基于單片機(jī)的電量檢測(cè)畢業(yè)論文

1、 理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)題目基于單片機(jī)的電量檢測(cè)設(shè)計(jì)（一）專(zhuān)業(yè)班級(jí)級(jí)：學(xué)生名：學(xué) 號(hào) 號(hào)：指導(dǎo)教師師：起止日期期：- 16 - / 21摘要隨著電力系統(tǒng)電量的日益擴(kuò)大和電壓運(yùn)行等級(jí)的不斷提高，傳統(tǒng)的電量檢測(cè)系統(tǒng)暴露出越來(lái)越多的缺點(diǎn)，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代電網(wǎng)向自動(dòng)化、數(shù)字化發(fā)展的需要。本文首先系統(tǒng)的闡述瞬時(shí)無(wú)功功率理論計(jì)算方法，其中由瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率、瞬時(shí)有功電流和無(wú)功電流和瞬時(shí)無(wú)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(xiàng)工作技術(shù)指標(biāo)；最后，簡(jiǎn)單介紹本次設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，其中包括控制電路、單片機(jī)AT89C51的選擇、ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)

2、換部分、獨(dú)立式按鍵鍵盤(pán)輸入部分、LED靜態(tài)顯示部分方面的設(shè)計(jì)。由于本人能力有限沒(méi)能很好的完成軟件部分的設(shè)計(jì)以與仿真，這成為本次設(shè)計(jì)的一個(gè)很大的遺憾。關(guān)鍵詞瞬時(shí)無(wú)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

3、the modern 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 po

4、wer theory 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 AT89C

5、51 choice, 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.KeywordsInstantaneous r

6、eactive power theory Hall sensor AT89C51 ADC0809目錄中文摘要I 英文摘要II1 緒論 1 2 瞬時(shí)無(wú)功功率理論22.1瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率 22.2瞬時(shí)有功電流和無(wú)功電流 42.3瞬時(shí)無(wú)功功率理論和傳統(tǒng)功率理論比較 53霍爾電量傳感器 73.1 概述 73.2 霍爾電量傳感器的工作原理 83.3 霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn) 94 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 94.1 硬件框圖 94.2 控制電路的設(shè)計(jì) 104.2.1單片機(jī)的選擇 104.2.2模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的設(shè)計(jì) 114.3 鍵盤(pán)輸入部分 124.4 LED的靜態(tài)顯示方式 125 參考文獻(xiàn) 126 結(jié)束語(yǔ) 137 致

7、 138 設(shè)計(jì)總結(jié) 151 緒論近二十年來(lái)，以計(jì)算機(jī)科學(xué)，信息學(xué)，生命科學(xué)為代表的各門(mén)新興學(xué)科的迅猛發(fā)展，極大限度的刺激了全球經(jīng)濟(jì)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(kāi)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(jī)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(huì)中起著越來(lái)越重要的作用，而電壓、電流是其中最關(guān)鍵的兩個(gè)因素，是否準(zhǔn)確的測(cè)量電壓、電流對(duì)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(duì)交流電量進(jìn)行采樣測(cè)試以了解工作電壓或整個(gè)電網(wǎng)的工作情況。本文的主要容是基于單片機(jī)的

8、電量檢測(cè)，共由三部分組成。第一部分主要講的是關(guān)于有功功率，無(wú)功功率和功率因數(shù)的計(jì)算方法。這一部分系統(tǒng)的闡述如何推導(dǎo)計(jì)算方法，以與與傳統(tǒng)計(jì)算方法之間的差異，最后通過(guò)數(shù)學(xué)方法的變換，計(jì)算得出與傳統(tǒng)的計(jì)算理論相比，其結(jié)果是一樣的。如此一來(lái)，為我們選擇基于霍爾變換的計(jì)算方法提供了強(qiáng)有力的理論支持。同時(shí)在我們選擇這種方法時(shí)，運(yùn)用單片機(jī)進(jìn)行模擬測(cè)量時(shí)可以很大程度節(jié)約時(shí)間，同時(shí)符合計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的要求。第二部分主要講的是霍爾傳感器的相關(guān)知識(shí)。這一部分比較全面的介紹了霍爾傳感器的工作原理、分類(lèi)以與其優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)其使用圍以與優(yōu)點(diǎn)的比較，決定使用霍爾傳感器來(lái)收集電壓、電流。第三部分主要講硬件系統(tǒng)方面的的設(shè)計(jì)，包括單片

9、機(jī)的選擇、獨(dú)立式按鍵鍵盤(pán)以與靜態(tài)LED顯示等等。2 瞬時(shí)無(wú)功功率理論三相電路瞬時(shí)無(wú)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(shí)無(wú)功功率、瞬時(shí)有功功率等瞬時(shí)量，以該理論為基礎(chǔ)，可以得出用于有源電力補(bǔ)償器的諧波和無(wú)功電流實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。此方法在工程應(yīng)用中受到極大的關(guān)注。 2.1瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率該三相平衡電路各項(xiàng)電壓電流的瞬時(shí)值分別為、和。為了分析問(wèn)題方便，把他們變換到兩相正交的坐標(biāo)系上，經(jīng)變換可以得到、兩相瞬時(shí)電壓和兩相瞬時(shí)電流，即 （1） （2）式中 在如圖（1）所示

10、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(shí)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(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率，有 （5） （6）式（5）和式（6）寫(xiě)成矩陣形式為 （7）式中 把式（1）、式（6）代入上式，可得出p、q對(duì)于三相電壓、電流的表達(dá)式 （8） （9） 從式（8）可以看出，三相電路瞬時(shí)有功功率就是三相電路的瞬時(shí)功率。由式（7）可得 （10） 由此可將和作出含有p、q項(xiàng)的分解。如果不做變換，在有中線電流的情況下，三相有3個(gè)獨(dú)立電流分量和，就不能唯一確定地將三相電流作出含有

11、p、q項(xiàng)的分解，這就是為什么要作變換來(lái)分析的一個(gè)原因。2.2瞬時(shí)有功電流和無(wú)功電流定義 三相電路瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流分別為矢量i在矢量u與其法線上的投影，即 （11a） （11b） 式中 定義、 相的瞬時(shí)無(wú)功電流（瞬時(shí)有功電流），為三相電路瞬時(shí)無(wú)功電流（瞬時(shí)有功電流）分別在（、）軸上的投影，即瞬時(shí)有功電流的分量 （12a）瞬時(shí)有功電流的分量 （12b）瞬時(shí)無(wú)功電流的分量 （12c）瞬時(shí)無(wú)功電流的分量 （12d） 2.3瞬時(shí)無(wú)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(wú)功功率等是在平均值基礎(chǔ)上定義的，而瞬時(shí)無(wú)功功率理論中的概念，都是在瞬時(shí)值的基礎(chǔ)上定義的。瞬時(shí)無(wú)功功率理論中的概念，

12、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(duì)稱(chēng)電壓和電流均為正弦波時(shí)的情況，設(shè)三相電壓、電流分別為 （13a） （13b） （13c） （14a） （14b） （14c）利用式（1）和式（2）對(duì)上兩式進(jìn)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(shí)，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(wú)功功率q完全一樣。把式（15）和式（16）代入式（12）中可得相的瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流，即

13、 （19）比較式（19）和式（16）可以看出，相的瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流表達(dá)式與傳統(tǒng)功率理論的瞬時(shí)值表達(dá)式完全一樣。對(duì)于 相與三相中的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(shí)無(wú)功功率理論包容了傳統(tǒng)的無(wú)功功率理論，比傳統(tǒng)理論有更大的適用圍。 綜上所述，不難看出這種測(cè)量法法較實(shí)用，所以應(yīng)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(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來(lái)發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬?gòu)?qiáng)得多，利用

14、這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)與信息處理等方面。霍爾效應(yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過(guò)霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類(lèi)型、載流子濃度與載流子遷移率等重要參數(shù)?；魻杺鞲衅鞣譃榫€型霍爾傳感器和開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器兩種。（一）開(kāi)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(jí)組成，它輸出數(shù)字量。開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器還有一種特殊的形式，稱(chēng)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(kāi)環(huán)式和閉環(huán)式。閉環(huán)式霍爾傳感器又稱(chēng)零磁通霍爾傳感器。線性霍爾傳感器主要用于交直

15、流電流和電壓測(cè)量。.3.2霍爾電量傳感器的工作原理由霍爾效應(yīng)的原理知，霍爾電勢(shì)的大小取決于：Rh為霍爾常數(shù)，它與半導(dǎo)體材質(zhì)有關(guān)；IC為霍爾元件的偏置電流；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度；d為半導(dǎo)體材料的厚度。對(duì)于一個(gè)給定的霍爾器件，當(dāng)偏置電流IC固定時(shí)，將完全取決于被測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度B。 圖 霍爾效應(yīng)一個(gè)霍爾元件一般有四個(gè)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(huì)產(chǎn)生霍爾電流。一般地說(shuō)，偏置電流的設(shè)定通常由外部的基準(zhǔn)電壓源給出；若精度要求高，則基準(zhǔn)電壓源均用恒流源取代。為了達(dá)到高的靈敏度，有的霍爾元件的傳感面上裝有高導(dǎo)磁系數(shù)的坡莫合金；這類(lèi)傳感器的霍爾

16、電勢(shì)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(dǎo)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(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓。3.3 霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)采用霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器對(duì)電流和電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。1、霍爾傳感器可以測(cè)量任意波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至對(duì)瞬態(tài)峰值的測(cè)量。副邊電流忠實(shí)地反應(yīng)原邊電流的波形。而普通互感器則是無(wú)法與其比擬的，它一般只適用于測(cè)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，隔離電壓可達(dá)9600Vrms；3、精度高：在工作溫度區(qū)精度優(yōu)于1%，該

17、精度適合于任何波形的測(cè)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(shí)間可小于1s；但是，電壓傳感器帶寬較窄，一般在15kHz以，6400Vrms的高壓電壓傳感器上升時(shí)間約500uS，帶寬約700Hz。6、測(cè)量圍：霍爾傳感器為系列產(chǎn)品，電流測(cè)量可達(dá)50KA，電壓測(cè)量可達(dá)6400V。4 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1 硬件框圖 圖4-1 硬件框圖本設(shè)計(jì)是AT89C51單片機(jī)控制的電量檢測(cè)系統(tǒng)。其工作原理是：先由電量傳感器采集數(shù)據(jù)，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，后將數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算并顯示，即由數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理三部分完成。本設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)的控制器有單片機(jī)AT89C51為核心，系統(tǒng)采

18、用霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器對(duì)電流和電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并輸出標(biāo)準(zhǔn)電流4mA20mA。AT89C51單片機(jī)控制AD0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)的運(yùn)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(shè)計(jì)4.2.1單片機(jī)的選擇20世紀(jì)80年代以來(lái)，單片機(jī)的發(fā)展非常迅速，就通用單片機(jī)而言，世界上一些著名的計(jì)算機(jī)廠家已經(jīng)投放市場(chǎng)的產(chǎn)品就有50多個(gè)系列，數(shù)百個(gè)品種。盡管單片機(jī)的品種很多，但是在我國(guó)使用最多還是Intel公司的MCS-51系列單片機(jī)和美國(guó)Amtel公司的89C51單片機(jī)。 89C51單片機(jī)是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh Progr

19、ammable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。89C51是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。所以采用此單片機(jī)較好。4.2.2模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器的種類(lèi)繁多，工

20、作原理各異，但逐次比較型轉(zhuǎn)換器是應(yīng)用較多的類(lèi)型之一，其原因是該類(lèi)型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快、精度高。因此本次設(shè)計(jì)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(gè)8路模擬開(kāi)關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開(kāi)關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用轉(zhuǎn)換器進(jìn)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(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 ADC0809部邏輯結(jié)構(gòu)（左）和引腳圖（右） 4.3 鍵盤(pán)輸入部分獨(dú)立式按鍵就是各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)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(huì)影響其他輸入線

21、的工作狀態(tài)。因此，通過(guò)檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個(gè)按鍵按下了。獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件簡(jiǎn)單，但每個(gè)按鍵需要占用一個(gè)輸入口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故此種鍵盤(pán)適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。 在此系統(tǒng)中，查看電壓、電流只需要兩個(gè)按鍵，比較簡(jiǎn)單，所以就采用獨(dú)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(shí)，各位的共陰極或共陽(yáng)極連接在一起并接地（或+5V）；每位的段選碼（ad p）分別與一個(gè)8位的鎖存器輸出相連，所以稱(chēng)為靜態(tài)顯示。各個(gè)LED的顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存器的輸出將維持不變，知道顯示另一個(gè)字符為止。也正因?yàn)槿绱耍?/p>

22、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(jià)是占用口線較多，若用IO接口，則要占用4個(gè)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(wú)法適應(yīng)，因此在顯示位數(shù)較多的情況下，一般都采用動(dòng)態(tài)顯示方式。由于本系統(tǒng)只涉與到4位顯示輸出，就采用了4片8位移位寄存器串級(jí)使用的LED靜態(tài)顯示方式。5 參考資料 1、于永等, 51單片機(jī)C語(yǔ)言常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講,電子工業(yè) 2、田立等, 51單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)快速入門(mén),人民郵電 3、何立民, 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì),航空航天大學(xué) 4、戴佳等, 51單片機(jī)C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講,電子工業(yè) 5、志海等，單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用，電子工業(yè) 6、萬(wàn)隆等，單片機(jī)原理與實(shí)例應(yīng)用，清華大學(xué) 7、黃智偉，全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)，航天航空大學(xué)6 結(jié)束語(yǔ) 課程設(shè)計(jì)終于做完了，本次設(shè)計(jì)容對(duì)我來(lái)說(shuō)是個(gè)不小的挑戰(zhàn)，雖然之前也做過(guò)課程設(shè)計(jì)，但是沒(méi)有像這次這樣做一個(gè)這么系統(tǒng)，幾乎涵蓋所有所學(xué)知識(shí)的設(shè)計(jì)任務(wù)。剛拿到題目之后，滿(mǎn)腦子都是問(wèn)號(hào)，不知從何處下手，但是通過(guò)老師對(duì)題目的詳細(xì)講解，以與自己與同學(xué)之間的激烈討論，查閱相關(guān)資料，總算找到了突破點(diǎn)。通過(guò)此次的課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)單片機(jī)、傳感器等有了更深一層的了解，真正做到了學(xué)有所用，理論