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1、山东理工大学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的电量检测设计（一）专业班级级：学生姓名名：学 号 号：指导教师师：起止日期期： 摘要随着电力系统电量的日益扩大和电压运行等级的不断提高，传统的电量检测系统暴露出越来越多的缺点，难以满足现代电网向自动化、数字化发展的需要。本文首先系统的阐述瞬时无功功率理论计算方法，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；其次概述了霍尔传感器的工作原理和各项工作技术指标；最后，简单介绍本次设计硬件系统的设计方案，其中包括控制电路、单片机AT89C51的选择、ADC0809模数转换部分、独立式
2、按键键盘输入部分、LED静态显示部分方面的设计。由于本人能力有限没能很好的完成软件部分的设计以及仿真，这成为本次设计的一个很大的遗憾。关键词 瞬时无功功率理论 霍尔传感器 AT89C51 ADC0809 I 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
3、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 power
4、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 AT89C51 c
5、hoice, 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 reac
6、tive power theory Hall sensor AT89C51 ADC0809 目录中文摘要 I 英文摘要 II1 绪论 1 2 瞬时无功功率理论 2 2.1瞬时有功功率和无功功率 2 2.2瞬时有功电流和无功电流 4 2.3瞬时无功功率理论和传统功率理论比较 53 霍尔电量传感器 7 3.1 概述 7 3.2 霍尔电量传感器的工作原理 8 3.3 霍尔传感器的优点 94 硬件系统的设计 9 4.1 硬件框图 9 4.2 控制电路的设计 10 4.2.1单片机的选择 10 4.2.2模数转换部分的设计 11 4.3 键盘输入部分 12 4.4 LED的静态显示方式 125 参考文献
7、 126 结束语 137 致谢 138 设计总结 15 IV1 绪论近二十年来，以计算机科学，信息学，生命科学为代表的各门新兴学科的迅猛发展，极大限度的刺激了全球经济的发展，在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。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的重要能源之一，在现代社会中起着越来越重要的作用，而电压、电流是其中最关键的两个因素，是否准确的测量电压、电流对我们的生活和生产有着至关重要的影响，特别是电工和电力系统等领域经常要对交流电量进行采样测试以了解工作电压或整个电网的
8、工作情况。本文的主要内容是基于单片机的电量检测，共由三部分组成。第一部分主要讲的是关于有功功率，无功功率和功率因数的计算方法。这一部分系统的阐述如何推导计算方法，以及与传统计算方法之间的差异，最后通过数学方法的变换，计算得出与传统的计算理论相比，其结果是一样的。如此一来，为我们选择基于霍尔变换的计算方法提供了强有力的理论支持。同时在我们选择这种方法时，运用单片机进行模拟测量时可以很大程度节约时间，同时符合计算机语言的要求。第二部分主要讲的是霍尔传感器的相关知识。这一部分比较全面的介绍了霍尔传感器的工作原理、分类以及其优点。通过对其使用范围以及优点的比较，决定使用霍尔传感器来收集电压、电流。第三
9、部分主要讲硬件系统方面的的设计，包括单片机的选择、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，随后得到广泛深入研究并逐渐完善。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统的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的谐波和无功电流实时检测方法。此方法在工程应用中受到极大的关注。 2.1瞬时有功功率和无功功率 该三相平衡电路各项电压电流的瞬时值分别为、和。为了分析问题方便，把他们变换到两相正交的坐标系上，经变换可以得到、两相瞬时电压和两相瞬时电
10、流，即 （1） （2）式中 在如图（1）所示平面上，矢量和分别可以合成为（旋转）电压矢量u和电流矢量i（实际上矢量和分别为u和i在轴和轴的投影），即 （3） （4）式中U、I 矢量u、i的模； 、分别为矢量u、i的幅角。根据式（1）和式（2）引入瞬时有功功率和瞬时无功功率，有 （5） （6）式（5）和式（6）写成矩阵形式为 （7）式中 把式（1）、式（6）代入上式，可得出p、q对于三相电压、电流的表达式 （8） （9） 从式（8）可以看出，三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。由式（7）可得 （10） 由此可将和作出含有p、q项的分解。如果不做变换，在有中线电流的情况下，三相有3个独立电
11、流分量和，就不能唯一确定地将三相电流作出含有p、q项的分解，这就是为什么要作变换来分析的一个原因。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和瞬时无功电流分别为矢量i在矢量u及其法线上的投影，即 （11a） （11b） 式中 定义 、 相的瞬时无功电流（瞬时有功电流），为三相电路瞬时无功电流（瞬时有功电流）分别在（、）轴上的投影，即瞬时有功电流的分量 （12a）瞬时有功电流的分量 （12b）瞬时无功电流的分量 （12c）瞬时无功电流的分量 （12d） 2.3瞬时无功功率理论和传统功率理论比较传统意义上的有功功率、无功功率等是在平均值基础上定义的，而瞬时无功功率理论中的概念，都是在瞬
12、时值的基础上定义的。瞬时无功功率理论中的概念，在形式上和传统理论非常相似，可以看成是传统理论的推广和延伸。下面分析三相对称电压和电流均为正弦波时的情况，设三相电压、电流分别为 （13a） （13b） （13c） （14a） （14b） （14c）利用式（1）和式（2）对上两式进行变换，可得 （15） （16） 式中 ， 把式中（15）和式（16）代入式（7）中可得 （17a） （17b） 令 、 分别为相电压和相电流的均方根值，得 （18） 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的有功功率p和无功功率q完全相同。把式（15）和式（16）代入式
13、（12）中可得相的瞬时有功电流和瞬时无功电流，即 （19） 比较式（19）和式（16）可以看出，相的瞬时有功电流和瞬时无功电流表达式与传统功率理论的瞬时值表达式完全相同。对于 相及三相中的a、b、c各相也能得到同样的结论。 由上面的分析不难看出，瞬时无功功率理论包容了传统的无功功率理论，比传统理论有更大的适用范围。 综上所述，不难看出这种测量法法较实用，所以应该选择这种方法。3 霍尔电量传感器 3.1 概述 霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流
14、体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，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。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、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。开关型霍尔传感器还有一种特殊的形式，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
15、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。. 3.2霍尔电量传感器的工作原理 由霍尔效应的原理知，霍尔电势的大小取决于：Rh为霍尔常数，它与半导体材质有关；IC为霍尔元件的偏置电流；B为磁场强度；d为半导体材料的厚度。对于一个给定的霍尔器件，当偏置电流IC固定时，将完全取决于被测的磁场强度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的偏置电流IC的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度
16、，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T左右出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。 在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。 3.3 霍尔传感器的优点 采用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的电流和电压，如：直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量。副边电流忠实地反应原边电流的波形。而普通互感器则是无法与其比拟的，它一般只适用于测量50Hz正弦波； 2、原边电路与副边电路之间有良好的电气
17、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%，该精度适合于任何波形的测量； 4、线性度好：优于0.1%； 5、宽带宽：高带宽的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的高压电压传感器上升时间约500uS，带宽约700Hz。 6、测量范围：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 硬件系统的设计 4.1 硬件框图 图4-1 硬件框图 本设计是AT89C51单片机控制的电量检测系统。其工作原理是：先由电量传感器采集数据，启动AD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，
18、数据分析和数据处理三部分完成。本设计中，控制系统的控制器有单片机AT89C51为核心，系统采用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4mA20mA。AT89C51单片机控制AD0809进行模数转换，数据经过单片机的运算，输出结果，并把结果在4位8段数码管上显示。4.2 控制电路的设计 4.2.1单片机的选择 20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速，就通用单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已经投放市场的产品就有50多个系列，数百个品种。尽管单片机的品种很多，但是在我国使用最多还是Intel公司的MCS-51系列单片机和美国Amtel公司的89C51单片机。
19、 89C51单片机是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了
20、一种灵活性高且价廉的方案。所以采用此单片机较好。 4.2.2模数转换部分的设计 转换器的种类繁多，工作原理各异，但逐次比较型转换器是应用较多的类型之一，其原因是该类型的转换器转换速度快、精度高。因此本次设计选用一款逐次比较型转换器ADC0809. ADC0809是8位逐次逼近型转换器，它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用转换器进行转换。三态输出锁存器用于锁存转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 ADC0809内部逻辑结构（左）和引脚图（右） 4.3 键盘输入
21、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，一根输入线上的安检工作状态不会影响其他输入线的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键按下了。独立式按键电路配置灵活，软件简单，但每个按键需要占用一个输入口线，在按键数量较多时，需要较多的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的场合。 在此系统中，查看电压、电流只需要两个按键，比较简单，所以就采用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，各位的共阴极或共阳极连接在一起并接地（或+5V）；每位的段选码（ad p）分别与一个8位的锁存器输出相连，所以称为
22、静态显示。各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，知道显示另一个字符为止。也正因为如此，静态显示器的亮度都较高。这种显示方式接口编程容易，付出的代价是占用口线较多，若用IO接口，则要占用4个8位口，若用锁存器接口，则要4片7HC595芯片。如果显示器位数较多，则静态显示方式更是无法适应，因此在显示位数较多的情况下，一般都采用动态显示方式。由于本系统只涉及到4位显示输出，就采用了4片8位移位寄存器串级使用的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
23、 3、何立民, 单片机应用系统设计,北京航空航天大学出版社 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，单片机微型计算机原理及应用，电子工业出版社 6、万隆等，单片机原理与实例应用，清华大学出版社 7、黄智伟，全国大学生电子设计竞赛系统设计，北京航天航空大学出版社6 结束语 课程设计终于做完了，本次设计内容对我来说是个不小的挑战，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，几乎涵盖所有所学知识的设计任务。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的详细讲解，以及自己与同学之间的激烈讨论，查阅相关资料，总算找到了突破点。
24、通过此次的课程设计，使我对单片机、传感器等有了更深一层的了解，真正做到了学有所用，理论结合实际，体会到自己所学的东西很有用。有了理论联系实际的机会，为以后从事这个方面的工作打好了基础，这也是这次课程设计的最大收获。本次的课程设计总的来说还是比较成功的，能够实现电压、电流的采集，计算，输出等，但是还是有许多不足之处，不过的确从中学到了很多，也发现了自己的很多问题，为自己以后的学习、进步打下了不错的基础。7 致谢 历时两周的课程设计已经告一段落，进过自己不断的搜索努力以及赵老师的耐心指导和热情帮助，本设计已经完成。在这段时间里面，赵老师严谨的治学态度和热忱的工作作风使我十分佩服，他的知识也使我受益
25、匪浅，同组的同学也给我了我极大的帮助，在此对帮助我的老师和同学表示深深的感谢。 通过这次的课程设计，让我深刻的认识到专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，并且检验了之前学过的相关课程掌握的熟练程度。虽然在这次设计中对于知识的运用和衔接不够熟练，但是我将在以后的工作和学习中继续努力、不断完善。由于自身水平有限，设计中的不足之处。敬请各位老师批评指导。设计总结： 历时两周的课程设计总算做完了，虽然这次课程设计中有点小小的遗憾，但是总体来说还是满意的。课程设计做了不少，但是这次对我来说是最难的一次。不像前几次，看见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、老师之间的讨论，总算有点眉目。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的重要的专业课知识，不光这样，还有就是需要很好的融汇贯通，光知道知识点，不一定能做好，还要把所有的知识联系起来，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的知识真正变成自己的一部分。考核成绩及评语 指导教师签字 年 月 日系(教研室)意见 系(教研室)主任签字 年 月 日 - 16 -