基于atmel单片机的永磁电机电能参数测量硬件设计.doc

毕业设计（论文）设计(论文)题目基于ATMEL单片机的永磁电机电能参数测量硬件设计姓名：学号：学院：年级：指导教师：2目录摘要1第1章绪论3第2章AT89S51单片机构造及其控制原理简介42.1.AT89S51简介42.2.AT89S51内部结构42.3.AT89S51单片机管脚定义及功能62.4.中断系统82.5.定时器/计数器82.6.串行口82.7.CPU的工作原理8第3章三相永磁电动机输入电压和输入电流有效值的测量方法113.1.瞬时值测量方法的引出113.2.主要元件的选择113.3.硬件电路构成173.4.由瞬时值跟踪有效值的理论依据21第4章三相永磁电机功率因数及输入功率的测量方法224.1.功率因数的测量方法224.2.电机输入功率的求解方法23第5章总结与致谢25参考文献2728摘要摘 要近些年来，在电力电子技术、微电子技术、电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展下，永磁同步电机（PMSM）得以迅速的推广应用。永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。而ATMEL公司生产的AT89系列单片机是目前应用最广泛的8位单片机之一，它因具有高性能、低价格、低功耗、大存储容量、指令简洁、方便易学等诸多优点而广泛应用在工业测控系统中。在电机管理中，经常需要测量其电能参数，如电压、电流、功率、功率因数等，以便对其工作状态进行正确地判断和调整，以达到及时排除隐患，节约电能，提高效率的目的。本设计即是基于此方面的考虑，拟以ATMEL公司生产的单片机AT89S51为CPU，以变压器和霍尔电流传感器为强电到弱电变换的桥梁，通过快速A/D转换器AD574A配合模拟开关CD4051对瞬时的较低的电压信号进行采样转换，以采样定理为理论基础，一连串的转换数字量输入单片机统计处理后得出的结果即可准确地跟踪电压和电流的有效值。由于交变电压和电流信号有相位差，两种交变信号顺次通过过零比较器后得到的方波信号的下降沿可以被单片机识别，若利用单片机的两个外部中断源输入引脚配合片内定时器，便可较为准确地计算电压和电流信号的相位差，进而求得功率因数。综合以上电压、电流有效值和功率因数的测量结果可计算出电机的输入功率和有功功率。关键词永磁电机 ATMEL 单片机 电能参量AbstractIn recent years, with the rapid development of power electronic technology, microelectronics, new type control theory of motor and permanent magnetic material of rare earth, permanent magnet synchronous motors are being rapidly promoted and utilized. Permanent magnet synchronous motor has a small size, low power loss, high efficiency, and with the increasing concerns of energy saving and protection of environment in todays life, research of it is of great necessity. AT89 series microcontrollers of ATMEL Corporation is one of the most widely used 8-bit microcontrollers. Its advantages of high performance, low price, low power consumption, large storage capacity, simple instructions and easy to learn make it widely used in industrial detection and control systems. In the management of motors, parameters of electricity such as voltage, current, power, power factors are usually necessary to judge and adjust their states aiming at removing hidden dangers, saving energy and improve efficiency. This design is based on the microcontroller of AT89S51, through the transformation of the transformer, hall current sensor, A/D converter and analog switch to get the instantaneous value of AC voltage and current. According to sampling theorem, if the sampling frequency is up to two times of the signal, the sampled values which are discrete can preciously reflect the analog signal. In this way, we can calculate the effective value accurately. The existing phase difference between AC voltage and AC current leads to the formation of the power factor. If the signals of voltage and current go through the over zero comparator, there must be two square waves with time difference output which we can utilize to access the two external interrupt entrance of AT89S51. We can handle the interrupts in routines with the timers inside the microcontroller which can easily calculate the power factor and the power input the motors.Key wordsPermanent Magnet Synchronous Motors, ATMEL, Microcontroller, Electricity parameters第1章 绪论一、 绪论本文研究的主要任务是测量三相交流永磁同步电机输入电压和输入电流的有效值、功率因数和输入功率等电能参量的方法。这其中包括几个问题：(1). 常用三相电机的输入电压为220V或380V，输入电流为几安到十几安，这么大的模拟量如何测量？(2). 功率因数是以交流电网中电压和电流之间存在的相位差决定，但是该相位差如何测定？、(3). 整个测量系统中的各类芯片如何选型？它们所需的供电电压如何保证？针对以上问题，本设计的主要研究方法可概括为：以变压器、霍尔电流传感器、电压/电流互感器、耦合电感为强电到弱电的桥梁，以A/D转换器为低压模拟量和数字量的交互通道，利用单片机进行一连串的数字量的运算处理显示等相关控制。具体如下：(1). 交变电流信号只有转换为电压才能进行后续的测量，这需要用霍尔电流传感器进行相关转换，由于其阻抗很小，它的接入不会对电机的正常工作产生影响；(2). 由于各类芯片正常工作耗能都很少，因此我们可以从电网中引出交变电压自制稳压电源对它们供电；(3). 待测电压电流均为交变量，须选择具有双极性信号转换功能的A/D转换器。这里我们拟采用Analog Devices公司生产的AD574A芯片；(4). 结合精度的考虑，交变信号周期为20ms，拟采用ATMEL公司生产的AT89S51单片机作为整个系统的CPU芯片进行全面控制；(5). 如把低压交变电压和交变电流信号分别引入过零比较器，输入信号就是具有一定时间间隔的方波。若用单片机的外部中断输入引脚接收来自两个方波的下降沿，配合片内定时器便可对它们的相位差进行较为准确的测量；(6). 结合电压和电流有效值、功率因数的测量结果，利用相关公式，电机的输入功率便不难求得。在后续的章节中，我们将详细介绍单片机的工作原理、电压电流有效值的测量方法及理论依据、功率因数的测量方法以及电机输入功率的计算方法。第2章 AT89S51单片机构造及其控制原理简介二、 AT89S51单片机构造及其控制原理简介本章将就本设计所采用的CPU芯片AT89S51单片机的组成、结构及引脚功能作一详细介绍，深入分析AT89S51单片机的控制方法，编程方法。（一）、 AT89S51简介AT89S51是一个低功耗，高性能的CMOS 8位单片机，片内含4k字节的ISP（在系统编程）闪存只读程序存储器，可反复擦写1000次。器件采用ATMEL公司的高密度非非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令集和80C51引脚结构，芯片集成了8位通用中央处理单元和ISP闪存存储单元，被广泛应用在各种嵌入式控制系统中。其主要性能特点如下：（1） 拥有4k Bytes Flash片内程序存储器；（2） 128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）；（3） 32个外部双向输入/输出（I/O）口；（4） 5个中断优先级、2层中断嵌套中断；（5） 6个中断源；（6） 2个16位可编程定时器/计数器；（7） 2个全双工串行通信口；（8） 看门狗（WDT）电路；（9） 片内振荡器和时钟电路；（10） 与MCS-51兼容；（11） 全静态工作时钟频率：0Hz-33MHz；（12） 三级程序存储器保密锁定；（13） 可编程串行通道；（14） 低功耗的闲置和掉电模式。（二）、 AT89S51内部结构图2-1为AT89C51内部结构框图。从图中我们可以看出，单片机内部不仅有CPU、RAM、ROM、定时/计数器、串行口等主要部件，还有驱动电路、锁存器、指令寄存器、地址寄存器等辅助电路。下面将就几个主要部分做一详细介绍。图 二1中央处理器（CPU）：中央处理器是单片机的核心部分，是MCU的大脑和心脏，主要任务是完成操作和控制功能。AT89S51的CPU的字长为8位，一次可以处理一个字节的数据。随机存储器（RAM）：这部分是用来存储变量的，掉电后消失。AT89S51的RAM大小为256字节，但是专用寄存器占用后128个字节，用户只能使用前128个字节。只读存储器（ROM）：ROM用于存储程序和固定的常数，掉电后存储的数据不消失。AT89S51拥有4KB闪存，比EEPROM的更新速度更快，并可以承受约1000次的擦除重写操作。定时/计数器（Timer/Counter）：AT89S51单片机提供了2个16位的加计数器，分别称为“T0”、“T1”。如使用12MHz晶振，单个定时器的计时周期可以达到65.536ms，每个定时/计数器都有4种不同的工作方式，方便用户根据自身的不同需要灵活选择。并行I/O口（PORT 0-PORT 3）：AT89S51单片机共有4个8位的并行I/O口，每个口都由1个驱动器和1个锁存器组成，并行I/O口主要用于实现与外部设备中数据的并行输入/输出。有些I/O口还具有其他功能。（三）、 AT89S51单片机管脚定义及功能DIP封装的AT89S51芯片共有40个引脚，如下图所示：图 二2各管脚功能定义如下：VCC：电源电压输入端。 GND：电源地。 P0口：P0口是一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8位TTL门电流。第一次写1时，被定义为高阻输入。能够用于外部程序数据存储器，被定义为数据或地址的低八位。编程时，P0口作为源码输入口，校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。写入0时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。写入1后，上拉为高，可用作输入。P2口：P2口是一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收或输出4个TTL门电流，当P2口用于外部程序存储器或16位地址进行存取时，输出地址的高八位。当P2口被写1时，管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。P2口在编程和校验时接收高八位控制信号和地址信号。 P3口：P3口管脚是8个带上拉电阻的双向I/O口，可接收或输出4个TTL门电流。当P3口写入1后，被拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）。P3口除了作为普通I/O口，还有其它功能： P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（T0定时器的外部计数输入） P3.5 T1（T1定时器的外部计数输入） P3.6 /WR（外部数据存储器的写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器的读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 I/O口作为输入口有两种工作方式，即读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读引脚时才真正地把外部的数据读入到内部总线。 RST：复位输入端，高电平有效。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ：外部程序存储器访问允许。当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器有效，不管是否有内部程序存储器。当端保持高电平时，内部程序存储器有效。编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 ：外部程序存储器的选通信号，低电平有效。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效信号将不出现。 ：地址锁存允许/编程脉冲信号端。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。 XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。（四）、 中断系统中断系统的主要作用是对外部或内部的中断请求进行管理，AT89S51共有5个中断源，其中2个外部中断源和，3个内部中断源（2个定时计数中断和1个串行口中断）。外部中断申请通过和输入，输入方式可以是电平触发，也可以是边沿触发。两个定时器中断请求是当定时器溢出时，由硬件分别向CPU发出的，CPU响应中断后，由硬件自动清除标志位TF0或TF1。T0和T1也接收来自外部的计数中断请求。串行口每发送或接收完一个数据，可产生一次中断请求。（五）、 定时器/计数器AT89S51单片机内部有两个16位可编程定时器， T0和T1。它们的最大计数值均为216-1=65535。工作方式由指令来设置，可作为定时器或计数器使用，并且可以通过定时器方式控制寄存器TMOD来设置定时/计数的范围。定时器在计到规定的定时值时可以向CPU发出中断申请，在计数状态下计到规定的数值时也可以申请中断。定时器控制寄存器TCON用来设置定时器的启动、停止和中断管理。（六）、 串行口AT89S51单片机内部有一个可编程的、全双工的串行口。由TXD端口发送数据，由RXD端口接收数据，串行数据缓冲器SBUF占用内部RAM地址99H。单片机内部实际上同时存在发送缓冲器和接收缓冲器，但两个缓冲器的名字都是SBUF。读取数据表示读取接收缓冲器SBUF中的数据，写数据，表示写数据到接收缓冲器SBUF中。收发数据都是对同一地址99H进行的。串行收发数据可以根据需要产生相应的中断请求，由串行口控制寄存器SCON设定。（七）、 CPU的工作原理CPU主要由控制器和运算器两部分组成。控制器根据指令产生控制信号，使运算器、存储器、输入输出端口之间能按指令的规定自动工作；运算器用于算术运算、逻辑运算以及位操作处理等。1. 控制器控制器是用来指挥和控制CPU的部件。功能是从存储器中逐条取指令，译码后，通过定时和控制电路，在规定的时间发出各种操作全部内部控制信息及CPU外部所需的控制信号，使各部分按照节拍协调工作。它由时序部件、指令部件和操作控制器三部分组成。（1） 指令部件指令部件是对指令进行分析处理并产生控制信号的部件，也是控制器的核心。通常，它由指令寄存器、指令译码器、程序计数器和等组成。下面介绍与CPU工作有关的几个部件。程序计数器PC 用于存放和指示下一条要执行的指令的地址。它是一个16位专用寄存器，由2个8位寄存器PCH(存放地址的高8位)和PCL（存放地址的低8位）组成。它具有自动加1的功能，PC在加至该指令字节个数后，才指向下一条将要执行的指令地址。故PC是维持单片杌有序执行程序的关键寄存嚣。CPU执行程序的过程为：顺序地从存储器内取指令，然后去执行规定的操作。要取的指令地址码由PC提供，然后程序顺序执行。如果要求不按顺序执行指令，可执行一条调用指令或跳转指令，将要执行的指令地址送入PC，取代原有的指令地址。指令寄存器 指令寄存器是8位寄存器，用于暂时存放指令，等待译码。指令译码器 指令译码器用于对送入其中的指令进行译码，把指令转变成相应的电信号，根据译码器输出的信号，CPU控制电路定时产生各种控制信号。（2） 操作控制部件操作控制部件可以为指令译码器的输出信号配上节拍电位和节拍脉冲，也可以和外部进来的控制信号组合，共同形成相应的微操作控制序列信号，以完成规定的操作。（3） 时序部件时序部件由时钟电路和脉冲分配器组成，用于产生操作控制所需的时序信号。产生时序信号的部件称为“时序发生器”，它由一个振荡器和一组计数分频器组成。振荡器是一个脉冲源，输出频率稳定的脉冲，也称为“时钟脉冲”，为CPU提供时钟基准。时钟脉冲经过进一步的计数分频，产生所需的节拍信号。2. 运算器运算器是用来对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件，包括算术逻辑部件ALU、累加器ACC、暂存寄存器、程序状态字寄存器PSW（Program Status Word）、BCD码运算调整电路和通用寄存器等。为了提高数据处理和位操作能力，片内增加了一个通用寄存器区和一些专用寄存器，而且还增加了位处理逻辑电路的功能。在进行位操作时，进位位CY作为位操作累加器，整个位操作系统构成一台布尔运算机。（1） 暂存器暂存器用于暂存进入运算器之前的数据，它不能通过编程访问。设置暂存器的目的是暂时存放某些中间过程所产生的信息，以避免破坏通用寄存器的内容。（2） 算术逻辑部件ALU算术逻辑部件ALU(Arithmetic Logic Unit)是用于对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件，由加法器和其他逻辑电路组成。在控制信号的作用下，它能完成算术加、减、乘、除，逻辑“与”、“或”、“异或”等运算以及循环移位操作等功能。此外，通过对运算结果的判断，影响程序状态标志寄存器的有关标志位。CPU正是通过对这几部分的控制与管理，使得单片机完成指定的任务。第3章 三相永磁电机输入电压和输入电流有效值的测量方法三、 三相永磁电动机输入电压和输入电流有效值的测量方法本章以三相永磁同步电动机为例，系统介绍输入电机的输入电压和输入电流有效值的测量方法。电机的功率因数和功率的测量方法将在下一章介绍。电压和电流有效值不能直接测出，因此本章先系统讲述电压和电流瞬时值的测量方法，最后介绍由瞬时值跟踪有效值的理论依据。（一）、 瞬时值测量方法的引出由于三相永磁同步电动机的用途和功能不同，其额定输入电压也不同，以电子电路测量相对较大的电压和电流信号时，存在以下几个问题：(1). 驱动电动机的来自电网的电压和电流通常较大，不可能直接输入电子电路；(2). 交流电压信号正负交变，通常AD转换器不能处理为负值的信号；(3). 电压信号和电流信号被采样需要依次进行；(4). 电流信号转换为电压信号元件的选择；(5). 最终的测量精度直接受AD转换器的转换速度和单片机的处理速度的影响和限制；针对以上问题，应先把较大的电压信号作降压处理，使得输入低压电路的信号位于合理范围内；电流信号不能直接被测量，可使用霍尔电流传感器把电流信号转换为电压信号；为使AD转换器轮流采样电压信号和电流信号，可使用模拟开关选择输入信号；另外在合理的成本考虑内应尽可能地选择速度较高的AD转换器和单片机。（二）、 主要元件的选择1. A/D转换器的选型综合转换速度、模拟信号双极性和成本的考虑，本设计拟采用Analog Devices公司出品的AD574A作为A/D转换芯片。AD574A是美国模拟仪器公司推出的单片完全高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性转换电路，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：l 兼容8位和16位微处理器总线接口；l 最大A/D转换时间为35us；l 片内拥有高精度的电压基准和时钟；l 为满足不同精度的需要，激光校正的幅度和双极性偏置电阻提供了四个模拟电压输入的量程供选择：0V10V、0V20V、-5V+5V、-10V+10Vl 供电电压VCC和VEE可选择(12V0.6V)或(15V1.5V)；1. 各引脚功能Pin1. VLOGIC，5V逻辑电平输入端；Pin2. ，数据选择模式输入引脚，由于转换器输出的数据为12位，此引脚决定了输出的数据是以12位为一个字一次性输出（当接VLOGIC为高电平时），还是以8位为一个字分两次输出（当接DIGITAL COMMON时）。对于后者，将DB3-DB0(LSB)分别并接到DB11-DB8引脚上，当A0为高电平时，DB11(MSB)-DB4引脚首先输出转换结果的高八位作为第一个字节给微处理器总线接收，A0为低电平时，DB3-DB0输出转换结果的低四位作为第二个字节的高四位，此字节的低四位补零；Pin3. ，片选信号，低电平有效；Pin4. A0，字节选择，转换周期选择。当、CE引脚均有效且为低电平（转换）时，若A0=0，初始化12位的转换，若A0=1，初始化8位的转换；当、CE引脚均有效且为高电平（读取转换结果）时，若=1，启动12位转换结果的并行输出；若=0，A0=0，输出一个字节作为12位转换结果的高八位或8位转换结果；若=0，A0=1，输出第二个字节，12位转换结果的低四位补零；Pin5. ，高电平为读取转换结果，低电平为转换指令；Pin6. CE，芯片使能信号，高电平有效；Pin7. VCC，电源正电压输入，可选择输入+12V或+15V，前者可识别的范围为11.4V12.6V，后者可识别的范围为13.5V16.5V；Pin8. REF OUT，10V参考电压输出引脚，接10V参考电压的低电势；Pin9. AC，模拟地；Pin10. REF IN，10V参考电压输入引脚，接10V参考电压的高电势；Pin11. VEE，电源负电压输入，可选择输入-12V或-15V，前者可识别的范围为-12.6V -11.4V，后者可识别的范围为-16.5V -13.5V；Pin12. BIP OFF，补偿调整端，调整ADC输出的零点；Pin13. 10VIN，此引脚和AC组合用于量程为010V或-5V5V的电压输入；Pin14. 20VIN，此引脚和AC组合用于量程为020V或-10V10V的电压输入；Pin15. DC，数字地；Pin16Pin27.DB0DB11，分为三个半字节，三态并行缓冲输出口，用于转换结果的数字量输出；Pin28. STS，状态输出线，转换周期开始变高，结束后变低。2. 控制逻辑CE、和三个端口控制A/D转换的进行，A0和控制转换的位数和转换结果的输出格式，它们的具体功能如下表所示：CEAOOperation0XXXX未启动芯片X1XXX未选中芯片100X0启动12位A/D转换100X1启动8位A/D转换1011(接Pin1)X使能并行输出12位转换结果1010(接Pin15)0使能输出转换结果的高8位（D11D4）作为第一个字节1010(接Pin15)1使能输出转换结果的低4位（D3D0）作为第二个字节的高4位，低4位补零3. 控制时序启动转换时，应置低，并且在CE和同时有效前应保持低电平不变（如果变为高电平，将启动外部芯片的读操作，可能发生总线竞争）。CE和输入的有效信号均可作为A/D转换的启动型号，但使用CE引起的延迟时间更短。转换一旦启动，状态输出线STS即变为高电平，芯片不再受理新的转换请求直到此转换周期结束。结束后STS恢复为低电平。而且在转换过程中数据输出缓冲器不可用。图3-1明确地标示了启动转换到转换结束各个控制端口的控制时序，其中tDSC、tHEC、tSSC、tHSC、tSRC tHRC、tSAC、tHAC分别表示两信号依次建立需要的最短时间，tC为A/D转换耗时。需要指出的是除tC外，其余时间均很短（1us），因此当单片机的指令周期为1us时，只需按照顺序建立有效信号，完全不必考虑这些时间间隔的影响。进行8位转换时，转换时间tC最短10us，最长24us；进行12位转换时，tC最短为15us，最长为35us。图 三1 A/D转换时序当A/D转换完毕，STS自动置低。单片机可通过查询方式判断转换结束，也可把STS作为一个外部中断源来达到此目的。图3-2清晰地标示了数据读取操作的时序，其中tHD表示CE置低后数据的有效时间，为纳秒量级，因此CE置低操作应在数据传送完毕后。图 三2 数据读取操作时序4. AD574A外围电路下图描述了AD574A进行12位双极性转换时的外围电路接法。图 三3 AD574A的双极性接法2. 霍尔电流传感器的选型霍尔电流传感器以霍尔效应为基本原理，可将较大的不易测量的电流信号根据一定的比例关系转换为规定量程内的电压信号。综合考虑系统性能、测量精度和成本要求，本设计拟采用ACS712ELCTR-20A-T芯片作为霍尔电流传感器。1. 霍尔电流传感器的基本特性ACS712芯片依霍尔效应原理制造，有着低廉的价格和测量AC或DC电流时较高的精确度，可应用于工业、商业和通信业。典型的应用场合包括汽车控制、负载检测管理、供电管理和过电流保护等。该芯片由一个精密低偏置线性的霍尔传感回路和铜传导线路组成。随输入电流的增加，输出电压也线性增加。内部电流传输路径的阻抗为1.2m，由此而造成的电能损失很小，同时该电流传输路径可承受五倍于标定的过电流。该芯片的主要特性可概括如下：l 模拟信号传输路径低噪声；l 通过外接电容可设置带宽；l 响应输入电流的输出电压的建立时间为5us；l 25C 时，总输出信号误差最大为1.5%，在40C to 85C区间内，总输出信号误差最大为4%；l 内部电流传导路径的阻抗为1.2m；l pins 1-4和pins 5-8间最小绝缘电压为2.1 kVRMS；l 单电源5V供电；l 传感器精度为66-185mV/A；l 输出电压正比于输入的交流或直流电流；l 输出偏置电压具有高稳定性；l 磁滞近零；2. ACS712芯片的引脚功能和外接电路图 三4 ACS712引脚功能图图 三4标示出了ACS712芯片的引脚功能，其详细介绍如下表：引脚编号引脚名称功能介绍1、2IP+待测电流输入3、4IP待测电流输出5GND接地6FILTER外接电容设定带宽7VIOUT模拟信号输出8VCC+5V电源输入其常用接法如下图所示：图 三53. ACS712芯片的灵敏度25条件下，该芯片的灵敏度为100mV/A，当温度在4085区间内时，该灵敏度的变化不超过3%，这样的精度水平完全满足设计需求。由数据手册得知，输出电压U（单位“V”）与输入电流I（单位“A”）之间存在如下线性关系：输入电流为20A时，输出电压4.5V；输入电流20A时，输出电压0.5V；无电流输入时，输出电压为2.5V。3. 模拟开关相比较继电器而言，模拟开关具有更高的开关速度，更小的功耗，以及更大的灵活性，因此在较低电压较小电流的环境中得到了广泛应用。CD4051是单8路通道数字控制模拟电子开关，有A、B和C三个二进制控制输入端以及INH共4个输入控制8路待转换信号的选择性通断，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为320V的数字信号可控制峰峰值达20V的模拟信号。下图简明地标示出了引脚功能：图 三6CHANNELS IN/OUT 07为模拟量输入通道，哪一路有效由A、B、C三个控制端决定，INH为总控器，当INH=1时，不选择任何一个通道，芯片失效；只有当INH=0时，才能启动A、B、C的选择。真值表如下：INHCBA选择通道00000000110010200113010040101501106011171XXXNONEVSS为零参考电势输入端，VDD为芯片直流正电源输入端，其范围为3V20V；其它输入电压范围可依此确定。VEE为负电源电压输入端且3VVDDVEE20V，这样模拟电压的输入范围就限定在区间VEE，VDD内。（三）、 硬件电路构成对三相永磁电机线电压有效值和电流的测量电路部分主要包括降压供电电路和采样控制电路部分。以下以额定电压为220V，额定电流为10A的永磁同步电动机为例做一介绍。首先把三相永磁电机接入交流市电。为测量输入电机的电压有效值，应在P、Q间接入测量电路；为测量电机的工作电流，应在X、Y间接入阻抗尽可能小的测量电路。YXQPABCWUV交流电源三相电机4. 变压供电电路因待测的交流电压信号较大，不能直接输入A/D转换器进行测量，须将其调整到A/D转换器的量程10V之内；同时A/D供电需要12V、+5V电压，其余芯片和单片机供电需要5V电压，故将变压、供电两种功能集中于一个电路中，力图最大程度上减小电路规模，降低成本。图 37为采用LM7805、LM7905、LM7812、LM7912等集成芯片设计的5V、12V稳压电源，它的作用是为各种芯片供电。220V市电经变压器后可引出20V交变电压（幅度约在28.3V28.3V之间变化），再经耦合电感可将P、Q之间幅值控制在A/D转换器的模拟输入量程（10V10V）内，假设P、Q间电压在区间8V8V之间波动。图 三7 变压供电电路5. 采样控制电路此部分电路以AT89S51单片机为控制核心，以模数转换器AD574A为桥梁，通过对输入电机的线电压和电流分时采样，配合其它外围电路元件，实现线电压和电流有效值的运算，显示等功能。此部分电路的所有芯片均由变压供电电路提供电源，由于CD4051芯片的正负电源电压差值应小于20V，故采用串联稳压管的方法为该芯片提供约18.8V的稳定电源电压差值，这样CD4051就可以接受区间9.4V，9.4V内的电压输入。如图，按照从左到右的方向，P、Q间的交变电压（8V8V）和霍尔电流传感器的输出电压（0.5V4.5V）作为两个模拟量输入模拟开关CD4051，该模拟开关的通道选择A、B、C三个引脚分别由单片机P2.7、P2.6、P2.5控制，芯片的启动控制端INH由P2.4控制，是否启动芯片，启动哪一路通过均可在软件中灵活设定。考虑到A/D转换器可承受的模拟信号量程，从模拟开关输出的信号输入AD574A的20VIN端（该端口可接受10V，10V范围内的电压输入），A/D转换器的的引脚已接入高电平，启动芯片后将自动进行12位转换，且转换结果将从芯片的DB0DB11引脚并行输出至单片机的P1.0P1.7和P2.0P2.3引脚。AD574A的三个控制端CE、和分别接入单片机的P3.5、P3.6、P3.7引脚，单片机可对AD574A的片选、启动、读取等功能进行控制。STS作为A/D转换的状态标识，接入单片机的引脚，以中断的方式管理A/D转换在更加方便的同时极大地节约了CPU的资源。CPU采集到一系列数据，经运算处理后由液晶显示出来。最后本套电路还增添了一个开关作为人机交互的通道，这个开关经简单的消抖电路连接至单片机的引脚，用户可藉此自行选择查看测量所得出的电压或电流有效值。此部分电路原理图如图 38所示。图 三8 采样控制电路原理图（四）、 由瞬时值跟踪有效值的理论依据在本系统中，我们先通过快速的A/D转换器得到一连串交流电压和电流的瞬时值，这些离散的模拟信号传给单片机就可以按照以下的公式运算得出离散信号的有效值。上式中，N为整周期倍数的采样点总数，VK为第K次采样值。与传统的模拟电压表测量电压有效值相比，被测电压的瞬时值数据量化更实时准确，而且很容易实现存储、传输、处理等。在对交流电压的测量，根据奈奎斯特采样定理，采样速率必须是信号最高频率的两倍以上，采样频率越高，时间轴上的信号分辨力就越高，所获得的信号就越能反映原始信号的瞬时变化值。电压测量的分辨率取决于A/D采样器件的位数。在实际应用中，A/D转换器处理输出的离散瞬时值可先存储在SRAM中，一段时间后再输入单片机进行运算显示。相关操作均可由软件进行方便地执行。第4章 三相永磁电机功率因数及输入功率的测量方法