测量不便的问题。

1 硬件系统设计

电压测量仪按照设计要求，包含以下硬件模块单元：控制器部分、按键信号输入部分、液晶输出显示部分、报警输出部分、测量信号变换部分、模数转换部分等。核心控制器采用W78E516单片微型计算机，它是自带64KFlash EPROM、512字节片内RAM、4组8位双向输入输出口、3个16位定时器、6个中断源、1个双向串行口的8位CMOS单片机，主要用于监控程序的执行、数据采集、数据计算处理、显示控制、报警输出等。系统结构图如图1所示。

1.1 信号变换处理

原始测量信号经分压电路（分压电阻为R13A和R6A）分压后进入转换电路第一级运放U5A的输入端3引脚，2个稳压管作用为过压保护。运放U5A构成电压跟随器电路，它的输出值与输入值相同，在电路中作用是增加输入阻抗。信号从U5A的6引脚输出后进入全波精密检波电路（U3A和U6A构成的电路）后，经过全波精密检波电路变换后得到脉动直流信号，再经过滤波电路滤波后得到直流信号，进入运放PGA103U（U2A）放大K倍，其中增益K值是由单片机的P26、P27引脚输出TTL电平控制得到，输出信号再经过滤波进入模数转换部分电路。信号变换处理部分电路如图2所示。

1.2 模数转换

为保证系统的数据计算精度、数据精度，本系统采用了串行12位AD转换芯片TCL2543IDW，其转换精度可在0.025%，具有12位精度、8路模拟输入接口、电容开关转换、逐次逼近、内部带有采样保持和系统转换时钟、SPI串行接口的CMOS技术。测量信号经信号变换处理电路后得到的处理信号直接与TCL2543的输入引脚1、2进行相连，通过软件完成SPI数据接口，即完成数据的模数转换，从而将该信号提供给单片机。模数转换部分电路如图3所示。

1.3 点阵式液晶显示

测量仪的显示采用YXD-19264C1型液晶控制器，其@示点阵数为192×64，既能显示汉字，又能显示数据，一屏显示12字×4行的16×16的汉字。点阵式液晶显示部分和单片机连接时主要有3部分，液晶控制器接口要求的数据总线和控制总线直接和单片机的8位数据总线P0口及P1口中相应引脚直接相连，而地址总线的低8位由单片机的多路复用数据地址总线D0口通过74HC373进行地址锁存后提供，高位地址总线由单片机的P2口直接提供。点阵式液晶显示部分电路如图4所示。

2 软件设计

软件的设计中采用了模块化的设计，使程序的结构更加的清晰，方便今后对程序的修改和功能的扩展。仪表的主要工作是测量相关电缆的漏电电压、感应电压和测量电压，这些测量量均为模拟量，显然仪表需要先将这些模拟量转换为数字量，再送入单片机进行处理，然后再将单片机处理的数据送到液晶单元进行显示。根据仪表的功能，软件程序设计方面包括主程序和各模块功能程序。其中主程序流程图如图5所示。

3 测试结果

测量仪主要测试的专用设备相关电缆上的感应电压和漏电电压以及正常工作时电压，这些电压的测量范围为直流0～40V，交流0～40V。测量时，采用标准信号源输出标准信号进行测量，测量数据如表1所示。从表1可以看出，显示的电压值和信号源输出的电压值很接近，基本满足设计的要求，如果想把误差进一步减小，可以通过软件方面的处理来达到目的。试验说明，本文所设计的电压测量仪可以用于相关电路电压的测量。

4 结论

本设计以W78E516单片机为控制芯片完成了专用设备相关电路电压测量仪的设计，并且通过软件校正了硬件所造成的部分误差，使得测量的精度更高。同时，还采用模块化的处理方式，对以后开发研制更加完善的系统打下了良好的基础。

参考文献

[1]张毅刚，彭喜元.单片机原理与应用设计[M].北京：电子工业出版社，2010.

第6篇：测控电路设计与应用范文

关键词：电源模块；传感器；控制器；智能控制

Intelligent control of the step motor by the microcomputer

Xu Hongfu, Chen Yongzhi, Yao Min, Xie Guangqi

Xiangnan university, Chenzhou, 423000, China

Abstract: This design is supplied by two sets of independent power supply module, using infrared sensors of the E18 - D80NK and black and white lines sensors of the TCRT5000 to collect traffic information. With the purpose of the path recognition, the microcomputer chip of the STC89C52 which is the core controller controlled the step motor driver module. The states of the car are displayed by the LCD1602 LCD module. Intelligent control of the step motor by the microcomputer achieved independent follow line and counterguard function of the car.

Key words: power supply module; sensors; controller; intelligent control

步进电动机是将电脉冲信号转换为相应的角位移或线位移的一种特殊的执行电动机。它不需要交换，能直接将数字脉冲信号转换成相应的角位移或线位移，因而很适合作为数字控制系统的伺服元件。此外，它的转速在电机的负载范围内与电脉冲频率成正比，而与电压电流等无直接联系。计算机技术、电力电子技术、微电子技术、控制理论与控制技术的发展，给步进电机的应用开辟了广阔的前景，应用非常广泛，如数控机床、绘图仪、自动记录仪、遥控装置和航空系统等，都大量使用步进电动机。本系统以智能小车为载体，以汽车电子为背景，结合计算机技术、自动控制原理、传感器与现代检测技术、电子技术等学科知识。通过硬件电路设计和软件编程实现对步进电机的智能化控制。

1 硬件电路设计

1.1 总体方案

系统总体设计方案如图1所示：STC89C52单片机为控制系统的控制中心，主要负责处理传感器检测到的数据，将处理的结果作为电机驱动模块的输入信号控制电机的运行。并将电机的运行状态在LCD1602液晶上显示。传感器模块承担数据采集的任务，为控制器决策提供信息支撑。电源模块为整个系统提供电能。

1.2 电源电路设计

电源是系统稳定运行的必要条件，为了提高整个系统的可靠性、稳定性设计两套相互独立的电源分别供电机驱动和控制测量等电路使用。如图2所示，7.4V的镍镉可充电电池经MIC29302稳压块稳压后供电机驱动使用，经LM7805稳压块稳压后供控制测量等电路使用。Power为扩展的电源接口备用。

1.3 主控电路设计

主控电路是整个系统的控制中心，主要负责处理传感器测量的数据并将处理的结果送给驱动电路控制电机的运行。考虑系统的控制要求及性价比，选择STC89C52作为系统的主控芯片。主控电路如图3所示。

1.4 传感器测量电路设计

传感器测量的结果作为控制器的输入，其测量的精度、灵敏度、响应速度等性能指标的优劣决定整个系统的性能。红外壁障传感器E18-D80NK的技术指标见表1。

黑白线检测传感器TCRT5000的技术指标见表2。

上述2种传感器均能满足测量要求。测量电路如图4所示。

1.5 电机驱动电路设计

驱动电路由两片L298N H桥式步进电机专用驱动芯片及续流肖特基二极管组成，输入端口直接接主控芯片的P1口。电机驱动电路如图5所示。

1.6 液晶显示与在线编程接口电路设计

液晶显示与在线编程接口电路如图6所示，LCD1602用来显示小车当前的运行状态、行程等信息。串口进行烧写与在线调试。方便开发和维护工作。

2系统控制程序设计

2.1 循线算法程序流程图

小车在循线模式下工作时：在开放有限的地面空间贴有任意黑色线条，小车在没有任何人为干预条件下自主寻找黑色线条。在找到黑色线条后在黑色线条上找到一点使之到小车初始位置的距离最短(最优路径)，在找到最优路径后回到起始点并沿最优路径再次循线。小车循线程序流程图如图7所示。

由表3小车寻线实测数据分析，小车在寻线模式下工作时其误差在1.2%～5%之间。

2.2 避障算法程序流程图

小车在避障模式下工作时：在有限的迷宫内小车能够沿着迷宫内的可行驶通道避开各个方向的障碍物，并且找到一条能驶出迷宫的通道。实验证明由于小车车体关系，迷宫的宽度必须大于24cm，高度在10～10.5cm。小车避障程序流程图如图8所示。

3结束语

以单片机为核心的控制系统为步进电机的智能化控制开辟了新的途径。引入避障算法实现最优路径的寻找。硬件与软件的结合提高系统的可靠性。通过现场试验测试，按以上方案系统运行良好，在实现电机速度控制，定位控制的同时，能保证最优路径自能化的实现。为工业现场控制提供了智能车模型。

参考文献

[1] 程明，林明耀，张润和.微特电机及系统[M].北京：中国电力出版社，2007

[2] 陶红艳，余成波.传感器与现代检测技术[M].北京：清华大学出版社，2009

[3] 康光华，陈大钦，张林.电子技术基础―模拟部分[M].北京：高等教育出版社，2005

第7篇：测控电路设计与应用范文

关键字：水利设施 电气自动化 应用

中图分类号：TU855文献标识码： A 文章编号：

1 引言

大型水利水电工程有庞大复杂的施工系统，其电气自动化设备是一个不可缺少的专业。施工系统电气部分设计质量的优劣，对工程的施工进度、质量以及施工企业的造价有着一定的影响。水利设施管理，是指建立运行制度，落实岗位职责，实施维修养护，开展综合经营，使之达到安全运用，充分发挥效益，促进良性循环而进行的一系列规范化活动。

2 水利设施电气自动化的内容

2.1 自动检测

对电气设备进行检测，就是要检验保护的动作功能。首先在检测时要施加一定的讯号即模拟量，一般保护电气设备或装置可分为交流回路与直流回路二部分。如果模拟量从交流回路加入，称为交流检测方式，如果模拟量从直流回路加入，称为直流检测方式。在检测时加入模拟破使被检测的保护作出反应，若保护动作为正确，则称为拒动检测，若保护不动作为正确，则称为误动检测。

2.1.1 交流检测

将交流模拟讯号通过检测装置加入保护的交流回路，最简便的方法是利用检测电气设备的接点去短接、或断开或切换保护为交流回路里的某些环节。其作用相当于在交流回路里加入了一个足够大的交流讯号，检验保护的动作情况。这种方法的好处是不需要外加交流讯号，但是它的适用范田有限；另一种方法是在交流回路外加的交流模拟讯号，检验保护的动作情况，通常在被检测的保护电气设备电压形成回路中增设有交流检测绕组，由于这种方法适用范围广，因此比较实用。

如果在施加交流模拟电源的检测方法中，仔细地计算加入模拟量的大小，使模拟量稍稍超过电气设备的整定值使电气设备动作，再施加稍稍低于整定位的模拟量则电气设备不动作，说明电气设备动作正确，这样二步检测，不仅能检测电气设备有否损坏现象，还可以检验电气设备的整定值的正确与否，这种检测方式虽然较为先进，但实现起来较为复杂。

2.1.2 直流检测

对某些电气设备或保护装置，由于易预坏的薄弱环节往往是直流回路，因此只要施加一讯号使直流回路翻转，即可判断保护的好坏。由于保护通常都有闭合回路，当元件损坏直流回路部分翻转时，保护不会误动作，而且能发出元件损坏信号，因此不作误动检测也可以。由于直流检测方式十分简单，因此具有强大的使用价值。但是对于某些电气设备，采用直流检测是不合适的。例如一种相位比较电气设备，在直流回路中具有相位比较回路，如只施加直流检测讯号，往往不能正确判断直流回路工作的正确性，因此只有采用交流检测的方法是比较合适的。

采用直流检测的方法，最简单的办法是用检测电气设备接点去双按或断开或切换被检测电气设备的直流回路中的某些环节，使直流回路得到一个足够大的动作讯号，使电气设备动作。另一个方法是附加一个直流讯号电源，当检测时将此电源加到电气设备的直流输入端，使电气设备动作。

2.2 自动控制

上述各项操作从自动控制原理的观点来看是属于开环控制性质的，电站还有许多控制属于闭环性质的，调速器属于机组转速的闭环控制系统，励磁调节属于机组电压的闭环控制系统，改变调速器的整定值可以控制机组的有功出力，同样，改变励磁调节器的整定值可以控制机组的无功出力，这两个调节器是机组也是电站的最基本的自动控制装置。还可以设置成组调节设备，以便把全厂机组作为一台机组来调整，使之既可接受来自上一级自动装置的命令，也可以接受电站值班人员给定的命令，这样就出现了有功功率成组调节装置和自动调频装置，以及无功功率成组调节装置。

2.3 自动保护

2.3.1 控制电压的选择

水利设备上的电气控制保护元件及信号装置、执行机构是根据生产工艺和操作的要求，安装在机台的不同部位，元件分散，控制线路长。因此，为了满足控制回路各种元件的不同工作需要和保证设备、人身安全，增加控制系统的可靠性。按通常做法，需要设置一个控制电压，与主电路相隔离。但目前水利电气设施所采用的控制电压，包括380V及以下各个等级。不同型号水利设备的配套电气设备的控制电压往往各不相同。

另外，为了生产工艺的需要，在工艺自停及其信号指示回路中，采用12V和6.3V电压。控制电压的多样化，造成了电气元器件型号、规格繁多，给用户厂的设备检修、备件购置造成困难。为了解决这一问题，应对控制电压统一标准，减少等级。

就目前水利设施电气自动控制的需要看，只要取380、220和12V三个电压等级即能满足需要。其中，380V和220V供控制保护电器及电源指示用，而12V可作为工艺自停及信号指示用。改进后交流接触器由原来的电压等级减少为2个，中间继电器的电压等级由5个减至3个，信号灯的电压等级由5个减至2个。信号灯可统一为以下两种：NXD1系列380V氖泡信号灯，在380V和220V电路中通用；XD系列12V白炽信一号灯做工艺指示用。以上改进除能满足控制电路的要求又给设备检修和备件购置带来方便。

2.3.2 检测装置与保护继电器的配合

以元件保护为例来说明，通常元件保护由多个保护继电器所构成。各个保护继电器之间有较少的联系，每个保护继电器通常只占用一点或二点的检测。因为保护均没有闭锁回路，在元件损坏保护局部误动情况均能发出信号，因此检测装置主要用来检测保护继电器的拒功。在被检测的继电器中，通常设有相应的检测回路。

2.3.3 检测装置与成套保护装置的配合

以双母线保护为例来说明，采用较为完善的交流检测方式，模拟内部及外部故障，检测保护装置的拒动与误动情况，并配合有故障起动继电器，在检测过程中发生故障时，可立即将检测装置退出，保护经很小的延时后投入工作。在保护中设有出口回路解除继电器、出口回路解除确认继电器、保护装置动作判定继电器、保护装置强制复归继电器。在保护装置交流回路中设置有检测回路，即在变流器或变压器上设置有交流检测绕组，由变压器提供检测电流。

3 水利设施电气自动化的设备

PLC（Programmable Logic Controller）是一种新型控制装置。它吸取了继电器顺序控制设计的特点，采用了类似微型计算机的结构，又具有新的面向控制的软件。具有以下五个特点；（1）标准组件结构，对不同工艺设备可通用；（2）程序简便，易于掌握，可以在现场及时编制或修改程序；（3）采用无触点给构和IC部件，可靠性高，不需维护；（4）能直接控制生产设备及生产过程；（5）性能好，价格低。因此PLC组成的电气自动化控制系统在国内外获得广泛应用。现以某水利工程项目的电气设施为例，说明PLC如何作为电气传动自动控制的新装置，进行分散控制。

根据不同的设备控制情况，PLC的控制内容可以概括为（1）顺序控制：包括顺序操作控制；时间控制于条件控制（联锁控制）。（2）主干控制：包括对自动和手动的各操作方式下，各种控制所需的信息进行运算处理；下达运转指令（位信息）及速度指令（字信息），对功率控制级进行设定。（3）位置控制。

控制系统采用的是多级控制结构，如图1所示。设定级由小型计算机Hl-DIC-80承担，主要是进行设定计算及信息处理；控制、操作级的上位有4台控制用准小型计算机HIDIC-08E，其中两台分别用于NO.1、NO.2发电机进行存贮式程序控制，即SPC，另外两台分别用于板坯线及方坯线上的跟踪信息处理，即SLDC及BLDC。

图1控制结构示意图

控制、操作级的下位，有18台PLC，由于计算机仅对发电设备上的钢坯进行跟踪处理，因此18台PLC中只有11台与计算机连接，另外7台是不与计算机连接的。PLC在这个多级系统中，是末级的自动控制装置，而在电气传动自动控制系统中，又是直接承担控制任务的部件。PLC通过RIO既和功率级（可控硅控制盘、电动机控制盘等）、操作工（操作台及机旁开关箱）、检测装置（热、冷金属检测器、极限开关等）相连，也和控制用计算机直接相连，它要向上位计算机送出过程控制和设备控制所需要的信息，也要接受上位计算机的指示，输人控制对象的各种信息，进行运算处理后，对功率级下达运转指令和速度指令，它的地位是显而易见的。

4 总结

在未来还要进一步增加投入，使水利设施的电气自动化设备尽快完善配套，消除隐患，发挥效益，为管理工作创造有利的条件。水利工程不配套，长期带病运行，不仅会增加了管理的难度，还不能履行水利工程的职能。根据水利行业管理的要求，对各类水利工程的险情观测、维修养护、隐患处理、用水管理、防洪抢险、水质监测、综合经营、岗位职责等方面，要制定出定量定性的考核指标和相应的管理制度，并定期组织阶段性达标验收，使管理工作逐步实现经常化、科学化、制度化、规范化。

参考文献

[1] 曹金华. 电力系统中电气自动化的应用分析[J]. 科技与企业. 2012（7）

第8篇：测控电路设计与应用范文

【关键词】直流电机；单片机；调速测速；PWM；占空比

直流电机是工业生产中常用的驱动设备，具有良好的起动、制动性能。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成。控制系统的硬件部分复杂、功能单一，调试困难。采用单片机控制系统，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。

1.基于单片机的PWM直流调速原理

PWM（脉冲宽度调制Pulse Width Modulation）简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种技术，广泛应用在测量、功率控制与变换等许多领域中。脉宽调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极的偏置，改变晶体管导通时间。是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。 在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压。所以通过调节占空比，可以实现调节输出电压无级连续调节。

2.调速和测速系统的主体电路设计

整个系统由输入电路、PWM调制、测速电路、驱动电路、控制部分及显示等部分组成，PWM调制选用AT89S51单片机通过软件实现频率和占空比的调节。

2.1 直流电机调速的设计方案

驱动电路用光耦隔离保护电路，控制部分由单片机和电路组成，实现各种控制要求，电路主要完成对输入信号的采集、操作、对速度进行控制，显示部分采用四位共阳数码管。系统方框图如图1所示。

硬件方面以STC89C51单片机为核心，与复位电路、晶振电路、驱动电路，测速电路，键盘和LED显示模块构成最小系统。软件上通过用C51语言编程产生PWM脉冲信号的输出、键盘、LED显示器的数据传输。通过键盘调节速度档位给定值，实现按给定值跟踪，在LED显示器上显示，最后再由单片机输出PWM脉冲信号，通过测速电路把转速反馈给CPU并且通过CPU把转速显示在LED显示器上，从而达到想要设定的转速。

2.2 显示电路设计

LED采用动态显示方式，通过四位数码管显示电机的实际转速，方便系统的监控，系统用四位共阳数码管、采用9012三极管开关电路驱动、控制数码管的显示。

2.3 复位电路

单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当单片机系统在运行中，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。复位电路采用上电自动复位和手动复位两种方式，C3、R21、S1组成复位电路。

2.4 时钟电路

系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89系列单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。

3.直流电机驱动电路设计

从单片机直接输出的控制信号无法直接驱动12V直流电机，目前大多采用H桥式驱动，为便于制作，驱动模块采用光电耦合器对控制电路和主电路进行隔离，达到保护作用。U3输出PWM控制信号通过三极管反相驱动电机，实现电机的调速。驱动电路图如图3所示。

4.测速电路设计

测速模块由U型光电开关、转盘及电路组成，电机转动时带动转盘转动，转盘上附有八个小孔，当转盘转动一周产生八个脉冲信号，由此可以把电机转动的物理量转换成变化的脉冲信号，经Q5开关驱动输送到单片机外部中断P3.3进行计数，实现对电机速度的监测。测速电路如图4所示。

设计中应用了比较常见的光电测速方法来实现，其具体做法是将电机轴上固定一圆盘，在测速模块中U型光耦。通过转盘上八个圆孔，产生脉冲信号。电动机转到孔处时，发光二极管通过缝隙将光照射到光敏三极管上，三极管导通，反之三极管截止。

U型光电开关与转盘的安装如图5所示：把转盘固定在电动机的转轴上，安装U型光耦，把光耦插入转盘上，用螺丝固定，转盘边要安装在U型光电开关的槽中间。

5.调速和测速系统的软件设计

系统软件采用C51语言开发，模块化设计。定时器中断工作在16位计数方式，实现数码管显示、PWM控制。外部中断采用负边沿触发，实现电机转速的测量。程序流程图如图6。

6.小结

基于单片机控制直流电机的测速与调速系统设计是将输入的信号通过单片机转换后输出控制信号通过驱动电路调节直流电动机的转速，并且能实时监控直流电动机的速度。由于采用的是PWM控制技术可以达到高精度的速度控制。测速采用光电开关，轻松实现速度的检测，为此，所设计的直流电机的测速与调速系统应具有速度输入、检测、显示、脉宽调制、电机驱动等主要电路，以便对电机速度进行控制与显示。

参考文献

[1]邹益民.单片机C语言教程[M].北京：中国石化出版社，2009.

第9篇：测控电路设计与应用范文

关键词：dIT/dt；BTA208-600B；可控硅；测试；电流上升率

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.8.009

引言

可控硅在白色家电的应用广泛，而dIT/dt是衡量可控硅可靠性的一个重要的动态参数，它的重要性等同于可控硅的dIcom/dt和dVD/dt，它是可控硅导通电流的变化率，过快的电流变化率会使得可控硅局部产生很大的热量，可能会导致可控硅的永久性失效。故设计一款测试该参数的测试电路显得尤为重要，且符合低成本。本测试电路操作简单，测量准确，可用于可控硅的dIT/dt参数测量与测试，该测试电路可测试单向可控硅，双向可控硅，AC可控硅。

测试原理与测试线路设计

该测试线路是在传统的相位控制电路的基础上增加了两个配置，利用该线路当可控硅的控制端触发导通时可产生一个高的上升和下降斜率的电流波通过可控硅的T1和T2，从而可以测量电流的变化率，当可控硅的电特性(静态参数)发生变化时说明该器件已经受损，此前测量的dIT/dt值即为该可控硅能承受的最大导通电流变化率。

测试电路原理图见图1，一个配置是隔离变压器，可用来产生一个39V左右的交流电压来控制可控硅的触发导通，同时我们可以通过上下两个单刀双掷开关来改变控制端的电压极性，从而可用来测量可控硅的四个导通象限：1+，1-，3+，3-。220k的可调电阻R2用来控制导通的相位角，我们可以设置这个可调电阻使得在交流电的尖峰点触发使得可控硅导通，这样可以得到一个高的dIT/dt。

另一种配置是220欧姆的可调电阻R6与12欧姆R5和0.1μF的电容C2构成的阻尼电路，调整该电阻可改变流经可控硅的电流的变化率，即dIT/ dt，当我们需要加一个50A/μs的电流在可控硅上时，我们需要调高电阻值，而当我们加一个大于100A/μs的电流在可控硅上，我们就需要使该变阻器的阻值变得很小，这样可以得到高的dIT/dt。

需要说明的是，该测试电路中的灯泡，从40W到1000W的范围可选，通常我们可以使用市场上常有的40W的灯泡。

测试线路原理图

测试线路原理图如图1所示。

测试的步骤及注意事项

(1)在测量可控硅的dIT/dt前，需要先测量它的各项静态参数，确保它是一个好的器件，以便后面进行dIT/ dt的测试。

(2)测量前操作：①1+和3-象限：开关向上拨；②1-和3+象限：开关向下拨；③在第一次测试时，为了得到最高的dIT/dt能力，需要调整220k可调电阻器，直到可控硅在交流电的尖峰时刻导通，以后的测量，我们就可以固定此电阻的阻值，无需调整了。

(3)开始测试：通过调整220欧姆的可调电阻R6得到某个dIT/dt值，我们规定不间断的测试时间至少大于3秒钟。

(4)测量完dIT/dt后，再测试该器件的各项静态参数，从而判断在某个dIT/dt值下，该器件是否受损或失效。

(5)增加施加在可控硅上的dIT/ dt，重复步骤3和步骤4直到发现该器件的电特性发生改变，此时可以测试出dIT/dt的最大能力。

测量与计算

d I T / d t的测试条件通常是IT=1.5*IT(RMS)，IG=0.2A，dIG/ dt=0.2A/μs，Tj=25℃，既然我们已经设计完成了电路，那么我们怎样测量IG，dIG/dt，IT，dIT/dt呢？我们可以使用两个电流探棒，电流探棒XCP1测量dIT/dt，IT；电流探棒XCP2测量dIG/dt，IG，如图2。

dIT/dt的值可由下面的计算公式得到：

dIT/dt = y/t

其中dIT/dt是导通电流变化率，产品说明书上的dIT/dt是产品能承受的最大值；y是导通电流的变化，y通常取单位时间内电流最快变化值，即电流开始上升或开始下降时刻的变化值；t是在y条件下的时间变化，如图3。

测试结果

我们测试了BTA208-600B，测试了1+，3-和1-三个象限，这三个象限的dIT/dt值都达到了100A/μs，与该产品的数据表给出的值吻合。其中1+，3-象限的测试波形如图4和图5。CH3：IT(紫色的)，2A/DIV；CH4：IGT(绿色的)，100mA/DIV。

结束语

此设计的电路能够测试的dIT/dt最大的能力与待测试的可控硅的结电容及其相关，目前我们用此电路可以测试到的最大能力在150A/μs左右，如果我们需要更大的测试能力，我们可以通过减小阻尼电路上的电阻R5和电容C2的值达到。此电路设计简单，操作方面安全，可应用于可控硅的动态参数dIT/dt的测试和验证。

参考文献：

[1] 童诗白,华成英主编.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2000-07

[2] BTA208-600B datasheet[Z].NXP Semiconductors N.V.