2017年8月全國大學(xué)生電子設(shè)大賽之單相用電器分析監(jiān)測裝置(方案報告含程序)

1、2017 年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽單相用電器分析監(jiān)測裝置（k 題）【本科組】2017年 8月 12日摘要： 本設(shè)計以互感器做為監(jiān)測中心，運用ADC0809實現(xiàn)數(shù)模（A / D ）轉(zhuǎn)換。利用單片機做為控制中心并進行邏輯運算處理數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)單相用電器分析監(jiān)測。本設(shè)計用于測試并儲存各單件電路在各種狀態(tài)下用于識別電器并顯示出用電器的工作狀態(tài)。電路中有用電器工作時，互感器產(chǎn)生互感電壓經(jīng)過整流降壓之后將數(shù)字信號轉(zhuǎn)入ADC0809中，ADC0809將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號轉(zhuǎn)給單片機進行處理，最后節(jié)果顯示于顯示頻上。特點：本產(chǎn)品是根據(jù)互感電路的方式來實現(xiàn)電流的檢測，它結(jié)構(gòu)簡單可靠，壽命較長，價格較低，便于維

2、護。關(guān)鍵詞：單相檢測互感器檢測用電器監(jiān)測第 7 頁 共 19 頁1 方案的選擇與設(shè)計原理 31.1 方案的比較與選擇 31.2 方案設(shè)計 32 檢測電路設(shè)計及理論分析 42.1 檢測電路設(shè)計 42.2 特征參量設(shè)計 52.2.1 設(shè)計要求及思路 52.2.2 參量設(shè)計 53 硬件電路設(shè)計與程序設(shè)計 63.1 硬件電路設(shè)計 63.1.1 檢測整流電路 64 測量結(jié)果分析 7附件1：電路總圖 9附件2：調(diào)試結(jié)果圖 111 方案的選擇與設(shè)計原理1.1 方案的比較與選擇方案一：串電阻檢測電流可以選擇一個0.5 歐的精密電阻，連接到電路中用差分放大電路采集電阻的電壓差，對電壓差放大求出電流，這種做法可以

3、實現(xiàn)測電流但是誤差比較大。優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)清晰，成本低，實時性好，精度較高。缺點：溫漂較大，測量誤差較大，無隔離效果，量程較大時，需要分多個擋來處理結(jié)果，容易受地的干擾。方案二：霍爾電流傳感器測量電流輸入為電流輸出為電壓，測量結(jié)果精度和線性度都比較高，測量范圍有一定的限制。使用ACS712芯片電路比較簡單，測量的電流范圍較大。相比于ACS712電路比較簡單，MAX471不用外加電源供電，但是電流測量范圍只在03A。該電流測量范圍不符合監(jiān)測基本要求。方案三：電流互感器檢測電流理想電流互感器兩側(cè)的額定電流大小和它們的繞組匝數(shù)成反比。并且常數(shù)為K。K=I1/I2=N1/N2電流互感器的一次電流取決于一

4、次性電路的電壓和阻抗。電流互感器的工作狀態(tài)接近于短路狀態(tài)。因此對電能的消耗量較小。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單可靠，壽命較長，便于維護。價格較低。缺點：不能用于高頻檢測，但可用于市區(qū)電檢測。綜合三個方案，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，方案三更適合用于單相用電器分析監(jiān)測，故采用方案三。1.2 方案設(shè)計運用電流互感器檢測電路中的電流，利用整流電路將220v 交流電轉(zhuǎn)化為直流電實現(xiàn)單相用電器分析監(jiān)測。采用大規(guī)模集成電路ADC0809實現(xiàn)數(shù)模（A / D ）轉(zhuǎn)換 , 就是把模擬量信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量信號。數(shù)字信號傳入單片機進行數(shù)據(jù)處理及控制，然后通過顯示屏顯示具體的電流值及各電性參數(shù)。能達到理想精確值。工作流程圖2 檢測電路設(shè)計及

5、理論分析顯示屏2.1 檢測電路設(shè)計見圖一：檢測電路當一次繞組中有電流1 I 通過時， 一次繞 組 的 磁 動 勢 11 產(chǎn)生的磁通絕大部分通過鐵芯而閉合，從而在二次繞組中感應(yīng)出電動勢2E。如果二次繞接有負載，那么二次繞組中就有電流2I 通過，有電流就有磁動勢，所以二次繞組中由磁動勢2 2I 產(chǎn)生磁通，這個磁通絕大部分也是經(jīng)過鐵芯 而 閉 合 。 因 此 鐵 芯 中 的 磁 通 是 由 一 、 二 次 繞 組 的 磁 動 勢 共 同 產(chǎn) 生 的合 成 磁 通 為主磁通。根據(jù)磁動勢平衡原理可以得到I1N1+I2N2=I10N1I10N1勵磁動勢。電流互感器兩側(cè)的額定電流大小和它們的繞組匝數(shù)成反比。

6、并且常數(shù)為K。K=I1/I2=N2/N1運用電流互感器檢測電路中的電流、功率和電能大小。2.2 特征參量設(shè)計2.2.1 設(shè)計要求及思路設(shè)計要求：電路電流范圍0.005 10.0A。設(shè)計思路：由互感器測量電流值（運用K=I1/I2=N2/N1 ），運用整流電路將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，再采用大規(guī)模集成電路ADC0809實現(xiàn)數(shù)模（A / D ）轉(zhuǎn)換 , 把模擬量信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量信號。數(shù)字信號傳入單片機進行數(shù)據(jù)處理，然后通過顯示屏顯示具體的電壓值和電流值及各電性參數(shù)。2.2.2 參量設(shè)計所使用的互感器的匝數(shù)比為I1/I2=N2/N1=850/10半波整流電路由于二極管的單向?qū)щ娮饔? 使流過負載電

7、阻的電流為脈動電流, 電壓也為一單向脈動電壓, 其電壓的平均值（輸出直流分量）為流過負載的平均電流為流過二極管D的平均電流（即正向電流）為加在二極管兩端的最高反向電壓為由于傳入ADC0809的基準電壓UREF 5V，因此利用電阻降壓到5V。輸出電壓公式D U IN 256U其中： U IN 為輸出電壓；U REF 為基準電壓；D為輸出二進制代碼對應(yīng)的十進制數(shù)，該路模擬電壓轉(zhuǎn)換為8 位二進制代碼。3 硬件電路設(shè)計與程序設(shè)計3.1 硬件電路設(shè)計3.1.1 檢測整流電路見圖二：檢測整流電路互感器將一次系統(tǒng)的高電壓，大電流變換為二次測的低電壓（標準值）， 小電流 （標準值），使測量，計量儀表和繼電器等

8、裝置標準化，小型化，并降低了對二次設(shè)備的絕緣要求。采用整流電路具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟?，將正負交替的正弦交流電整流成為單向的脈動電，再用濾波器將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除。在自動測量和控制系統(tǒng)中，利用濾波電路進行模擬信號的處理，用于數(shù)據(jù)傳送，抑制干擾。利用78LDS和電阻對直流電進行降壓，穩(wěn)壓得到理想的直流電。選用ADC080，單片機9AT89C513.1.2 數(shù)模（ A / D ）轉(zhuǎn)換電路圖見附件 2 數(shù)模（ A / D ）轉(zhuǎn)換電路圖3.1.3 模數(shù)（A / D ）轉(zhuǎn)換原理數(shù)模（ A / D ）轉(zhuǎn)換 , 就是把模擬量信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的

9、數(shù)字量信號。3.1.4 單片機AT89C51電路設(shè)計見圖三：單片機AT89C51電路單片機是由運算器，控制器，主要寄存器組成。具有執(zhí)行各項邏輯運算，指令控制等功能。運用單片機處理數(shù)據(jù)信息及調(diào)控顯示時 間。3.2 程序設(shè)計見附件 34 測量結(jié)果分析測量列表 : 頻率為 5.5KHZ用電器電流電壓范圍 （V）二進制代碼顯示用電器最大值最小值機頂盒0.002mA0.2200.20200001011The set top box無線路由器0.002mA0.2590.24100001101routerUSB充電器（帶負載）0.004mA0.5810.56400011110Usbcharger熱水壺6.5

10、5A4.674.6411110110The waterneater電風(fēng)扇0.19A0.5070.50200011010Electricfan存在測量誤差：由于使用不同的測量電器其內(nèi)阻不同。因此所得到的電壓值范圍有所偏移。碼從而識別用電器類型。通過顯示器直接顯示電源線上的電特征參數(shù)，電器的種類及其工作狀態(tài)。隨機增加用電器（電風(fēng)扇，USB充電器（帶負載）和熱水壺同時使用），可以實時指示用電器的類別和工作狀態(tài)。用電阻自制一件最小電流的用電器，可以識別的最小電流值為0.001mA。參考文獻：1 余孟嘗. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程（第三版）高等教育出版社2006年7月2 楊素行. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教

11、程（第三版）高等教育出版社2006年5月3 侯殿有 . 單片機C語言程序設(shè)計北京：人民郵電出版社2010年 11 月4 孫煥銘 .51 單片機 C程序應(yīng)用實例詳解北京航空航天大學(xué)出版社2011 年 3 月第 # 頁 共 19 頁附件1：電路總圖第 11 頁 共 19 頁見圖一：檢測電路見圖二：檢測整流電路附件2：調(diào)試結(jié)果圖見圖三：單片機AT89C51電路圖附件 2：數(shù)模（ A / D ）轉(zhuǎn)換電路圖第 15 頁 共 19 頁程序附錄:#include#include #include #include #define uint unsigned int#define uchar unsigned

12、 charsbit ST=P30;sbit OE=P31;sbit EOC=P32;sbit CLK=P33;sbit lcdrs=P20;sbit lcdrw=P21;sbit lcden=P22;void delayms(uint z);/ 延時 1ms 函數(shù)uint ADC_convert(); /ADC 轉(zhuǎn)換void init();/液晶初始化void write_com(uchar com);/1602 寫指令void write_date(uchar date); /1602 寫數(shù)據(jù)void Refresh_show(); / 刷新顯示void LCD_display(uchar

13、*str); / 輸出字符串uint dat_adc0808;uchar display_buffer16=Current voltage:, (vol)=0.00V ;uchar code table1= no Electric ;/14uchar code table2= JIAN CE DIAN LU ; /11uchar code table3=i=2mA Router ;uchar code table4=i=4mA USB charger;uchar code table5=i=190mA Ele FAN ;uchar code table6=i=40mA LED Light;uc

14、har code table7=i=6600mA W-Herter;/*& 向 1602 寫指令函數(shù)&*/void write_com(uchar com)lcdrs=0;lcdrw=0;lcden=0;P1=com;delayms(5);lcden=1;delayms(5);lcden=0;/*& 向 1602 寫指令結(jié)束&*/*%向 1602 寫數(shù)據(jù)函數(shù)%*/void write_date(uchar date)lcdrs=1;lcdrw=0;lcden=0;P1=date;delayms(5);lcden=1;delayms(5);lcden=0;/*%向 %1602 寫數(shù)據(jù)結(jié)束%*/*

15、液晶初始化*/void LCD_init()uchar num;write_com(0x38); / 初始化 顯示模塊設(shè)置write_com(0x0c); / 顯示光標write_com(0x06); / 當讀或?qū)懸粋€字符后地址指針加1 ，且光標加1write_com(0x01); / 顯示清屏write_com(0x80); / 不顯示光標for(num=0;num10;num+)/ 顯示 table1= POWER SOURCE 有十四個字write_date(table1num);delayms(10);write_com(0x80+0x40);/指針設(shè)置這里讓他第二行開始顯示for(n

16、um=0;num16;num+) / table2= welcome ;/11write_date(table2num);delayms(10);第 23 頁 共 19 頁/*液晶初始化結(jié)束*/模數(shù)轉(zhuǎn)換并用于顯示顯示*/* uint ADC_convert() while(1)ST=0;ST=1;ST=0;while(1)CLK=!CLK;if(EOC=1)break;/等待轉(zhuǎn)換結(jié)束OE=1;dat_adc0808=P0;OE=0;return dat_adc0808 ;/* 模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束*/*& 刷新顯示函數(shù)&*/void Refresh_show()uint t=dat_adc0808*5

17、00.0/ 256;display_buffer17=t/100+0;display_buffer19=t/10%10+0;display_buffer110=t%10+0;/*& 刷新顯示函數(shù)結(jié)束&*/*lcd顯示字符串*/void LCD_display(uchar *str) uchar i;for (i=0;i0;x-) for(y=125;y0;y-);/*# 延時 1ms 子函數(shù)結(jié)束#*/void main()uchar num;LCD_init();while(1)ADC_convert();Refresh_show();write_com(0x80);LCD_display(d

18、isplay_buffer1);Refresh_show();delayms(5);write_com(0xC0);if(display_buffer17=48)&(display_buffer19=50)&(display_buffer110=51)|(display_buffer110=52)|(display_buffer110=53)|(display_buffer110=54) for(num=0;num16;num+)/ 顯示 write_date(table3num);delayms(20); if(display_buffer17=48)&(display_buffer19=53)&(display_buffer110=53)|(display_buffer110=54)|(display_buffer110=55)|(display_buffer110=56)|(display_buffer110=57) for(num=0;