2022年基于单片机的电量检测.docx

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1、精品学习资源成果山东理工高校 电气与电子工程学院课程设计说明书设计题目基于单片机地电量检测设计（一）专业班级级：电气 1001 班同学姓名名：李化良学号 号：1011041013指导老师师：赵艳雷欢迎下载精品学习资源起止日期期：2021 年 7 月 1 日至 2021 年 7 月 16 日欢迎下载精品学习资源摘要随着电力系统电量地日益扩大和电压运行等级地不断提高，传统地电量检测系统暴露出越来越多地缺点，难以满意现代电网向自动化、数字化进展地需要.本文第一系统地阐述瞬时无功功率理论运算方法，其中由瞬时有功功率和无功功率、瞬时有功电流和无功电流和瞬时无功功率理论和传统功率理论比较三部分组成；其次概

2、述了霍尔传感器地工作原理和各项工作技术指标；最终，简洁介绍本次设计硬件系统地设计方案，其中包括掌握电路、单片机AT89C51 地挑选、 ADC0809 模数转换部分、独立式按键键盘输入部分、 LED 静态显示部分方面地设计 .由于本人才能有限没能很好地完成软件部分地设计以及仿真，这成为本次设计地一个很大地遗憾.关键词 瞬时无功功率理论 霍尔传感器 AT89C51 ADC0809欢迎下载精品学习资源SummaryWith the growing electricitypower system and the increasing level voltage operation, the trad

3、itionalpower detection system exposes more and more shortcomings, it is difficult tomeet the modern gridautomation, digitization development needs. This article first systematic exposition of the instantaneousreactive power theory calculationmethod in which the instantaneous active and reactive powe

4、r, theinstantaneous active current and reactive current and instantaneous reactive power theory and thetraditional 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 t

5、he hardware system design, which includes a control circuit, chip microcomputer AT89C51 choice,ADC0809analog-digitalconversion part, stand-key keyboard input section, LED static display someaspects of the design. Since I could not very well limited ability to complete the software part of thedesign

6、and simulation, which became this design a lot of regret.Keywords Instantaneous reactive power theoryHall sensor AT89C51ADC0809目录中文摘要 I英文摘要 II欢迎下载精品学习资源1 绪论 12 瞬时无功功率理论22.1瞬时有功功率和无功功率22.2 瞬时有功电流和无功电流2.3 瞬时无功功率理论和传统功率理论比较543 霍尔电量传感器 73.1 概述73.2 霍尔电量传感器地工作原理83.3 霍尔传感器地优点 94 硬件系统地设计 94.1 硬件框图 94.2 掌握电路

7、地设计 104.2.1 单片机地挑选 104.2.2模数转换部分地设计 114.3 键盘输入部分 124.4 LED 地静态显示方式125 参考文献 126 终止语 137 致谢138 设计总结 15欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源1 绪论近二十年来，以运算机科学，信息学，生命科学为代表地各门新兴学科地迅猛进展，极大限度地刺激了全球经济地进展，在现代化地工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用地主要被控参数.例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，电能是人们日常生活和工业生产中地重要能源之一，在现代社会中起着越来越重要地作用

8、，而电压、电流是其中最关键地两个因素，是否精确地测量电 压、电流对我们地生活和生产有着至关重要地影响，特殊是电工和电力系统等领域常常要对沟通电量进行采样测试以明白工作电压或整个电网地工作情形.本文地主要内容是基于单片机地电量检测，共由三部分组成.第一部分主要讲地是关于有功功率，无功功率和功率因数地运算方法.这一部分系统地阐述如何推导运算方法，以及与传统运算方法之间地差异，最终通过数学方法地变换，运算得出与传统地运算理论相比，其结果是一样地.如此一来，为我们挑选基于霍尔变换地运算方法供应了强有力地理论支持 .同时在我们挑选这种方法时，运用单片机进行模拟测量时可以很大程度节省时间，同时符合运算机语

9、言地要求.其次部分主要讲地是霍尔传感器地相关学问.这一部分比较全面地介绍了霍尔传感器地工作原理、分类以及其优点.通过对其使用范畴以及优点地比较，打算使用霍尔传感器来收集电压、 电流 .第三部分主要讲硬件系统方面地地设计，包括单片机地挑选、独立式按键键盘以及静态LED 显示等等 .2 瞬时无功功率理论欢迎下载精品学习资源三相电路瞬时无功功率理论由S.Fryze、W.Quade 和 Akagi （赤木泰文）等先后提出，随后得到广泛深化争论并逐步完善.该理论突破了传统地以平均值为基础地功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时量，以该理论为基础，可以得出用于有源电力补偿器地谐波和无功电流

10、实时检测方法.此方法在工程应用中受到极大地关注.2.1 瞬时有功功率和无功功率该三相平稳电路各项电压电流地瞬时值分别为ua 、 ub 、 u c和 ia、i b、ic .为了分析问题欢迎下载精品学习资源便利，把他们变换到两相正交地坐标系上，经变换可以得到、两相瞬时电压u 、u 和欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源两相瞬时电流i 、i ，即欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源uuua C32ubuciiaiC32 ibic12 1- 2式中C323 302（ 1）（ 2）- 12-32欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源在如图（ 1）所示 平面上，矢量u 、u和 i 、i分别可以合

11、成为（旋转）电压矢量u 和欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源电流矢量 i（实际上矢量u 、u和 i 、i分别为 u 和 i 在 轴和 轴地投影），即欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源u uuUu（ 3）欢迎下载精品学习资源v iiIi（ 4）欢迎下载精品学习资源式中 U、I 矢量 u、i 地模；u 、i 分别为矢量 u、i 地幅角 .依据式（ 1）和式（ 2）引入瞬时有功功率和瞬时无功功率，有欢迎下载精品学习资源p u iu i（ 5）欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源q u i- u i（ 6）欢迎下载精品学习资源式（ 5）和式（ 6）写成矩阵形式为欢迎下载精品学习资源p

12、uuiq u- uiCpqi（ 7）欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源i式中Cpquuu- u欢迎下载精品学习资源把式（ 1）、式（ 6）代入上式，可得出p、q 对于三相电压、电流地表达式欢迎下载精品学习资源p ua iaq 1ub ib-uc ic-（ 8）-欢迎下载精品学习资源3 ubuc iaucua ibuaub ic（ 9）欢迎下载精品学习资源从式（ 8）可以看出，三相电路瞬时有功功率就是三相电路地瞬时功率.欢迎下载精品学习资源由式（ 7）可得欢迎下载精品学习资源-1iuupuu2222uuuup（ 10）欢迎下载精品学习资源iu- uquuq-2222uuuu欢迎下载精品学习

13、资源由此可将 i 和 i 作出含有 p、q 项地分解 .假如不做 变换，在有中线电流地情形下，三相有欢迎下载精品学习资源3 个独立电流重量ia、ib 和 ic ，就不能唯独确定地将三相电流作出含有p、q 项地分解，这就是为欢迎下载精品学习资源什么要作 变换来分析地一个缘由.2.2 瞬时有功电流和无功电流定义 三相电路瞬时有功电流i p 和瞬时无功电流iq 分别为矢量 i 在矢量 u 及其法线上地投影，即欢迎下载精品学习资源ipicosiqisin（11a）（11b）欢迎下载精品学习资源-式中ui欢迎下载精品学习资源定义、相地瞬时无功电流i q 、iq （瞬时有功电流i q、iq ），为三相电路

14、瞬时无功电欢迎下载精品学习资源流 iq （瞬时有功电流ip ）分别在（ 、）轴上地投影，即瞬时有功电流地 重量cosuup欢迎下载精品学习资源22i api puu i puu（ 12a）欢迎下载精品学习资源瞬时有功电流地 重量欢迎下载精品学习资源i pipsinuuupipuu 2u 2（ 12b）欢迎下载精品学习资源瞬时无功电流地 重量欢迎下载精品学习资源i qi qsinuu i ququ22uu（ 12c）欢迎下载精品学习资源瞬时无功电流地 重量欢迎下载精品学习资源-cos-u-uq欢迎下载精品学习资源i qi quui quu（ 12d）欢迎下载精品学习资源222.3 瞬时无功功率理

15、论和传统功率理论比较传统意义上地有功功率、无功功率等是在平均值基础上定义地，而瞬时无功功率理论中地概念，都是在瞬时值地基础上定义地.瞬时无功功率理论中地概念，在形式上和传统理论特别相像，可以看成是传统理论地推广和延长.下面分析三相对称电压和电流均为正弦波时地情形，设三相电压、电流分别为欢迎下载精品学习资源muaUsint（ 13a）欢迎下载精品学习资源mubUsint2/ 3（ 13b）欢迎下载精品学习资源mucUsint2/ 3（ 13c）欢迎下载精品学习资源ia Im sint（ 14a）欢迎下载精品学习资源ib Imsint2/ 3（ 14b）欢迎下载精品学习资源ic Im sint2/

16、 3（ 14c）欢迎下载精品学习资源利用式（ 1）和式（ 2）对上两式进行变换，可得欢迎下载精品学习资源uuU m 2sint cos t（ 15）欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源iiI m 2sint cost（16）欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源式中 U 2 m32 U m， I 2 m32 I m欢迎下载精品学习资源把式中（ 15）和式（ 16）代入式（ 7）中可得欢迎下载精品学习资源3p2U m Im cos（ 17a）欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源3p2U m Imsin（ 17b）欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源令UU m2 、 II m2分别为

17、相电压和相电流地均方根值，得欢迎下载精品学习资源p 3UIco s欢迎下载精品学习资源q 3UI sin（ 18）欢迎下载精品学习资源从式（ 18）中可以看出，在三相电压和电流均为正弦波时，p、q 为常数，且其值和按传统理论算出地有功功率p 和无功功率 q 完全相同 .把式（ 15）和式（ 16）代入式（ 12）中可得 相地瞬时有功电流和瞬时无功电流，即欢迎下载精品学习资源i pIm 2 cossint欢迎下载精品学习资源（ 19）欢迎下载精品学习资源qI m2 sinsint2i比较式（ 19）和式（ 16）可以看出， 相地瞬时有功电流和瞬时无功电流表达式与传统功率理论地瞬时值表达式完全相同

18、.对于 相及三相中地a、b、 c 各相也能得到同样地结论.由上面地分析不难看出，瞬时无功功率理论包涵了传统地无功功率理论，比传统理论有更大地适用范畴 .综上所述，不难看出这种测量法法较有用，所以应当挑选这种方法.3 霍尔电量传感器3.1 概述霍尔传感器是依据霍尔效应制作地一种磁场传感器.霍尔效应是磁电效应地一种，这一现象是霍 尔（ A.H.Hall ， 1855 1938）于 1879 年在争论金属地导电机构时发觉地.后来发觉半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体地霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成地各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面.霍尔效应是争论半导体材

19、料性能地基本方法 .通过霍尔效应试验测定地霍尔系数，能够判定半导体材料地导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数.霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种.（一）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量 .开关型霍尔传感器仍有一种特殊地势式，称为锁键型霍尔传感器.（二）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量.线性霍尔传感器又可分为开环式和闭环式.闭环式霍尔传感器又称零磁通霍尔传感器.线性霍尔传感器主要用于交直流电流和电压测量.欢迎下载精品学习资源3.2 霍尔电量传感器地工作原理由霍尔效应地原理知，霍尔电势

20、地大小取决于：Rh 为霍尔常数，它与半导体材质有关；IC 为霍尔元件地偏置电流；B 为磁场强度； d 为半导体材料地厚度 .对于一个给定地霍尔器件，当偏置电流 IC 固定时， vh 将完全取决于被测地磁场强度B.图 霍尔效应一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件地偏置电流IC 地输入端，另两根是霍尔电压地输出端 .假如两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流.一般地说，偏置电流地设定通常由外部地基准电压源给出；如精度要求高，就基准电压源均用恒流源取代.为了达到高地灵敏度，有地霍尔元件地传感面上装有高导磁系数地坡莫合金；这类传感器地霍尔电势较大，但在0.05T 左右显现饱和，仅适用在低量

21、限、小量程下使用.在半导体薄片两端通以掌握电流I，并在薄片地垂直方向施加磁感应强度为B 地匀强磁场，就在垂直于电流和磁场地方向上，将产生电势差为UH 地霍尔电压 .3.3 霍尔传感器地优点采纳霍尔电压传感器和霍尔电流传感器对电流和电压进行数据采集.1、霍尔传感器可以测量任意波形地电流和电压，如：直流、沟通、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值地测量 .副边电流忠实地反应原边电流地波形.而一般互感器就是无法与其比拟地，它一般只欢迎下载精品学习资源适用于测量 50Hz 正弦波；2、原边电路与副边电路之间有良好地电气隔离，隔离电压可达9600Vrms ；3、精度高：在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何

22、波形地测量；4、线性度好：优于0.1%；5、宽带宽：高带宽地电流传感器上升时间可小于1s；但是，电压传感器带宽较窄，一般在15kHz 以内， 6400Vrms 地高压电压传感器上升时间约500uS，带宽约 700Hz.6、测量范畴：霍尔传感器为系列产品，电流测量可达50KA ，电压测量可达 6400V.4 硬件系统地设计4.1 硬件框图独立式按键霍尔电流传感器显示霍尔电压传感器图 4-1 硬件框图本设计是 AT89C51 单片机掌握地电量检测系统.其工作原理是：先由电量传感器采集数据，启动 A D 转换，后将数据读入单片机中进行运算并显示，即由数据采集，数据分析和数据处理三部分完成 .本设计中

23、，掌握系统地掌握器有单片机AT89C51 为核心，系统采纳霍尔电流传感器和霍尔电压传感器对电流和电压进行数据采集，并输出标准电流4mA 20mA.AT89C51 单片机掌握 AD0809欢迎下载精品学习资源进行模数转换，数据经过单片机地运算，输出结果，并把结果在 4 位 8 段数码管上显示 .4.2 掌握电路地设计4.2.1 单片机地挑选20 世纪 80 岁月以来，单片机地进展特别快速，就通用单片机而言，世界上一些闻名地运算机厂家已经投放市场地产品就有 50 多个系列，数百个品种 .尽管单片机地品种很多，但是在我国使用最多仍是 Intel 公司地 MCS-51 系列单片机和美国 Amtel 公

24、司地 89C51 单片机 .89C51 单片机是一种带 4K 字节闪耀可编程可擦除只读储备器（ FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory ）地低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机 .89C51 是一种带 2K 字节闪耀可编程可擦除只读储备器地单片机 .单片机地可擦除只读储备器可以反复擦除 100 次.该器件采纳 ATMEL高密度非易失储备器制造技术制造，与工业标准地MCS-51 指令集和输出管脚相兼容.由于将多功能8 位 CPU 和闪耀储备器组合在单个芯片中，ATMEL地89C51 是一种高效微掌握器，89C2

25、051 是它地一种精简版本.89C51 单片机为很多嵌入式掌握系统供应了一种敏捷性高且价廉地方案.所以采纳此单片机较好 .4.2.2 模数转换部分地设计A D 转换器地种类繁多，工作原理各异，但逐次比较型A D 转换器是应用较多地类型之一，欢迎下载精品学习资源其缘由是该类型地A D 转换器转换速度快、精度高.因此本次设计选用一款逐次比较型A D 转欢迎下载精品学习资源换器 ADC0809.欢迎下载精品学习资源ADC0809 是 8 位逐次靠近型A D 转换器，它由一个8 路模拟开关、一个地址锁存译码器、一欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源个 A D转换器和一个三态输出锁存器组成.多路开关

26、可选通8 个模拟通道，答应8 路模拟量分时欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源输入，共用A D 转换器进行转换.三态输出锁存器用于锁存A D 转换完地数字量，当OE 端为欢迎下载精品学习资源高电平常，才可以从三态输出锁存器取走转换完地数据.欢迎下载精品学习资源STARTCLK2621EOCIN -0msb2-120IN0 IN18路D02728IN -1IN -22-22-32-42-519188IN2模三2-615IN3IN4拟量8路态输D1D2D31IN -32-7lsb2-81417IN5 IN6开关A/D转出锁D423IN -4EOC7换器存器D5 D6D7IN -5N74IN -

27、62524235ADD-A ADD-BADD-CAIN -722BC地址锁存器与译码器ALE16ref-ALEOE+E-E12ref+ENABLE STARTCLOCK9610IADC0809ADC0809 内部规律结构（左）和引脚图（右）4.3 键盘输入部分独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接入一根输入线，一根输入线上地安检工作状态不会影响其他输入线地工作状态.因此，通过检测输入线地电平状态可以很简洁判定哪个按键按下了 .独立式按键电路配置敏捷，软件简洁，但每个按键需要占用一个输入口线，在按键数量较多时，需要较多地输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高地场合.在

28、此系统中，查看电压、电流只需要两个按键，比较简洁，所以就采纳独立式按键接口电路.4.4 LED 显示部分LED显示器工作于静态显示方式时，各位地共阴极或共阳极连接在一起并接地（或+5V ）；每位地段选码（ a d p）分别与一个 8 位地锁存器输出相连，所以称为静态显示 .各个LED 地显示字符一经确定，相应锁存器地输出将维护不变，知道显示另一个字符为止 .也正由于如此，静态显示器地亮度都较高 .这种显示方式接口编程简洁，付出地代价是占用口线较多，如用 I O 接口，就要占用 4 个 8 位口，如用锁存器接口，就要 4 片 7HC595 芯片 .假如显示器位数较多，就静态显示方式更是无法适应，

29、因此在显示位数较多地情形下，一般都采纳动态显示方式.欢迎下载精品学习资源由于本系统只涉及到4 位显示输出，就采纳了4 片 8 位移位寄存器串级使用地LED 静态显示方式.5 参考资料1、于永等 , 51 单片机 C 语言常用模块与综合系统设计实例精讲,电子工业出版社2、田立等 , 51 单片机 C 语言程序设计快速入门,人民邮电出版社3、何立民 , 单片机应用系统设计 ,北京航空航天高校出版社4、戴佳等 , 51 单片机 C 语言应用程序设计实例精讲,电子工业出版社5、姜志海等，单片机微型运算机原理及应用，电子工业出版社6、万隆等，单片机原理与实例应用，清华高校出版社7、黄智伟，全国高校生电子

30、设计竞赛系统设计，北京航天航空高校出版社6 终止语课程设计最终做完了，本次设计内容对我来说是个不小地挑战，虽然之前也做过课程设计，但是没有像这次这样做一个这么系统，几乎涵盖全部所学学问地设计任务.刚拿到题目之后，满脑子都是问号，不知从何处下手，但是通过老师对题目地具体讲解，以及自己与同学之间地激烈争论，查阅相关资料，终于找到了突破点.通过此次地课程设计，使我对单片机、传感器等有了更深一层地明白，真正做到了学有所用，理论结合实际，体会到自己所学地东西很有用.有了理论联系实际地机会，为以后从事这个方面地工作打好了基础，这也是这次课程设计地最大收获.本次地课程设计总地来说仍是比较胜利地，能够实现电压

31、、电流地采集，运算，输出等， 但是仍是有很多不足之处，不过地确从中学到了很多，也发觉了自己地很多问题，为自己以后地学习、进步打下了不错地基础.欢迎下载精品学习资源7 致谢历时两周地课程设计已经告一段落，进过自己不断地搜寻努力以及赵老师地耐心指导和热忱帮忙，本设计已经完成.在这段时间里面，赵老师严谨地治学态度和热忱地工作作风使我特别佩服，他地学问也使我受益匪浅，同组地同学也给我了我极大地帮忙，在此对帮忙我地老师和同学表示深深地感谢 .通过这次地课程设计，让我深刻地熟悉到专业学问地重要性，也懂得了理论联系实际地含义，并且检验了之前学过地相关课程把握地娴熟程度.虽然在这次设计中对于学问地运用和连接不

32、够娴熟，但是我将在以后地工作和学习中连续努力、不断完善.由于自身水平有限，设计中地不足之处.敬请各位老师批判指导.欢迎下载精品学习资源设计总结：历时两周地课程设计终于做完了，虽然这次课程设计中有点小小地遗憾，但是总体来说仍是中意地 .课程设计做了不少，但是这次对我来说是最难地一次.不像前几次，观察题目后心里大体有个数，但是这次拿到题目后直接就空白，不知从何下手.经过上网查资料，和同学、老师之间地争论，终于有点眉目.知道怎么做，该做什么了.这次课程设计，可以说结合了以往所学地重要地专业课学问，不光这样，仍有就是需要很好地融汇贯穿，光知道学问点，不肯定能做好，仍要把全部地学问联系起来，整合.这次课程设计对我来说受益匪浅，真正做到了理论联系实际，学有所用，我认为只有这样才可以把我们所学地学问真正变成自己地一部分.考核成果及评语指导老师签字年 月日欢迎下载精品学习资源系教研室 主任签字系教研室看法年 月 日欢迎下载