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

1、2017年全國大學生電子設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：本設計以互感器做為監(jiān)測中心，運用ADC080就現(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ADC080井，ADC0809等數(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，便于維護。關(guān)鍵詞：單相檢測

2、互感器檢測用電器監(jiān)測目錄1方案的選擇與設計原理31.1 方案的比較與選擇31.2 方案設計32檢測電路設計及理論分析42.1 檢測電路設計42.2 特征參量設計52.2.1 設計要求及思路52.2.2 參量設計53硬件電路設計與程序設計63.1 硬件電路設計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方案的選擇與設計原理1.1 方案的比較與選擇方案一：用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：

3、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ACS712E片電路比較簡單，測量的電流范圍較大。相比于ACS71皿路比較簡單，MAX47儕用外加電源供電，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

4、：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ADC080縱現(xiàn)數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換，就是把模擬量信號轉(zhuǎn)換成對應的數(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檢測電路設計及理論分析2.1 檢測電路設計見圖一：檢測電路當一次繞組中有電流1I通過時，一次繞組的磁動勢11產(chǎn)生的磁

5、通絕大部分通過鐵芯而閉合，從而在二次繞組中感應出電動勢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22I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。并且常數(shù)為KoK=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 特征參量設計2.2.1 設計要求及思路設計要求：電路電流范圍0.00510.0A。設計思路：由互感器測量

6、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ADC080就現(xiàn)數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換，把模擬量信號轉(zhuǎn)換成對應的數(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%=上£砧神履雙砧）.2個£。我三0.4兄%n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

7、高反向電壓為由于傳入ADC0809勺基準電壓Ue5V,因此利用電阻降壓到5V。輸出電壓公式DU|N256UREF其中：UIN為輸出電壓；Uref為基準電壓；D為輸出二進制代碼對應的十進制數(shù)，該路模擬電壓轉(zhuǎn)換為8位二進制代碼。3硬件電路設計與程序設計3.1 硬件電路設計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裝置標準化，小型化，并降低了對二次設備的絕緣要求。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

8、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78LDSffi電阻對直流電進行降壓，穩(wěn)壓得到理想的直流電。選用ADC0809單片機AT89C513.1.2 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)換成對應的數(shù)字量信號。3.1.4 單片機AT89C51電路設計見圖三：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)控顯示時問。3.2 程序設

9、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0.002mA0.2200.20200001011Thesettopbox無線路由器0.002mA0.2590.24100001101routerUS斑電器（帶負載）0.004mA0.5810.56400011110Usbcharger熱水壺6.55A4.674.6411110110Thewaterneater電風扇0.19A0.5070.50200011010Electricfan存在測量誤差：由于使用不同的測量電器具內(nèi)阻不同。因此所得到的電壓值范圍有所偏移。數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換得

10、到二進制代碼，經(jīng)過單片機控制響應時間不大于2,及識別代第7頁共19頁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)基礎簡明教程（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程序應用實例詳解北京航空航天大學出

11、版社2011年3月PZ.M而如非歌WI：,"TPj-4/5F?k#國Ji.T.«-u-：-n.irrDhj'.'lEL!?a/nCn”4nti3S.fiTlfjiwST見圖一：檢測電路ACE卡ALEJ1LLJ4AHh邛*mg*6wrDCti'prmmwribseeMCNJMiMJgMMgc3ri4UFE”©jWE®M.OHRAH.2P3ScT3C|，-D1|JA.j|/|1N4W見圖二：檢測整流電路|聞3TR135V3見圖三：單片機AT89C51電路圖M，!FR."II7H刖：填tg媵叩中窗具即依PD蝮劃的_W盤陽小許P

12、l;工W口P73llPl4'AJjiP?”廣Pi*fAld.丁，W券KPO.KJTKiFtJ7pdMffllPl.WP-JiTlP證P3咫附件2:數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換電路圖MCLQCK<INTIETARTI也附GOCIN411II7713I4MT6I7曲2D百回理見3出uHuuHuuUonoonoooVREFHVREFROE2617里附件2:調(diào)試結(jié)果圖I-6區(qū)曲auHwr程序附錄：#include<reg51.h>#include<intrins.h>#include<stdio.h>#include<string.h>#define

13、uintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitST=P3A0;sbitOE=P3A1;sbitEOC=P3A2;sbitCLK=P3A3;sbitlcdrs=P2A。；sbitlcdrw=P2Al;sbitlcden=P2A2;voiddelayms(uintz);延時1ms函數(shù)uintADC_convert();/ADC轉(zhuǎn)換voidinit();液晶初始化voidwrite_com(ucharcom);/1602寫指令voidwrite_date(uchardate);/1602寫數(shù)據(jù)voidRefresh_show();/刷新顯示voidLCD_di

14、splay(uchar*str);/輸出字符串uintdat_adc0808;uchardisplay_buffer16="Currentvoltage:","(vol)=0.00V"ucharcodetable1="noElectric"/14ucharcodetable2="JIANCEDIANLU"/11ucharcodetable3="i=2mARouter"ucharcodetable4="i=4mAUSBcharger"ucharcodetable5="

15、i=190mAEleFAN"ucharcodetable6="i=40mALEDLight"ucharcodetable7="i=6600mAW-Herter"/*&&&&&&&&&&&&&&&&向1602寫指令函數(shù)&&&&&&&&&&&&&&&&*/voidwrite_com(ucharco

16、m)(lcdrs=0;lcdrw=0;lcden=0;P1=com;delayms(5);lcden=1;delayms(5);lcden=0;/*&&&&&&&&&&&&&&&向1602寫指令結(jié)束&&&&&&&&&&&&&&&&&&*/*%1602寫數(shù)據(jù)函數(shù)%*/voidwrite_date(uchardate)(lcdrs=1;l

17、cdrw=0;lcden=0;P1=date;delayms(5);lcden=1;delayms(5);lcden=0;/*%1602寫數(shù)據(jù)結(jié)束%*/*液晶初始化*/voidLCD_init()ucharnum;write_com(0x38);/初始化顯示模塊設置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;num<10;num+)顯示table1尸"POWERSOURCE"有十四個字(wr

18、ite_date(table1num);delayms(10);write_com(0x80+0x40);/指針設置這里讓他第二行開始顯示for(num=0;num<16;num+)/table2="welcome"/11write_date(table2num);delayms(10);/*液晶初始化結(jié)束*/模數(shù)轉(zhuǎn)換并用于顯示顯示*/*uintADC_convert()while(1)ST=0;ST=1;ST=0;whileCLK=!CLK;if(EOC=1)break;/等待轉(zhuǎn)換結(jié)束OE=1;dat_adc0808=P0;OE=0;returndat_adc080

19、8;/*模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束*/*&&&&&&&&&&&&&&刷新顯木函數(shù)&&&&&&&&&&&&&&&&&&*/voidRefresh_show()uintt=dat_adc0808*500.0/256;display_buffer17=t/100+'0'display_buffer19=t/10%10+'0'dis

20、play_buffer110=t%10+'0'/*&&&&&&&&&&&&&&&刷新顯布函數(shù)結(jié)束&&&&&&&&&&&&&&&&&&&*/*lcd顯示字符串*/voidLCD_display(uchar*str)uchari;for(i=0;i<strlen(str);i+)write_date(stri

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