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1、 毕业设计（论文）设计(论文)题目基于ATMEL单片机的永磁电机电能参数测量硬件设计：学号：学院：年级：指导教师：word格式. 目录摘要1第1章绪论3第2章AT89S51单片机构造及其控制原理简介42.1.AT89S51简介42.2.AT89S51部结构42.3.AT89S51单片机管脚定义及功能62.4.中断系统82.5.定时器/计数器82.6.串行口82.7.CPU的工作原理8第3章三相永磁电动机输入电压和输入电流有效值的测量方法113.1.瞬时值测量方法的引出113.2.主要元件的选择113.3.硬件电路构成173.4.由瞬时值跟踪有效值的理论依据21第4章三相永磁电机功率因数及输入功
2、率的测量方法224.1.功率因数的测量方法224.2.电机输入功率的求解方法23第5章总结与致25参考文献27摘 要近些年来，在电力电子技术、微电子技术、电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展下，永磁同步电机（PMSM）得以迅速的推广应用。永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。而ATMEL公司生产的AT89系列单片机是目前应用最广泛的8位单片机之一，它因具有高性能、低价格、低功耗、大存储容量、指令简洁、方便易学等诸多优点而广泛应用在工业测控系统中。在电机管理中，经常需要测量其电能参数，如电压、电流、功率、功率因数等，以便对
3、其工作状态进行正确地判断和调整，以达到及时排除隐患，节约电能，提高效率的目的。本设计即是基于此方面的考虑，拟以ATMEL公司生产的单片机AT89S51为CPU，以变压器和霍尔电流传感器为强电到弱电变换的桥梁，通过快速A/D转换器AD574A配合模拟开关CD4051对瞬时的较低的电压信号进行采样转换，以采样定理为理论基础，一连串的转换数字量输入单片机统计处理后得出的结果即可准确地跟踪电压和电流的有效值。由于交变电压和电流信号有相位差，两种交变信号顺次通过过零比较器后得到的方波信号的下降沿可以被单片机识别，若利用单片机的两个外部中断源输入引脚配合片定时器，便可较为准确地计算电压和电流信号的相位差，
4、进而求得功率因数。综合以上电压、电流有效值和功率因数的测量结果可计算出电机的输入功率和有功功率。关键词永磁电机 ATMEL 单片机 电能参量AbstractIn recent years, with the rapid development of power electronic technology, microelectronics, new type control theory of motor and permanent magnetic material of rare earth, permanent magnet synchronous motors are being ra
5、pidly promoted and utilized. Permanent magnet synchronous motor has a small size, low power loss, high efficiency, and with the increasing concerns of energy saving and protection of environment in todays life, research of it is of great necessity. AT89 series microcontrollers of ATMEL Corporation i
6、s one of the most widely used 8-bit microcontrollers. Its advantages of high performance, low price, low power consumption, large storage capacity, simple instructions and easy to learn make it widely used in industrial detection and control systems. In the management of motors, parameters of electr
7、icity such as voltage, current, power, power factors are usually necessary to judge and adjust their states aiming at removing hidden dangers, saving energy and improve efficiency. This design is based on the microcontroller of AT89S51, through the transformation of the transformer, hall current sen
8、sor, A/D converter and analog switch to get the instantaneous value of AC voltage and current. According to sampling theorem, if the sampling frequency is up to two times of the signal, the sampled values which are discrete can preciously reflect the analog signal. In this way, we can calculate the
9、effective value accurately. The existing phase difference between AC voltage and AC current leads to the formation of the power factor. If the signals of voltage and current go through the over zero comparator, there must be two square waves with time difference output which we can utilize to access
10、 the two external interrupt entrance of AT89S51. We can handle the interrupts in routines with the timers inside the microcontroller which can easily calculate the power factor and the power input the motors.Key wordsPermanent Magnet Synchronous Motors, ATMEL, Microcontroller, Electricity parameters
11、一、 绪论本文研究的主要任务是测量三相交流永磁同步电机输入电压和输入电流的有效值、功率因数和输入功率等电能参量的方法。这其中包括几个问题：(1). 常用三相电机的输入电压为220V或380V，输入电流为几安到十几安，这么大的模拟量如何测量？(2). 功率因数是以交流电网中电压和电流之间存在的相位差决定，但是该相位差如何测定？、(3). 整个测量系统中的各类芯片如何选型？它们所需的供电电压如何保证？针对以上问题，本设计的主要研究方法可概括为：以变压器、霍尔电流传感器、电压/电流互感器、耦合电感为强电到弱电的桥梁，以A/D转换器为低压模拟量和数字量的交互通道，利用单片机进行一连串的数字量的运算处理
12、显示等相关控制。具体如下：(1). 交变电流信号只有转换为电压才能进行后续的测量，这需要用霍尔电流传感器进行相关转换，由于其阻抗很小，它的接入不会对电机的正常工作产生影响；(2). 由于各类芯片正常工作耗能都很少，因此我们可以从电网中引出交变电压自制稳压电源对它们供电；(3). 待测电压电流均为交变量，须选择具有双极性信号转换功能的A/D转换器。这里我们拟采用Analog Devices公司生产的AD574A芯片；(4). 结合精度的考虑，交变信号周期为20ms，拟采用ATMEL公司生产的AT89S51单片机作为整个系统的CPU芯片进行全面控制；(5). 如把低压交变电压和交变电流信号分别引入
13、过零比较器，输入信号就是具有一定时间间隔的方波。若用单片机的外部中断输入引脚接收来自两个方波的下降沿，配合片定时器便可对它们的相位差进行较为准确的测量；(6). 结合电压和电流有效值、功率因数的测量结果，利用相关公式，电机的输入功率便不难求得。在后续的章节中，我们将详细介绍单片机的工作原理、电压电流有效值的测量方法及理论依据、功率因数的测量方法以及电机输入功率的计算方法。二、 AT89S51单片机构造及其控制原理简介本章将就本设计所采用的CPU芯片AT89S51单片机的组成、结构及引脚功能作一详细介绍，深入分析AT89S51单片机的控制方法，编程方法。（一）、 AT89S51简介AT89S51
14、是一个低功耗，高性能的CMOS 8位单片机，片含4k字节的ISP（在系统编程）闪存只读程序存储器，可反复擦写1000次。器件采用ATMEL公司的高密度非非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令集和80C51引脚结构，芯片集成了8位通用中央处理单元和ISP闪存存储单元，被广泛应用在各种嵌入式控制系统中。其主要性能特点如下：（1） 拥有4k Bytes Flash片程序存储器；（2） 128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）；（3） 32个外部双向输入/输出（I/O）口；（4） 5个中断优先级、2层中断嵌套中断；（5） 6个中断源；（6） 2个16位可编程定时器/计数器；（7） 2个
15、全双工串行通信口；（8） 看门狗（WDT）电路；（9） 片振荡器和时钟电路；（10） 与MCS-51兼容；（11） 全静态工作时钟频率：0Hz-33MHz；（12） 三级程序存储器锁定；（13） 可编程串行通道；（14） 低功耗的闲置和掉电模式。（二）、 AT89S51部结构图2-1为AT89C51部结构框图。从图中我们可以看出，单片机部不仅有CPU、RAM、ROM、定时/计数器、串行口等主要部件，还有驱动电路、锁存器、指令寄存器、地址寄存器等辅助电路。下面将就几个主要部分做一详细介绍。图 二1中央处理器（CPU）：中央处理器是单片机的核心部分，是MCU的大脑和心脏，主要任务是完成操作和控制功能。AT89S51的CPU的字长为8位，一次可以处理一个字节的数据。随机存储器（RAM）：这部分是用来存储变量的，掉电后消失。AT89S51的RAM大小为256字节，但是专用寄存器占用后128个字节，用户只能使用前128个字节。只读存储器（ROM）：ROM用于存储程序和固定的常数，掉电后存储的数据不消失。AT89S51拥有4KB闪存，比EEPROM的更新速度更快，并可以承受约1000次的擦除重写操作。
