基于單片機的電量檢測畢業(yè)設計論文

1、山東理工大學電氣與電子工程學院課程設計說明書設計題目基于單片機的電量檢測設計（一）專業(yè)班級級：學生姓名名：學 號 號：指導教師師：起止日期期： 摘要隨著電力系統(tǒng)電量的日益擴大和電壓運行等級的不斷提高，傳統(tǒng)的電量檢測系統(tǒng)暴露出越來越多的缺點，難以滿足現(xiàn)代電網(wǎng)向自動化、數(shù)字化發(fā)展的需要。本文首先系統(tǒng)的闡述瞬時無功功率理論計算方法，其中由瞬時有功功率和無功功率、瞬時有功電流和無功電流和瞬時無功功率理論和傳統(tǒng)功率理論比較三部分組成；其次概述了霍爾傳感器的工作原理和各項工作技術(shù)指標；最后，簡單介紹本次設計硬件系統(tǒng)的設計方案，其中包括控制電路、單片機at89c51的選擇、adc0809模數(shù)轉(zhuǎn)換部分、獨立式

2、按鍵鍵盤輸入部分、led靜態(tài)顯示部分方面的設計。由于本人能力有限沒能很好的完成軟件部分的設計以及仿真，這成為本次設計的一個很大的遺憾。關(guān)鍵詞 瞬時無功功率理論 霍爾傳感器 at89c51 adc0809 summarywith the growing electricity power system and the increasing level voltage operation, the traditional power detection system exposes more and more shortcomings, it is difficult to meet the mo

3、dern grid automation, digitization development needs. this article first systematic exposition of the instantaneous reactive power theory calculation method in which the instantaneous active and reactive power, the instantaneous active current and reactive current and instantaneous reactive power th

4、eory and the traditional theory of comparative power of three parts; followed by an overview of the hall sensor works and technical specifications of the work; finally, a brief introduction of this design of the hardware system design, which includes a control circuit, chip microcomputer at89c51 cho

5、ice, adc0809 analog-digital conversion part, stand-key keyboard input section, led static display some aspects of the design. since i could not very well limited ability to complete the software part of the design and simulation, which became this design a lot of regret.keywords instantaneous reacti

6、ve power theory hall sensor at89c51 adc0809 目錄中文摘要 i 英文摘要 ii1 緒論 1 2 瞬時無功功率理論 2 2.1瞬時有功功率和無功功率 2 2.2瞬時有功電流和無功電流 4 2.3瞬時無功功率理論和傳統(tǒng)功率理論比較 53 霍爾電量傳感器 7 3.1 概述 7 3.2 霍爾電量傳感器的工作原理 8 3.3 霍爾傳感器的優(yōu)點 94 硬件系統(tǒng)的設計 9 4.1 硬件框圖 9 4.2 控制電路的設計 10 4.2.1單片機的選擇 10 4.2.2模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的設計 11 4.3 鍵盤輸入部分 12 4.4 led的靜態(tài)顯示方式 125 參考文獻 1

7、26 結(jié)束語 137 致謝 138 設計總結(jié) 15 1 緒論近二十年來，以計算機科學，信息學，生命科學為代表的各門新興學科的迅猛發(fā)展，極大限度的刺激了全球經(jīng)濟的發(fā)展，在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，電能是人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)中的重要能源之一，在現(xiàn)代社會中起著越來越重要的作用，而電壓、電流是其中最關(guān)鍵的兩個因素，是否準確的測量電壓、電流對我們的生活和生產(chǎn)有著至關(guān)重要的影響，特別是電工和電力系統(tǒng)等領(lǐng)域經(jīng)常要對交流電量進行采樣測試以了解工作電壓或整個電網(wǎng)的工作情況

8、。本文的主要內(nèi)容是基于單片機的電量檢測，共由三部分組成。第一部分主要講的是關(guān)于有功功率，無功功率和功率因數(shù)的計算方法。這一部分系統(tǒng)的闡述如何推導計算方法，以及與傳統(tǒng)計算方法之間的差異，最后通過數(shù)學方法的變換，計算得出與傳統(tǒng)的計算理論相比，其結(jié)果是一樣的。如此一來，為我們選擇基于霍爾變換的計算方法提供了強有力的理論支持。同時在我們選擇這種方法時，運用單片機進行模擬測量時可以很大程度節(jié)約時間，同時符合計算機語言的要求。第二部分主要講的是霍爾傳感器的相關(guān)知識。這一部分比較全面的介紹了霍爾傳感器的工作原理、分類以及其優(yōu)點。通過對其使用范圍以及優(yōu)點的比較，決定使用霍爾傳感器來收集電壓、電流。第三部分主要

9、講硬件系統(tǒng)方面的的設計，包括單片機的選擇、獨立式按鍵鍵盤以及靜態(tài)led顯示等等。 2 瞬時無功功率理論三相電路瞬時無功功率理論由s.fryze、w.quade和akagi（赤木泰文）等先后提出，隨后得到廣泛深入研究并逐漸完善。該理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，系統(tǒng)的定義了瞬時無功功率、瞬時有功功率等瞬時量，以該理論為基礎(chǔ)，可以得出用于有源電力補償器的諧波和無功電流實時檢測方法。此方法在工程應用中受到極大的關(guān)注。 2.1瞬時有功功率和無功功率 該三相平衡電路各項電壓電流的瞬時值分別為、和。為了分析問題方便，把他們變換到兩相正交的坐標系上，經(jīng)變換可以得到、兩相瞬時電壓和兩相瞬時電流，即

10、（1） （2）式中 在如圖（1）所示平面上，矢量和分別可以合成為（旋轉(zhuǎn)）電壓矢量u和電流矢量i（實際上矢量和分別為u和i在軸和軸的投影），即 （3） （4）式中u、i 矢量u、i的模； 、分別為矢量u、i的幅角。根據(jù)式（1）和式（2）引入瞬時有功功率和瞬時無功功率，有 （5） （6）式（5）和式（6）寫成矩陣形式為 （7）式中 把式（1）、式（6）代入上式，可得出p、q對于三相電壓、電流的表達式 （8） （9） 從式（8）可以看出，三相電路瞬時有功功率就是三相電路的瞬時功率。由式（7）可得 （10） 由此可將和作出含有p、q項的分解。如果不做變換，在有中線電流的情況下，三相有3個獨立電流分量和

11、，就不能唯一確定地將三相電流作出含有p、q項的分解，這就是為什么要作變換來分析的一個原因。2.2瞬時有功電流和無功電流定義 三相電路瞬時有功電流和瞬時無功電流分別為矢量i在矢量u及其法線上的投影，即 （11a） （11b） 式中 定義 、 相的瞬時無功電流（瞬時有功電流），為三相電路瞬時無功電流（瞬時有功電流）分別在（、）軸上的投影，即瞬時有功電流的分量 （12a）瞬時有功電流的分量 （12b）瞬時無功電流的分量 （12c）瞬時無功電流的分量 （12d） 2.3瞬時無功功率理論和傳統(tǒng)功率理論比較傳統(tǒng)意義上的有功功率、無功功率等是在平均值基礎(chǔ)上定義的，而瞬時無功功率理論中的概念，都是在瞬時值的基

12、礎(chǔ)上定義的。瞬時無功功率理論中的概念，在形式上和傳統(tǒng)理論非常相似，可以看成是傳統(tǒng)理論的推廣和延伸。下面分析三相對稱電壓和電流均為正弦波時的情況，設三相電壓、電流分別為 （13a） （13b） （13c） （14a） （14b） （14c）利用式（1）和式（2）對上兩式進行變換，可得 （15） （16） 式中 ， 把式中（15）和式（16）代入式（7）中可得 （17a） （17b） 令 、 分別為相電壓和相電流的均方根值，得 （18） 從式（18）中可以看出，在三相電壓和電流均為正弦波時，p、q為常數(shù)，且其值和按傳統(tǒng)理論算出的有功功率p和無功功率q完全相同。把式（15）和式（16）代入式（12）

13、中可得相的瞬時有功電流和瞬時無功電流，即 （19） 比較式（19）和式（16）可以看出，相的瞬時有功電流和瞬時無功電流表達式與傳統(tǒng)功率理論的瞬時值表達式完全相同。對于 相及三相中的a、b、c各相也能得到同樣的結(jié)論。 由上面的分析不難看出，瞬時無功功率理論包容了傳統(tǒng)的無功功率理論，比傳統(tǒng)理論有更大的適用范圍。 綜上所述，不難看出這種測量法法較實用，所以應該選擇這種方法。3 霍爾電量傳感器 3.1 概述 霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器?；魻栃谴烹娦囊环N，這一現(xiàn)象是霍爾（a.h.hall，18551938）于1879年在研究金屬的導電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導體、導電流體等也有

14、這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面?；魻栃茄芯堪雽w材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。 霍爾傳感器分為線型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。 （一）開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。開關(guān)型霍爾傳感器還有一種特殊的形式，稱為鎖鍵型霍爾傳感器。 （二）線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。線性霍爾傳感器又可分為開環(huán)式和閉環(huán)式。閉環(huán)式霍爾傳

15、感器又稱零磁通霍爾傳感器。線性霍爾傳感器主要用于交直流電流和電壓測量。. 3.2霍爾電量傳感器的工作原理 由霍爾效應的原理知，霍爾電勢的大小取決于：rh為霍爾常數(shù)，它與半導體材質(zhì)有關(guān)；ic為霍爾元件的偏置電流；b為磁場強度；d為半導體材料的厚度。對于一個給定的霍爾器件，當偏置電流ic固定時，將完全取決于被測的磁場強度b。 圖 霍爾效應 一個霍爾元件一般有四個引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置電流ic的輸入端，另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構(gòu)成外回路，就會產(chǎn)生霍爾電流。一般地說，偏置電流的設定通常由外部的基準電壓源給出；若精度要求高，則基準電壓源均用恒流源取代。為了達到高的靈敏度，有的霍

16、爾元件的傳感面上裝有高導磁系數(shù)的坡莫合金；這類傳感器的霍爾電勢較大，但在0.05t左右出現(xiàn)飽和，僅適用在低量限、小量程下使用。 在半導體薄片兩端通以控制電流i，并在薄片的垂直方向施加磁感應強度為b的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為uh的霍爾電壓。 3.3 霍爾傳感器的優(yōu)點 采用霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器對電流和電壓進行數(shù)據(jù)采集。 1、霍爾傳感器可以測量任意波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至對瞬態(tài)峰值的測量。副邊電流忠實地反應原邊電流的波形。而普通互感器則是無法與其比擬的，它一般只適用于測量50hz正弦波； 2、原邊電路與副邊電路之間有良好的電氣隔離，隔

17、離電壓可達9600vrms； 3、精度高：在工作溫度區(qū)內(nèi)精度優(yōu)于1%，該精度適合于任何波形的測量； 4、線性度好：優(yōu)于0.1%； 5、寬帶寬：高帶寬的電流傳感器上升時間可小于1s；但是，電壓傳感器帶寬較窄，一般在15khz以內(nèi)，6400vrms的高壓電壓傳感器上升時間約500us，帶寬約700hz。 6、測量范圍：霍爾傳感器為系列產(chǎn)品，電流測量可達50ka，電壓測量可達6400v。4 硬件系統(tǒng)的設計 4.1 硬件框圖 圖4-1 硬件框圖 本設計是at89c51單片機控制的電量檢測系統(tǒng)。其工作原理是：先由電量傳感器采集數(shù)據(jù)，啟動ad轉(zhuǎn)換，后將數(shù)據(jù)讀入單片機中進行運算并顯示，即由數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析

18、和數(shù)據(jù)處理三部分完成。本設計中，控制系統(tǒng)的控制器有單片機at89c51為核心，系統(tǒng)采用霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器對電流和電壓進行數(shù)據(jù)采集，并輸出標準電流4ma20ma。at89c51單片機控制ad0809進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機的運算，輸出結(jié)果，并把結(jié)果在4位8段數(shù)碼管上顯示。4.2 控制電路的設計 4.2.1單片機的選擇 20世紀80年代以來，單片機的發(fā)展非常迅速，就通用單片機而言，世界上一些著名的計算機廠家已經(jīng)投放市場的產(chǎn)品就有50多個系列，數(shù)百個品種。盡管單片機的品種很多，但是在我國使用最多還是intel公司的mcs-51系列單片機和美國amtel公司的89c51單片機。 89c

19、51單片機是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機。89c51是一種帶2k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的89c51是一種高效微控制器，89c2051是它的一種精簡版本。89c51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活

20、性高且價廉的方案。所以采用此單片機較好。 4.2.2模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的設計 轉(zhuǎn)換器的種類繁多，工作原理各異，但逐次比較型轉(zhuǎn)換器是應用較多的類型之一，其原因是該類型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快、精度高。因此本次設計選用一款逐次比較型轉(zhuǎn)換器adc0809. adc0809是8位逐次逼近型轉(zhuǎn)換器，它由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存譯碼器、一個轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當oe端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 adc0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)（左）和引腳圖（右） 4.3 鍵盤輸入部分 獨

21、立式按鍵就是各按鍵相互獨立，每個按鍵各接入一根輸入線，一根輸入線上的安檢工作狀態(tài)不會影響其他輸入線的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個按鍵按下了。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件簡單，但每個按鍵需要占用一個輸入口線，在按鍵數(shù)量較多時，需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。 在此系統(tǒng)中，查看電壓、電流只需要兩個按鍵，比較簡單，所以就采用獨立式按鍵接口電路。 4.4 led顯示部分 led顯示器工作于靜態(tài)顯示方式時，各位的共陰極或共陽極連接在一起并接地（或+5v）；每位的段選碼（ad p）分別與一個8位的鎖存器輸出相連，所以稱為靜態(tài)顯示

22、。各個led的顯示字符一經(jīng)確定，相應鎖存器的輸出將維持不變，知道顯示另一個字符為止。也正因為如此，靜態(tài)顯示器的亮度都較高。這種顯示方式接口編程容易，付出的代價是占用口線較多，若用io接口，則要占用4個8位口，若用鎖存器接口，則要4片7hc595芯片。如果顯示器位數(shù)較多，則靜態(tài)顯示方式更是無法適應，因此在顯示位數(shù)較多的情況下，一般都采用動態(tài)顯示方式。由于本系統(tǒng)只涉及到4位顯示輸出，就采用了4片8位移位寄存器串級使用的led靜態(tài)顯示方式。5 參考資料 1、于永等, 51單片機c語言常用模塊與綜合系統(tǒng)設計實例精講,電子工業(yè)出版社 2、田立等, 51單片機c語言程序設計快速入門,人民郵電出版社 3、何

23、立民, 單片機應用系統(tǒng)設計,北京航空航天大學出版社 4、戴佳等, 51單片機c語言應用程序設計實例精講,電子工業(yè)出版社 5、姜志海等，單片機微型計算機原理及應用，電子工業(yè)出版社 6、萬隆等，單片機原理與實例應用，清華大學出版社 7、黃智偉，全國大學生電子設計競賽系統(tǒng)設計，北京航天航空大學出版社6 結(jié)束語 課程設計終于做完了，本次設計內(nèi)容對我來說是個不小的挑戰(zhàn)，雖然之前也做過課程設計，但是沒有像這次這樣做一個這么系統(tǒng)，幾乎涵蓋所有所學知識的設計任務。剛拿到題目之后，滿腦子都是問號，不知從何處下手，但是通過老師對題目的詳細講解，以及自己與同學之間的激烈討論，查閱相關(guān)資料，總算找到了突破點。通過此次的課程設計，使我對單片機、傳感器等有了更深一層的了解，真正做到了學有所用，理論結(jié)