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1、成绩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地电量检测设计（一）专业班级级：电气 1001班学生姓名名：李化良学号号：1011041013指导教师师：赵艳雷精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 21 页起止日期期：2013 年 7 月 1 日至 2013年 7月 16日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 21 页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，难以满足现代电网向自动化、数字
2、化发展地需要.本文首先系统地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地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地设计方案，其中包括控制电路、单片机AT89C51地选择、 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.由于本人能力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 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结
3、- - - - - - -第 3 页，共 21 页 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 modern grid automation, digitization development needs. This article first sys
4、tematic 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 theory and the traditional theory of comparative power of three parts。 followe
5、d 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 choice, ADC0809 analog-digital conversion part, stand-key keyboard input secti
6、on, 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 reactive power theory Hall sensor AT89C51 ADC0809 目录中文摘要 I 英文摘要 II精选学习资料 - - - -
7、- - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 21 页1 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 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 控制电路地设计 104.2.1 单片机地选择 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 结束语 137 致谢 138 设计总结 15
8、精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 21 页1 绪论近二十年来，以计算机科学，信息学，生命科学为代表地各门新兴学科地迅猛发展，极大限度地刺激了全球经济地发展，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，而电压、电
9、流是其中最关键地两个因素，是否准确地测量电压、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地工作情况.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计算方法.这一部分系统地阐述如何推导计算方法，以及与传统计算方法之间地差异，最后通过数学方法地变换，计算得出与传统地计算理论相比，其结果是一样地.如此一来，为我们选择基于霍尔变换地计算方法提供了强有力地理论支持.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地要求.第二部
10、分主要讲地是霍尔传感器地相关知识.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.通过对其使用范围以及优点地比较，决定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 瞬时无功功率理论精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 21 页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
11、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衡电路各项电压电流地瞬时值分别为ua、ub、uc和iiicba、.为了分析问题方便，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uu、和两相瞬时电流ii、，即uuuuucba32C（1）iiiiicba32C（2）式中23-23021-21-13232C在如图（ 1）所示 平面上，矢量uu、和ii、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uu、和ii、分别为 u 和 i 在 轴和 轴地投影），即uu
12、uuU（ 3）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 21 页iiiiI（4）式中 U、I 矢量 u、i 地模；u、i分别为矢量u、i 地幅角 .根据式（ 1）和式（ 2）引入瞬时有功功率和瞬时无功功率，有iuiup（5）iuiu-q（6）式（ 5）和式（ 6）写成矩阵形式为iiiiuuuupq-qpC（7）式中uuuu-pqC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iuiuiuccbbaap（ 8）iuuiuuiuucbabacacb-31q（ 9）从式（ 8）可以看出，三相电路瞬时有功功率就
13、是三相电路地瞬时功率.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 21 页由式（ 7）可得qp-qp-222222221-uuuuuuuuuuuuuuuuii（10）由此可将i和i作出含有p、q 项地分解 .如果不做 变换，在有中线电流地情况下，三相有3 个独立电流分量iiba、和ic，就不能唯一确定地将三相电流作出含有p、q 项地分解，这就是为什么要作 变换来分析地一个原因.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ip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icosip（11a）isiniq
14、（11b）式中iu-定义 、 相地瞬时无功电流iiqq、（瞬时有功电流iiqq、），为三相电路瞬时无功电流iq（瞬时有功电流ip）分别在（ 、 ）轴上地投影，即瞬时有功电流地分量pucouuuiuiipupap22s（12a）瞬时有功电流地 分量精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 21 页punuuuiuiipupp22si（12b）瞬时无功电流地分量qunuuuiuiiquq22qsi（12c）瞬时无功电流地 分量quuuuiuiiquq22q-cos-（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地有
15、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非常相似，可以看成是传统理论地推广和延伸.下面分析三相对称电压和电流均为正弦波时地情况，设三相电压、电流分别为tUumasin（13a）3/2sintUumb（13b）3/2sintUumc（13c）tIimasin（14a）3/2sintIimb（14b）3/2sintIimc（14c）利用式（ 1）和式（ 2）对上两式进行变换，可得精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 21 页tc
16、otUmssin2uu（15）tcotImssin2ii（16）式中UUmm232，IImm232把式中（ 15）和式（ 16）代入式（ 7）中可得s23mcopIUm（ 17a）sin23mIUmp（17b）令2mUU、2mII分别为相电压和相电流地均方根值，得s3UIcop（18）sin3UIq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tIimpsincos2（ 19）精选学习资料 - - - - - - - - -
17、 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 21 页2sinsin2tIimq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.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容了传统地无功功率理论，比传统理论有更大地适用范围 .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 ，18551938）于1879 年在研究金
18、属地导电机构时发现地.后来发现半导体、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.霍尔效应是研究半导体材料性能地基本方法 .通过霍尔效应实验测定地霍尔系数，能够判断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 .开关型霍尔传感器还有一种特殊地形式，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.
19、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.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 21 页 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
20、霍尔电压地输出端.如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流.一般地说，偏置电流地设定通常由外部地基准电压源给出；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，并在薄片地垂直方向施加磁感应强度为B 地匀强磁场，则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地电流和电压，如：直流、交流
21、、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.而普通互感器则是无法与其比拟地，它一般只精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 21 页适用于测量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7
22、00Hz. 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 硬件系统地设计 4.1 硬件框图显示独立式按键霍尔电流传感器霍尔电压传感器图 4-1 硬件框图本设计是AT89C51 单片机控制地电量检测系统.其工作原理是：先由电量传感器采集数据，启动 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，数据分析和数据处理三部分完成 .本设计中，控制系统地控制器有单片机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4mA 20mA.AT89C51 单片机控制AD0809精选学习资料 - - -
23、- - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 21 页进行模数转换，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 控制电路地设计 4.2.1 单片机地选择 20 世纪 80 年代以来，单片机地发展非常迅速，就通用单片机而言，世界上一些著名地计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还是Intel 公司地 MCS-51 系列单片机和美国Amtel 公司地 89C51 单片机 . 89C51 单片机是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM Falsh Pr
24、ogrammable 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 字节闪烁可编程可擦除只读存储器地单片机.单片机地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 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL地89C51 是一种高效微控制器，89C2051 是它地一种精简版本.89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉地方案.所以采用此单片机较好. 4.2.2
25、模数转换部分地设计DA转换器地种类繁多，工作原理各异，但逐次比较型DA转换器是应用较多地类型之一，其原因是该类型地DA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DA转换器 ADC0809. ADC0809 是 8 位逐次逼近型DA转换器，它由一个8 路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个DA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DA转换器进行转换.三态输出锁存器用于锁存DA转换完地数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完地数据.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - -
26、 - -第 16 页，共 21 页IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78路模拟量开关8 路A/D转换器三态输出锁存器地址锁存器与译码器ABCALE+E-EOESTARTCLKD0D1D2D3D5D6D7D4EOCIN -026msb2-1212-220IN -1272-3192-418IN -2282-582-615IN -312-714lsb2-817IN -42EOC7IN -53ADD-A25IN -64ADD-B24ADD-C23IN -75ALE22ref(-)16ENABLE9START6ref(+)12CLOCK10ADC0809 ADC0809 内部逻辑结构（左）和
27、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
28、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，静态显示器地亮度都较高.这种显示方式接口编程容易，付出地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地情况下，一般都采用动态显示方式.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 21 页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
29、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地挑战，虽然之前也做过课程设计，
30、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详细讲解，以及自己与同学之间地激烈讨论，查阅相关资料，总算找到了突破点.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了解，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还是比较成功地，能够实现电压、电流地采集，计算，输出等，但是还是有许多不足之处，不过地确从中学到了很多，也发现了自己地很多问题，为自己以后地学习、进步打下了不
31、错地基础.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 21 页7 致谢历时两周地课程设计已经告一段落，进过自己不断地搜索努力以及赵老师地耐心指导和热情帮助，本设计已经完成.在这段时间里面，赵老师严谨地治学态度和热忱地工作作风使我十分佩服，他地知识也使我受益匪浅，同组地同学也给我了我极大地帮助，在此对帮助我地老师和同学表示深深地感谢.通过这次地课程设计，让我深刻地认识到专业知识地重要性，也理解了理论联系实际地含义，并且检验了之前学过地相关课程掌握地熟练程度.虽然在这次设计中对于知识地运用和衔接不够熟练，但是我将在以后地工作和学习中继
32、续努力、不断完善.由于自身水平有限，设计中地不足之处.敬请各位老师批评指导.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 21 页设计总结：历时两周地课程设计总算做完了，虽然这次课程设计中有点小小地遗憾，但是总体来说还是满意地 .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，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、老师之间地讨论，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地重要地专业课知识，不光这样，还有就是需要很好地融汇贯通，光知道知识点，不一定能做好，还要把所有地知识联系起来，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地知识真正变成自己地一部分.考核成绩及评语指导教师签字年月日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 21 页系(教研室)意见系(教研室 )主任签字年月日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 21 页
