交流电参数测量仪-liang.doc

光电课程设计报告光电课程设计报告 题目：交流电参数测量仪题目：交流电参数测量仪(第一阶段第一阶段) 专业：光电信息工程 班级：光电 0806（重修） 姓名：梁兆承 指导老师：吴裕斌 学号：U200813417 联系电话同组人姓名：李志宇，包日超，张峰 目 录 一、摘要 1 二、技术指标1 三、基本原理2 四、方案论证 3 五、硬件电路设计3 六、软件设计5 七、结论9 八、心得体会9 九、参考文献.10 十、附录.11 1 程序流程图. 2 元件清单. 3 电路原理图及印制板图 1 1 1、摘要摘要 随着电力系统的快速发展，电网容量不断增大，结构日趋复杂， 电力系统中实时监控、调度的自动化显得尤为重要，而电力参数的 数据采集又是实现自动化的重要环节，如何快速准确地采集系统中 各元件的电参数（电压、电流、功率、频率等）是实现电力系统自 动化的一个重要因素。 基于此，本文主要设计一个基于 MSC-51 单片机控制的交流电 参数测量仪，此仪器可以测量交流电参数的电压，频率。 2 2、设计指标设计指标 1、采用 51 系列单片机 2、可测量交流电的电压有效值，测量误差为0.5V 3、可测量交流电的电源频率，测量误差为0.1Hz 4、测量结果采用 LED 数码显示 5、带有测量数据保持功能键 2 三、三、基本原理基本原理 交流电采样算法原理：交流电采样算法原理： 交流直接采样方法测量交流电量的算法虽有多种，但较实用有三种，即最大值法、 积分法和傅里叶变换法。最大值法适宜输入信号为纯正弦周期信号情况，多次采集求平均 可减小误差，但考虑内部 A/D 采集间隔会在很大程度上影响对峰峰值的检测，会使测量不 准。傅里叶变换法是将离散的采样值经过离散傅里叶变换(DFT)转换到频域，求出基波和 谐波分量，再求有效值及平均功率。实际使用中可以采用快速傅里叶变换(FFT)以提高运算 速度，但是计算量仍然偏大。积分法就是从连续周期信号有效值的定义和功率的定义出发， 用数值积分近似代替连续积分进行计算的方法。采用积分法微机计算量较小，装置实时性 好，适合以单片机为核心进行设计。具体算法如下： 在非正弦波情况下，相电压、相电流的有效值定义为： T rms dtu T U 0 2 1 T rms dti T I 0 2 1 在对电流电压采样时，每个周期采样 N 点，采样间隔为 T，得到离散化采样序列 、，则有： k u k i 1 0 2 1 N k kkrms Tu T U 1 0 2 1 N k kkrms Ti T I 若采样间隔 Tk恒定为 T，则 N=T/T。电流和电压有效值公式为： 1 0 2 1 N k krms u N U 1 0 2 1 N k krms i N I 对于频率的测量，是将交流信号经电压比较器变成方波后送到 89C51 的 P3.2 脚（外中 断 0） ，由 89C51 计数 0 在方波的一个周期内计数，然后乘以系统内部时钟得到方波周期 T，所以频率就为 1/T。 其他的电力参数计算公式分别如下： 有功功率 1 0 N k kki uP 视在功率 rmsrmsI US 无功功率 22 PSQ 功率因数 S P cos 积分和法的精度与采样点数 N 和采样的同步度有关。在系统速度允许的情况下，可以 增加采样点数以提高运算精度，一般每周波可采样几百点。该算法实时性强，算法简单， 能够计及信号中高次谐波的影响，在不需要测量基波和各次谐波参数值的情况下，可以选 用此算法。 3 4 4、方案论证方案论证 此系统是以 89C51 为主控制器，系统把取样采集电路得来的信号分别通过放大、整流, 再通过 A/D 转换芯片，实时把模拟量转化为数字量，再经单片机分析处理，进行数值积分， 可得到变压器副边电压值、电源的频率，并送到外部显示单元显示，并通过外接按键控制 显示和数据保持。 五、系统硬件设计五、系统硬件设计 （一）硬件设计系统框图 如图 1： （二）主要的硬件电路设计 1，电压信号采集电路 4 2，整形电路设计 电压信号具有正负极性的交流信号必须把交变信号进行精密整流使其变成正极性单向 脉动信号才能被 ADC0809 接受当然在整流以前必须要进行幅度衰减使其适合于 ADC0809 的电平要求。精密整流电路如图 3 所示 3，A/D 转换电路设计 ADC0809 的任务是将由采样保持器来的离散时间信号幅度量化后送给主机 89C51，如 图 4 所示。 4，显示电路设计 数码显示器采用 6 个 LED 显示器组成,单片机处理后送出的显示数据一般为 BCD 码,由外扩的 BCD 码到 7 段显示码的硬件译码器件,对 BCD 码进行译码后得到 LED 显示码, 送给显示器显示所需的字符,这里采用的硬件译码器件是 CD45ll。6 个 LED 动态扫描显示 电路如图 5： 5 六、系统软件设计六、系统软件设计 1,主程序流程图 在系统的软件设计中，采用模块化设计方法，使得程序结构清晰，便于今 后进一步扩展系统的功能。系统有以下模块构成：主程序，时钟中断程序，数 据采集处理子程序，显示程序，按键控制程序等。主程序主要完成系统初始化， 装置自检等任务。系统的初始化部分包括 CPU 各端口输入输出设置、外围驱动， 译码电路的初始化等。系统的数据采集处理子程序的功能书采集各相电压值、 电流值。在定时中断服务程序中主要进行频率测量。 系统的总流程图如下图 6 所示: 6 2，数据采集子程序 设计原理：根据离散化公式可知，由一个周期内不同时刻的电压。电流的采样值及每 周期采样点可计算出电压和频率值。工频交流电标准频率为 50HZ。根据 89C51 的 12MHZ 主 频和 ADC0809 的 25us 的转换速度，采样周期定为 400us，即一个周期内采 16 个点。 数据采集流程图如下图 7 所示 7 3，数据处理程序 （1）电压处理程序 电压有效值公式： ， 电压处理程序图如图 8 所示： 1 0 2 1 N k kkrms Tu T U 8 （2）频率测量程序 对于频率的测量本设计采用中断的方式，程序如图 9 所示： 9 七、七、结论结论 本系统以 89C51 单片机为核心部件，利用软件编程，通过对交 流采样的优点、原理和算法等方面作了全面分析，设计出基于单片 机控制的交流点参数测量仪，该仪器可以测量电压和频率，通过 LED 屏幕显示数据，速度快，测量精度准确。 可能的创新点：在系统中加入指令冗余等抗干扰措施，增加系统 的测量精度。 八、心得体会八、心得体会 时光飞逝，一转眼，本学期的光电课程设计将在一周内完成了。 说起课程设计，我认为最重要的就是做好设俗话说“好的开始是成功的一 半” ，即预习，认真的研究老师给的题目，选一个自己有兴趣的题目。其次，老 师对实验的讲解要一丝不苟的去听去想，因为只有都明白了，做起设计就会事 半功倍，如果没弄明白，就迷迷糊糊的去选题目做设计，到头来一点收获也没 有。 虽然这次的课程设计算起来在课堂上的时间只有5周，不过因为我们课余时间至 少花了3个月的时间。硬件的设计要我们不断的查资料研究才有了方案，单片机 的编程也要我们不断的调试，最终一个能完成课程设计的劳动成果出来了。 当然，这其中也有很多问题，第一、不够细心比如pcb的布线时会漏很多地方， 由于对课本理论的不熟悉导致编程出现错误。第二，是在学习态度上，这次课 设是对我的学习态度的一次检验。对于这次光电综合课程实习，我的第一大心 得体会就是作为一名工程技术人员，要求具备的首要素质绝对应该是严谨。我 们这次实习所遇到的多半问题多数都是由于我们不够严谨。第三，在做人上， 我认识到，无论做什么事情，只要你足够坚强，有足够的毅力与决心，有足够 的挑战困难的勇气，就没有什么办不到的。在这次难得的课程设计过程中我锻 炼了自己的思考能力和动手能力。通过题目选择和设计电路的过程中，加强了 我的思考问题的完整性和实际生活联系的可行性。在方案设计选择和芯片的选 择上，培养了我们综合应用单片机及相关器件的能力,对单片机的各个管脚的功 能也有了进一步的认识。还锻炼我们个人的查阅技术资料的能力，动手能力， 发现问题，解决问题的能力。并且我们熟练掌握了有关器件的性能及测试方法。 具体说说这次的设计：器件原理图的设计时我们使用了Protel99SE制图 工具，由于一些实际的器件在器件库中无法找到，我们只有自己制作，在这个 10 过程中我们学到了很多的知识和方法。在绘制PCB印刷电路板的时候，很多器件 的封装与原理图中的器件有一定的差别，为了获得准确的封装，我们实际测量 了所给器件的大小与规格，自己制作了与之匹配的封装库，这让我们明白实践 是出真知的唯一途径，只有亲自动手，实际才能测试才能获得最可靠的设计数 据。当然我们也出现了严重的失误，由于对接收器与信号灯距离估计不足，导 致两者过近，出现了干扰的危险。因此我们不得不重新处理这个问题，这个教 训也告诫了我们，对于任何小的细节都不能掉以轻心，小的疏忽也会造成大的 损失。对于电路图和电路板都应当采取科学谨慎的态度，这是保证是的基本实 验结果产生的前提。程序的编写过程也给了我们很大的收获。在编写程序之前， 我们查阅了大量的相关资料，力求做到规范清晰。在把握了整体的思路后，我 们先从程序流程图着手， 将整个程序分成若干模块，分开编写，一边发现问题 一边解决问题，并在实验板上检验程序测试情况，根据现象不断修改。在这个 过程中我们体会到编程的技巧，设置子程序的合理性，同时对单片机的设计有 了整体的理解和深刻的体会，使我们的思维的锻炼与能力培养有了很大的提高 和长足的进步。 再次谢感吴老师的辅导以及同学的帮助，是他们让我有了一个更好的认识， 无论是学习还是生活，生活是实在的，要踏实走路。课程设计时间虽然很短， 但我学习了很多的东西，使我眼界打开，感受颇深。 以下是一些经验： （1） 学习没有捷径，别指望两三天就学会,要坚持不懈，重在积累。 （2） 别崇拜高手，别相信天才，大部分人都不是天才（相信你也不是）！ （3） 课程设计是一次应用性和实践性的课程，要多动手，多动脑。 （4） 要学会参考别人的程序，减少自己琢磨的时间，迅速提高自己的编程能 力。 （5） 碰到问题可以借助网络来搜寻答案和对自己有帮助的问题,可以大大减少 你的开发时间。 （6） 要多交一些朋友，多交流。技术是靠不断的积累和交流才会进步的，封 闭自守只会更加落后。希望大家多上网看看前辈的经验,可以少走很多弯路。 九、参考文献九、参考文献 胡乾斌，李光斌等 单片微型计算机原理与应用华中科技大学出版社 陈大钦 罗杰 电子技术基础实验 高等教育出版社 康华光 电子技术基础（数字部分） 高等教育出版社 陈明荧 8051单片机课程设计实训教材 清华大学出版社 陈爱弟 Protel99se实用培训教程 人民邮电出版社 康华光 电子技术基础（模拟部分） 高等教育出版社 11 十、附录十、附录 1 1 源代码源代码 源代码： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 00DFH LJMP PL MAIN:MOV TMOD, #15H MOV IE 00H;关中断 SMPA:MOV R0, #00H; A相电压采集子程序，相数选择初始化 MOV R2, #80H; RTEA:MOV A, R0 MOV P2,A MOV R7,#00H MOV R1,21H AD12A:MOV R0, 00H MOV A, R0 SHA:JNB 00H, SHA NOP NOP NOP CLR P2.0 MOV P3,#3FH; 启动A/D转换 AD1A:JB P1.3,AD1A SETB P2.0 LCALL DATA MOV R0, 0CH; MOV A, R0 MOV P2,A CLR P2.0 MOV P3,#3FH;启动A/D转换 AD2A:JB P1.3,AD2A INC R2; SETB P2.0 12 LCALL DATA INC R7 INC R1 INC R1 CJNE R7,#10H,AD12 NOP NOP NOP INC R0 INC R2 SMPB:MOV RO,#80H; B相电压采样子程序相数选择初始化化 MOV R2,#82H; RTEB:MOV A,R0 MOV P2,A MOV R7,#00H MOV R1,21H AD12B:MOV R0,80H MOV A,R0 SHB:JNB 00H,SHB NOP NOP NOP CLR P2.0 MOV P3,#3FH AD1B:JB P1.3,AD1B SETB P2.0 LCALL DATA MOV R0,20H MOV A,R0 MOV P2,A CLR P2.0 MOV P3,#3FH AD2B:JB P1.3,AD2B INC R2; SETB P2.0 LCALL DATA INC R7 INC R1 INC R1 CJNE R7,#10H,AD12 NOP NOP NOP INC R0 13 INC R2 SMPC:MOV R0,#40H; C相电压采样子程序相数选择初始化 MOV R2,#84H; RTEC:MOV A,R0 MOV P2,A MOV R7,#00H MOV R1,21H AD12C:MOV RO,40H MOV A,R0 SHC:JNB 00H,SHC NOP NOP NOP CLR P2.0 MOV P3,#3FH AD1C:JB P1.3,AD1C SETB P2.0 LCALL DATA MOV R0,0A0H MOV A,R0 MOV P2,A CLR P2.0 MOV P3,#3FH AD2C:JB P1.3,AD2C INC R2 SETB P2.0 LCALL DATA INC R7 INC R1 INC R1 CJNE R7,#10H,AD12 NOP NOP NOP INC R0 INC R2 MOV R1,21H CJNE R1,#03H,RTEC MOV IE, 9FH LCALL PL PL:MOV TMOE,#15H;频率测量子程序 MOV TH0,#FFH MOV TL0,#80H MOV TH1,#00H 14 MOV TL1,#00H SETB TR0 SETB TR1 LP1:JBC TF0,LP2 AJMP LP1 LP2:CLR TR1 CLR TR0 CLR TF0 CLR TF1 MOV R0,#50H MOV RO,TL0 INC R0 MOV RO,TH0 LCALL NDIV42 NDIV42:MOV R5,0 MOV R2,0 MOV R3.51H MOV R4,50H MOV R6.#FFH MOV R7,#80H MOV A,R1 PUSH A MOV B,#00H NDV421:MOV A, R2 CLR C SUBB A,R7 NOP NOP NOP MOV R1,A MOV A,R5 SU