1、毕业论文 文客久久 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 感应式工频电流表设计 学 院： 学生姓名： 专 业： 电子信息工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 文客久久 感应式工频电流表 设计 摘要 电流表作为一个常用基本测量仪表，广泛应用于交流电网等环境的测量与维修。目前市场上现有的电流表主要有串入式的和钳形结构的。本设计的感应式工频电流表是针对传统电流表的缺陷不足，基于钳形表的感应式测量原理和便捷性基础上进行的再改进，可以成为一种测量精度不高的新的电流测量仪表结构形式。其主要适 用于单相正弦交流电网的电流测量，只要将探头靠近被测导线就能显示出被测电流值。在外壳材料绝缘能力足够
2、好的情况下，还可以用于高压电网电流的测量。但不宜用于强电磁干扰的环境。 本设计是根据麦克斯韦电磁场理论，导线上交变电流会在周围产生交变的电磁场，采用开放式感应线圈获取载流导线电流产生的磁场信息，即无闭磁路钳口的开放式测量，然后通过低频选频技术，选择有用工频信号进行放大，并通过半波线性整流电路将其转换成直流电压，最终测出相对应电流的峰值，并在显示窗口中实时显示。其结构分为前端探头带有导线定位凹槽环的棒状绝缘外壳、 在铁氧体磁芯上绕制的感应线圈、信号调理电路、电源电路、数值显示电路五部分。在放大信号的同时会对工频信号进行频率选择，确保电路输出的是被测量信息，使电路具备一定的抗干扰能力。被测电流范围
3、为 1A-100A，被测交流电频率为 50-60Hz，测量误差不超过 15%。 关键字： 电磁 感应，工频，电流表，测量 毕业论文 文客久久 Abstract Ammeter as a common measuring instruments are widely used in the measurement and maintenance of the AC power grid and the environment. Available on the market ammeter in series and clamp structure. The design of the indu
4、ctive power frequency current meter for defects of the traditional ammeter, clamp meter to measure the inductive measuring principle and convenient basis for further improvements, you can become a measure of accuracy is not high current measuring instruments structural forms. Mainly applied to the s
5、ingle-phase sinusoidal AC grid current measurement, the probe is close to the conductor under test can show the measured current value. In the case of shell material insulating ability is good enough, but also can be used for current measurement of high voltage power grid. But should not be used in
6、an environment of strong electromagnetic interference. The design of the Maxwell electromagnetic field theory, the wire turned over to the alternating current to alternating electromagnetic field around the open induction coil to obtain the magnetic field generated by current-carrying conductor curr
7、ent information, that a closed magnetic circuit jaws open measurement, and then low-frequency frequency selection technology, choose labor-frequency signal amplification, and by half-wave linear rectifier circuit to convert it into DC voltage, and eventually measure the peak corresponding to the cur
8、rent, real-time display and the display window. Its structure is divided into front-end probe rod insulated shell with a wire positioning groove ring induction coil wound on a ferrite core, signal conditioning circuits, power circuits, numerical display circuit of five parts. Will work while amplify
9、ing the signal frequency signal frequency selection, to ensure that the circuit output is being measured, the circuit with a certain degree of anti-interference ability. Measured currents ranging from 1A-100A, the measured AC frequency 50-60Hz, measurement error does not exceed 15%. Keyword： Electro
10、magnetic induction, Power frequency, ammeter, measure毕业论文 文客久久 目录 前 言 . 1 第 1 章 设计原理 . 2 第 2 章 硬件电路设计 . 4 2.1 方案论证 . 4 2.2 电路设计 . 4 2.2.1 感应探头电路 . 4 2.2.2 信号调理电路 . 6 2.2.3 单片 机显示电路 . 9 2.3 主要元件的选择 .11 2.2.1 MSP430F2013 单片机的功能特性介绍 .11 2.2.2 LM358 的功能特性介 绍 .14 2.2.3 74HC595 的功能特性介绍 .15 第 3 章 软件程序设计 .1
11、6 3.1 程序流程框图 .16 3.2 初始化程序 .16 3.3 看门狗定时中断程序 .18 3.4 AD 采样定时中断程序 .18 3.5 74HC595 串转并驱动程序 .19 第 4 章 实物设计与制作 .20 4.1 实物设计示意图 .20 4.2 实物设计工程制图 .20 4.3 实物设计图 .21 第 5 章 电路调试 .22 5.1 实验数据记录 .22 5.2 数据分析 .23 5.2.1 电流实测分析 .23 5.2.2 LC 谐振特性分析 .23 5.2.3 两级 RC 谐振特性分析 .23 5.2.4 总体谐振特性分析 .24 5.2.5 谐振特性对比分析 .24 小
12、结 .25 致谢 .26 参考文献 .27 附录 1：主原理图 .28 附录 2：显示模块原理图 .29 附录 3：源程序 .30 毕业论文 文客久久 前 言 电流表即安培表，作为一个常用基本测量仪表，可以广泛应用于交流电网等环境的测量与维修。自 改革开放 以 来， 我 国 电力工业迅速发展，电流表的需求日益增强，应用也越来越广。 目前市场上现有的电流 表主要有串入式的和钳形结构的。对于串入式的电流表，要与用电器串联在同一电路中。这种电流表作为电流测量的标准形式，是电流表的主流，在高精度的测量要求中是一种理想的方案。虽然他的测量准确度高，但是相比其他测量方法在使用中存在以下几个主要缺陷： 1.
13、每次都 需要将电路切断后 ， 才能将电流表接入进行测量， 测量前必须要使电路先断电，给测量带来了 麻烦 。而且某些场合不允许这样操作，比如有时 正常运行的电 网就 不允许 随便断电。 2. 串入式测量是一种非隔离式的测量，对于维修人员来说，带有潜在的危险因素，可能会造成一些意外的损伤。例 如，不慎将电流表接在电源的两端，就会造成短路，烧坏电源、电表等意外。 3.由于实际电流表的内阻是不可避免的，故接入电流表后，会对被测电路本身的参数产生一定的变化，特别是低电压电路中测量误差比较明显。 在测量精度要求不高的场合，还有一种操作更方便的钳形电流表用于电流的测量。对于钳形电流表，虽然在测量的方式上比串
14、入式方便，但是用钳形电流表检测电流时 ,一定要将一根被测导线 (电线 )置于钳口之中，被测导线必须是活动的；钳形表的钳口尺寸往往比较大，被测导线需要有足够的活动空间；若夹住电流流向不同的两根导线 (平行线 )则不 能有效检测电流。 钳形电流表是一种闭磁路式的测量仪表。另外，也有过一款开磁路式的电流测量装置的设计，采用的结构是磁饱和铁芯，采用的方法是脉冲调制方式，其结构比较复杂，不便于制作和生产，实用性不强。 针对传统电流表的缺陷不足，本课题设计了一种新型的感应式工频棒状电流表。本设计是基于钳形表测量的感应式测量原理和便捷性基础上进行的再改进，使用中只要贴近被测导线或插入被测导线之间，就可以检测
15、导线上的交流电流值。可以成为一种测量精度不高的新的电流测量仪表结构形式。 本设计的优点： 1.测量时只需将被测导线放入电流表 的环形导线放置凹槽附近就可以测出电流，非常的方便。 2.由于是非接入式，所以非常的安全。不会对被测电路及人员造成意外损伤，用户可以放心的使用。 3.适用于单相正弦交流电网的电流测量，在外壳材料绝缘能力足够好的情况下，还可以用于高压电网电流的测量。 毕业论文 文客久久 第 1 章 设计原理 由毕奥 -萨伐尔定律知：通有稳恒电流 I 长度为 L 的直导线周围会产生磁场，距离导线距离为 r 处 P 点的磁感应强度为： drIB sin421 0 （ 1-1） 其中 0=410
16、-7T/mA，由此得： 210 c o sc o s4 rIB（ 1-2） 图 1 -1 电流周围的电磁场示意图 对于无限长直电流来说，上式中 1=0， 2= ，则有： rIB 40 （ 1-3） 感应磁场的分布是以导线为轴的一系列的同心圆。圆上的磁场强度大小相同，并随着距离导线的半径r 增加成反比下降。由（ 3）式可得：在确定距离导线的半径 r 的情况下，通有稳恒电流的无限长直导线周围的磁场 B 与其电流 I 成正比。 图 1-2 无限 长导线周围的磁场强度 毕业论文 文客久久 基于以上原理，本设计解决其技术问题所采用的技术方案是：根据麦克斯韦电磁场理论，导线上交变电流会在周围产生交变的电磁
17、场。磁场强度与导线中的电流成正比，与距离成反比。采用开放式感应线圈获取载流导线电流产生的磁场信息，然后通过低频选频技术，选择有用工频信号进行放大，并通过半波线性整流电路将其转换成直流电压，最终测出相对应电流的峰值，并在显示窗口中实时显示。 由于被测电流所产生的电磁场较弱，对感应所获得的信号进行放大是必须的。另一方面，被测电流所产生的弱电磁信号容易被干扰，因而在放大信号的同 时需要对工频信号进行频率选择，确保电路输出的是被测量信息。这就是本设计中采用具有抗干扰能力的电信号调理电路的原因，也是本实用新型结构特征之一。选频电路包括 LC 谐振选频和二阶 RC 选频，其中第一级采用 LC 谐振回路选频
18、。这里的电感 L 有磁电转换和谐振选频的双重作用，如果用 0.15mm 漆包线在 9 12mm 的工字形铁氧体磁芯上绕制 300匝，其参数约为 3.0mH/4.5左右。 当然，单独的 3.0mH/4.5电感还是不适合用作 50Hz 交流电路的 LC 谐振选频，因为其品质因数Q 只有 0.02，毫无谐振的意义。并且需要配合的 谐振电容，无实际可行性。 02.05.4 100.35023 RLQ（ 1-4） FFLfC 3 4 0 00 0 3 4.0100.3504 12 1 32222 （ 1-5） 50Hz 频率下的谐振电感的电感量需要更大。开磁路形式是基本条件，要增加电感量必须增加绕组匝数
19、，但增加绕组匝数又会增加电感内阻，并且磁芯绕制线圈的空间有限，不可能无限制地增加线圈匝数。完全采用导线绕制的方式制作电感，品质因数难以提高。要使谐振回路的品质因数提高，起码达到 5.0 以上，还需要调理电路的配合。因此，本实用新型以绕线电感与模拟电感叠 加的方式实现谐振，其中绕线电感只用于感应磁场信号产生电压，谐振所需的电感量主要依靠模拟电感提供。既达到了理论要求的电感量，又缩小了电流表的体积，使其更加轻巧，美观。 谐振电感的电感量可以有很大的变化范围，如果用 0.15mm 漆包线在 9 12mm 的工字形铁氧体磁芯上绕制 450 匝，其电感量约为 7.7mH，内阻约 7。也可以是其他参数值，
20、只要与谐振电容、调理电路配合好即可。 另外，由于本设计技术方案是采用感应的方式，而电流感应信号的强弱不仅取决于被测量电流的大小，还取决于探测头与被测导线的相对位置、相对距离的大小 。为了尽量使感应获得的信号只与被测电流大小基本成单一关系，必须确定被测导线位置。对于被测量导线的定位也是进行正确测量的基本条件。本工频交流电流测量棒的前端设有被测导线定位凹槽环，就是基于这一因素的考虑，提高测量的准确性。毕业论文 文客久久 第 2 章 硬件电路设计 2.1 方案论证 目前市场上使用的电流表有多种形式，指针式电流表，数字电流表，钳形电流表等，电流表的主要功能都是测量交流或直流电流的大小，但设计方案却不尽
21、相同。在此举例几种常见的电流表实现方案。 方案一：传统指针式电流表是根据通电导体在磁场中受磁场力的作用而制成的。电 流表内部有一永磁体在极间产生磁场，在磁场中有一个线圈，线圈两端各有一个游丝弹簧，弹簧各连接电流表的一个接线柱，在弹簧与线圈间由一个转轴连接，在转轴相对于电流表的前端，有一个指针。当有电流通过时，电流沿弹簧、转轴通过磁场，电流切磁感线，所以受磁场力的作用，使线圈发生偏转，带动转轴、指针偏转。由于磁场力的大小随电流增大而增大，所以就可以通过指针的偏转程度来观察电流的大小。 方案二：钳形电流表是由电流互感器和电流表组合而成的。电流互感器是依据电磁感应原理，可以把数值较大的一次电流通过一
22、定的变比转换为数值较小的二次 电流。当被测电路的导线穿过铁心时就成为电流互感器的一次线圈，在二次线圈中会感应出电流，这样与二次线圈相连接的电流表便有所指示，测出被测线路的电流。 本设计的感应式工频电流表的实现方案，也是基于电磁感应原理，采用开放式感应线圈获取载流导线电流产生的磁场信息，即无闭磁路钳口的开放式测量，然后通过低频选频技术，选择有用工频信号进行放大，并通过半波线性整流电路将其转换成直流电压，最终测出相对应电流的峰值，并在显示窗口中实时显示。设计方案总体框图如 图 2-1 所示： 图 2-1 设计方案总体框图 2.2 电路设计 2.2.1 感应探头电路 本设计的感应探头，是采用 LC
23、选频电路无闭磁路钳口的开放式测量，只要将探头靠近被测导线就能显示出被测电流值。该 LC 选频电路的电感 L 是通过用一个铁氧体磁性绕制工字型电感和一个基于回旋器的模拟电感串联而成。通过电感 L1，电容 C2 构成了 LC 选频电路，对工频信号进行选频，使系统具有一定的抗干扰能力。 时钟 复位 信号调理电路 感应探头 单片机 电源模块 显示屏 毕业论文 文客久久 图 2-2 LC 选频电路 （ 1） LC 谐振电路 LC 谐振回路，若使谐振频率为 50Hz，带宽定为 5Hz。则 谐振回路的品质因数 Q 为： 105500 ffQ （ 2-1） 回路电阻 R 设为 4.7k，可以算出所需的电感量为
24、： HQfRL 96.010502 1032 310 （ 2-2） 与之相配的谐振电容 C 容量为： FLfC 322202 1056.1096.0504 14 1 （ 2-3） （ 2）模拟电感 所谓模拟电感器，就是将电路中每个电感用一个综合电路来代替。 本设计使用的模拟电感是回转器电容对实现的有源电感。如图 2-6 所示 ，为利用回转器电容实现的有源模拟电感，它使用了运放 A1、 A2、 六个电阻 R 和一个电容来实现 回转器可把一个端口的电流 “回转”为另一端口的电压 ,或者反之。 利用它的这种性质就可以把一个电容元件 “回转” 成一个电感元件。 毕业论文 文客久久 图 2-3 利用回转
25、器电容实现有源模拟电感 从图 2-3 中可见 , A1 为同相比例运算电路 , iUU 201 由于运放工作在线性区有虚短和虚 断特性则： RUUUU 020001 R （ 2-4） iUUU 22 002 （ 2-5） 又因为： RUR UUUUIII ii 001i021 R （ 2-6） RUR UUUUIII i 0i020130 R（ 2-7） 从 （ 2-6）和（ 2-7） 式中可知 : iRIU 0 , 0RIUi 。它确实是一个回转器。回转电阻 r= R ,电路输入阻抗 : Cjw RI RRIjw CI Rjw C UI RIUjwZ i iiiii 200i )(I)( （
26、 2-8） 从 （ 2-8） 式中可见 : CR L 2 它证实了回转器确实可以将一个电容元件 “回转” 成 一个电感元件。 1 2.2.2 信号调理电路 信号调理电路是对检测到的信号进行滤波放大与整形，达到单片机可以识别的要求。主要由两部分组成：二阶 RC 选频放大电路，线性整流滤波电路。 （ 1）二阶 RC 选频放大电路 本设计的二阶 RC 选频放大电路，实质上是两个二阶有源带通滤波电路串联构成的。为了与前面电路的感应探头 LC 谐振电路的 Q 值相匹配，希望 RC 选频放大电路的 Q 值也可以达到 10。而单个二阶有源带通滤波电路的 Q 值设定为 10 时，容易产生自激振荡，无实际可行性。为解决此问题，本设计采用了两个 RC 选频放大电路，即达到了 Q 值的要求，又得到一个稳定的电路系统。电路如图 2-4 所示：
