基于单片机的电量检测 精品Word文档格式.docx

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赵艳雷

起止日期期：

2013年7月1日至2013年7月16日

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AT89C51ADC0809

Summary

Withthegrowingelectricitypowersystemandtheincreasinglevelvoltageoperation,thetraditionalpowerdetectionsystemexposesmoreandmoreshortcomings,itisdifficulttomeetthemoderngridautomation,digitizationdevelopmentneeds.Thisarticlefirstsystematicexpositionoftheinstantaneousreactivepowertheorycalculationmethodinwhichtheinstantaneousactiveandreactivepower,theinstantaneousactivecurrentandreactivecurrentandinstantaneousreactivepowertheoryandthetraditionaltheoryofcomparativepowerofthreeparts;

followedbyanoverviewoftheHallsensorworksandtechnicalspecificationsofthework;

Finally,abriefintroductionofthisdesignofthehardwaresystemdesign,whichincludesacontrolcircuit,chipmicrocomputerAT89C51choice,ADC0809analog-digitalconversionpart,stand-keykeyboardinputsection,LEDstaticdisplaysomeaspectsofthedesign.SinceIcouldnotverywelllimitedabilitytocompletethesoftwarepartofthedesignandsimulation,whichbecamethisdesignalotofregret.

KeywordsInstantaneousreactivepowertheoryHallsensorAT89C51

ADC0809

目录

中文摘要……………………………………………………I 

英文摘要……………………………………………………II

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……………5

3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…………………………………9

4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

4.4LED的静态显示方式……………………………12

5参考文献………………………………………………12

6结束语………………………………………………13

7致谢………………………………………………13

8设计总结………………………………………………15

1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α–β两相正交的坐标系上，经变换可以得到α、β两相瞬时电压和两相瞬时电流，即

（1）

（2）

式中

在如图

（1）所示α–β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α轴和β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αβ变换，在有中线电流的情况下，三相有3个独立电流分量和，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αβ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α、β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（α、β）轴上的投影，即

瞬时有功电流的α分量

（12a）

瞬时有功电流的β分量

（12b）

瞬时无功电流的α分量

（12c）

瞬时无功电流的β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（12）中可得α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，α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β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，1855—1938）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