基于单片机的谐波检测仪的研究

河 北 农 业 大 学 现 代 科 技 学 院本 科 毕 业 论 文 (设 计 )题 目： 基于单片机的谐波检测仪的研究 学 部： 工学部 专业班级： 电子信息科学与技术 0801 学 号： XXXXXXXXX 学生姓名： XXXX 指导教师姓名： XXXX 指导教师职称： 讲 师 二 O 一 二 年 六 月 三 日摘要本文首先介绍了谐波分析算法的理论依据。在广泛使用的FFT算法的基础上，对谐波检测的对象进行数据分析，为系统的设计提供参考数据。本文完成了系统硬件电路的设计和仿真。硬件电路以MCS一51单片机为核心，配以适当的外围接口电路来完成各项功能。主要包括AD采样电路、数据处理电路(单片机)、D/A转换器。软件设计以快速傅立叶变换(FFT)为主要部分，通过对所采集的数据来测量电参数。进行了相关软件算法的设计，完成每周期256点的离散采样，由单片机进行基2一FFT运算，运算结果可用于63次以下的谐波分析。系统程序采用模块化的设计思想，在软件设计中对每个模块都完成了框图设计和相关的编码设计。关键字：单片机；谐波检测；FFTAbstractThis paper first introduced the harmonic analysis algorithm theory basis. In the extensive use of FFT algorithm, on the basis of the object of harmonic detection of data analysis, for the design of the system with reference data. We completed a hardware circuit and the design of system simulation. Hardware circuit to 51 single-chip microcomputer is a MCS, match with appropriate interface circuit to the periphery of the complete all the function. Mainly includes A/D sampling circuit, data processing circuits (SCM), D/A converter. The software design with fast Fourier transform (FFT) as the main part, from all the data to measure electric parameters. Some software algorithm design, complete each cycle of discrete sampling 256 points, by MCU and 2 a FFT calculation, the operation result can be used for 63 times of the harmonic analysis. System programming the modularized design thought, in the software design of each module completed the block diagram design and relevant code design.Key word: single chip microcomputer;the harmonic detection; FFT目 录1 前言 .11.1 目的意义 .11.2 谐波检测的现状 .11.3 本文研究内容 .21.3.1 谐波检测的仿真设计思路 .21.3.2 课题的主要任务 .22 系统整体设计 .22.1 硬件系统设计 .22.1.1 数据采集模块 .32.1.2 D/A 转换器与 51 的接口模块 .42.1.3 显示模块 .62.1.4 系统整体结构 .72.2 系统软件设计 .72.2.1 数据采集软件模块 .92.2.2 算法实现 .92.2.3.开方在单片机中的原理 .103.系统仿真 .124结论 .14参考文献 .15附录： .161 前言谐 波 的 危 害 十 分 严 重 。 谐 波 使 电 能 的 生 产 、 传 输 和 利 用 的 效 率 降 低 ， 使 电 气 设 备 过热 、 产 生 振 动 和 噪 声 ， 并 使 绝 缘 老 化 ， 使 用 寿 命 缩 短 ， 甚 至 发 生 故 障 或 烧 毁 。 谐 波 可 引起 电 力 系 统 局 部 并 联 谐 振 或 串 联 谐 振 ， 使 谐 波 含 量 放 大 ， 造 成 电 容 器 等 设 备 烧 毁 。 谐波 还 会 引 起 继 电 保 护 和 自 动 装 置 误 动 作 ， 使 电 能 计 量 出 现 混 乱 8。 对 于 电 力 系 统 外 部 ，谐 波 对 通 信 设 备 和 电 子 设 备 会 产 生 严 重 干 扰 。1.1 目的意义由于谐波的危害，给生产生活带来了严重的危害，就有必要去检测它，主要有以下这些方面的意义：首先，它可以提高企业设备的供电质量，提高设备运行的可靠性，减少因设备误动作而造成的经济损失；其次，可以减少谐波电流在输配电线路上产生的损耗，同时降低用电设备发热，减少绝缘老化，从而提高设备的使用寿命，减少设备的维护费用；第三，谐波治理能够减少电网 11中补偿电容器的谐振机率 7，同时，减少谐波对系统信号传输的影响，增加系统的可靠性；第四，可以减少谐波对公共电网的污染。1.2 谐波检测的现状对于国内外来说，主要是对谐波的治理方面的研究。因为检测到谐波的存在就得去治理它，毕竟谐波是有危害的，主要表现在以下这些方面，谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声 12，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。目前对谐波的治理主要采用两种方法无源滤波装置和有源滤波器；无源滤波装置主要采用 LC 回路，并联于系统中，LC 回路的设定，只能针对于某一次谐波，即针对于某一个频率为低阻抗，使得该频率流经为其设定的 LC 回路，达到消除（滤除）某一频率的谐波的目的。LC 回路在滤除谐波的同时，在基波对系统进行无功补偿。这种滤波装置简单，成本低，但不能滤除干净。其主要元件为投切开关、电容器、电抗器以及保护和控制回路。有源电力滤波器，这种滤波器是用电力电子元件产生一个大小相等，但方向相反的谐波电流，用以抵销网络中的谐波电流，这种装置的主要元件是大功率电力电子器件，成本高，在其额定功率范围内，原则上能全部滤除干净。综合现有的文献，国内外对 APF 的研究主要集中在三个方面：拓扑结构，无功、谐波和负序检测算法，电流跟踪控制算法。1.3 本文研究内容1.3.1 谐波检测的仿真设计思路谐波分析通常采用傅立叶变换理论。目前，基于傅立叶变换理论的 FFT 技术已相当成熟，且 FFT 是目前谐波检测中应用最广泛的一种谐波检测方法。因此在系统软件设计中，我们采用 FFT 算法作为谐波检测方法。FFT算法的核心单元是蝶型运算。一个 点FFT，需要进行m次蝶型运算。在FFTWN运算中，涉及到算子(第L级第J个算子X(J)与蝶型因子 的乘法运算。根据复数乘法法则， 可以看作是正弦值和余弦值的组合，由于余弦函数可以用正弦来替代，为了程序NW查表方便，程序预制正弦表并按照规律存放。正弦表在固化到程序存储器前，要进行归一化处理。程序采样完毕后，先读取正弦表，然后调用FFT子程序 10。1.3.2 课题的主要任务本课题的主要任务是在基于 AT89C51 的基础上，来扩展外围电路，实现对谐波的检测，整个系统的搭建都是在 protues 环境下进行。在此环境下，选择了一款傅里叶分析表，对经过处理后的波形，观察其的幅频特性曲线，从而直观的去了解什么是基波，1 次谐波，3 次谐波等正弦波，总的来说，就是基于 protues 的谐波检测的利用。Proteus ISIS 是一款集电子仿真、单片机仿真于一体的 EDA 软件，是极具竞争力的仿真软件。Proteus ISIS 可以仿真各种复杂的输入电压、电流信号，因此，很容易用来仿真谐波信号的输入。在 Proteus ISIS 中，可以仿真各种单片机，这些单片机可以根据各种输入信号，如按键、标准与自定义波形、运行程序，并与仿真各种接口芯片进行通信、仿真 LED 数码管或 LCD 显示。因此，将 Proteus ISIS 应用于谐波检波器的设计，既经济又方便，使得选择这款仿真软件成为必然。2 系统整体设计2.1 硬件系统设计图 2-1 系统原理图本系统只是在 protues 下的仿真，对于信号的预处理这个模块就简化了，直接给出模拟信号，让 ADC008 对模拟信号进行处理。2.1.1 数据采集模块数据采集模块主要用的是 ADC0808 芯片图 2-2 ADC0808ADC0808 是采样分辨率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 路模拟信号中的一个进行 A/D 转换。ADC0808 是 ADC0809 的简化本，功能基本相同。一般在硬件仿真时采用 ADC0808 进行 A/D 转换，实际使用时采用 ADC0809 进行 A/D 转换。ADC0808 是 CMOS 单 片 型 逐 次 逼 近 式 A/D 转 换 器 ， 它 有 8 路 模 拟 开 关 、 地 址 锁单片 机数据采集A/DD/A0832显 示信号预处理存 与 译 码 器 、 比 较 器 、 8 位 开 关 树 型 A/D 转 换 器 。2.1.2 D/A 转换器与 51 的接口模块DAC0832 是 8 分 辨 率 的 D/A 转 换 集 成 芯 片 34。 与微 处 理 器 完 全 兼 容 。 这 个 DA 芯 片 以 其 价 格 低 廉 、 接 口 简单 、 转 换 控 制 容 易 等 优 点 ， 在 单 片 机 应 用 系 统 中 得 到 广 泛的 应 用 。 D/A 转 换 器 由 8 位 输 入 锁 存 器 、 8 位 DAC 寄 存器 、 8 位 D/A 转 换 电 路 及 转 换 控 制 电 路 构 成 。D/A 转换器用来将数字量转换成模拟量。它的基本要求是输出电压 VO应该和输入数字量成正比，即：V O=D*VR 其中，VR 为参考电压。每一个数字量都是数字代码的按位组合，每一位数字代码都有一定的“权” ，对应一定大小的模拟量。为了将数字量转换成模拟量，应该将其每一位都转换成相应的模拟量，然后求和既可得到与数字量成正比的模拟量。 DA 转换器可分成两大类：1.直接 DA 转换器是指直接将输入的数字信号转换为输出的模拟信号。2.间接 DA 转换器是先将输入的数字信号转换为某种中间量，然后再把这种中间量转换成为输出的模拟信号。其中，间接 DA 转换方式在集成 DA 转换器中很少使用。D0D7：8 位数据输入线，TTL 电平，有效时间应大于 90ns(否则锁存器的数据会出错)；ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；CS：片选信号输入线（选通数据锁存器） ，低电平有效；WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于 500ns）有效。由ILE、CS、WR1 的逻辑组合产生 LE1，当 LE1 为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1 的负跳变时将输入数据锁存；XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于 500ns）有效；WR2：DAC 寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于 500ns）有效。由 WR2、XFER 的逻辑组合产生 LE2，当 LE2 为高电平时，DAC 寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入 DAC 寄存器并开始 D/A 转换IOUT1：电流输出端 1，其值随 DAC 寄存器的内容线性变化；IOUT2：电流输出端 2，其值与 IOUT1 值之和为一常数；Rfb：反馈信号输入线，改变 Rfb 端外接电阻值可调整转换满量程精度；Vcc：电源输入端，Vcc 的范围为+5V+15V；VREF：基准电压输入线，VREF 的范围为-10V+10V；AGND：模拟信号地DGND：数字信号地 DAC0832 的 工 作 方 式 ：图 2-3 DAC08320222 11 dddnn 根 据 对 DAC0832 的 数 据 锁 存 器 和 DAC 寄 存 器 的 不 同 的 控 制 方 式 ， DAC0832 有三 种 工 作 方 式 ： 直 通 方 式 、 单 缓 冲 方 式 和 双 缓 冲 方 式 。 DAC0832 引 脚 功 能 电 路 应 用 原理 图 DAC0832 是 采 样 频 率 为 八 位 的 D/A 转 换 芯 片 ， 集 成 电 路 内 有 两 级 输 入 寄 存 器 ，使 DAC0832 芯 片 具 备 双 缓 冲 、 单 缓 冲 和 直 通 三 种 输 入 方 式 ， 以 便 适 于 各 种 电 路 的 需 要(如 要 求 多 路 D/A 异 步 输 入 、 同 步 转 换 等 )。在 进 行 仿 真 的 时 候 ， 可 以 观 察 到 ， 如 果 不 外 提 供 电 源 的 话 ， DAC0832 的 数 据 输 入口 呈 现 出 灰 色 。 这 种 情 况 表 明 凭 借 8051 端 口 的 输 出 电 压 ， 不 能 够 驱 动 DAC0832， 故的 需 要 外 加 一 个 上 拉 电 阻 ， 如 图 2-4 所 示 。如 图 2-4 DAC0832另外在使用 DAC0832 时因考虑的一些因素，如分辨率、线性度、转化精度以及建立时间。分辨率这里指最小输出电压（对应的输入数字量只有最低有效位为“1” ）与最大输出电压（对应的数字输出信号所有有效位全为“1” ）之比。分辨率越高，转换时，对应数字输入信号最低位的模拟信号电压数值越小，也就越灵敏。线性度通常用非线性误差的大小表示 DA 转换器的线性度。并且，把理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数，定义为非线性误差。转换精度转换精度以最大的静态转换误差的形式给出。这个转换误差应该是非线性误差、比例系数误差以及漂移误差等综合误差。所谓建立时间，系指数模拟转换器中的输入代码有满度值的变化时，其输出模拟信号电压（或模拟信号电流）达到满刻度值的 1/2LSB（或满刻度值差百分之多少）时所需的时间。 2.1.3 显示模块在显示模块选用了 TL082 双运算放大器，把 DA 转换后的微小电压放大；TL082 是一通用的 J-FET 双运算放大器。其特点有：较低的偏置电压和偏置电流；输出设有短路保护；输入级具有较高的输入阻抗；内建频率补偿电路；较高的压摆率。最大工作电压：VCCmax=18V;图 2-5 显示电路2.1.4 系统整体结构2.2 系统软件设计在 设 计 本 系 统 时 ， 选 择 C 语 言 作 为 软 件 编 写 语 言 。 其 编 译 环 境 选 择 了 keil。Keil C519 是 美 国 keil software 公 司 出 品 的 51 系 列 兼 容 单 片 机 C 语 言 软 件 开 发系 统 ， 与 汇 编 相 比 ， C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil 提供了包括 c 编译器、宏编译器、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些部分组合在仪器。运行keil 软件需要 WIN98、NT 、WIN2000、WINXP 等操作系统。如果你使用 c 语言编程，那么 keil 几乎是你的不二之选，即使不使用 c 语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。以下是本系统的整体流程图：图 2-6 系统整体构成开始启动 ADC0808是否转换结束YN打开 OE单片机从中读取数据 继续等待判断EOCYN在单片机中进行 FFT 变换输出到 DAC0832显示结束图 2-7 软件流程图2.2.1 数据采集软件模块ADC0808 的启动，在本设计系统中，只选择了一路外部模拟信号作为输入，所以在选路端，ABC 同时接地，已达到选择第一路信号。所以从单片机引出来的控制线，主要是控制 START、EOC 以及 OE。在程序运行前，对其进行定义。Sbit OE= P37;Sbit EOC=P36;Sbit START=P35;OE=0;/初始化START=0;/初始化START =1;/启动_nop_();_nop_();START =0;_nop_();_nop_();While（!EOC）;等待判断是否转换结束；OE=1；从中读取数据；把从 ADC0808 中读取的数据，存放在一个数组里面，为进行傅里叶变换做准备；2.2.2 算法实现在单片机中进行如下编程控制 10；Void FFT( int XR , int XI ) / /初始化及倒序/ /FFT算法for(L = 1; L 0)b = b3 2; i - - ; for( j = 0; j 0)p = p3 2; i - - ; P = p3 j;for( k = j; k N = pow(2, k-1/2) pow(2, k-1), n-1=k-1,n=k=m/2 所以bn-1完全由 Bm-1决定。 余数 M1 = M - bn-1*pow(2, 2*n-2) (2) N的次高位bn-2 可以采用试探法来确定。 因为bn-1=1 ，假设bn-2=1，则 pow(bn-1*pow(2,n-1) + bn-1*pow(2,n-2), 2) = bn-1*pow(2,2*n-2) + (bn-1*pow(2,2*n-2) + bn-2*pow(2,2*n-4), 然后比较余数M1是否大于等于 (pow(2,2)*bn-1 + bn-2) * pow(2,2*n-4)。这种比较只须根据Bm-1、Bm-2、.、B2*n-4 便可做出判断，其余低位不做比较。 若 M1 = (pow(2,2)*bn-1 + bn-2) * pow(2,2*n-4), 则假设有效，bn-2 = 1； 余数 M2 = M1 - pow(pow(2,n-1)*bn-1 + pow(2,n-2)*bn-2, 2) = M1 - (pow(2,