2017年8月全國大學(xué)生電子設(shè)大賽之單相用電器分析監(jiān)測裝置方案報告含程序

2017年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽單相用電器分析監(jiān)測裝置（k題）【本科組】2017年8月12日摘要：本設(shè)計以互感器做為監(jiān)測中心，運用ADC0809實現(xiàn)數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換。利用單片機做為控制中心并進行邏輯運算處理數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)單相用電器分析監(jiān)測。本設(shè)計用于測試并儲存各單件電路在各種狀態(tài)下用于識別電器并顯示出用電器的工作狀態(tài)。電路中有用電器工作時，互感器產(chǎn)生互感電壓經(jīng)過整流降壓之后將數(shù)字信號轉(zhuǎn)入ADC0809中，ADC0809將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號轉(zhuǎn)給單片機進行處理，最后節(jié)果顯示于顯示頻上。特點：本產(chǎn)品是根據(jù)互感電路的方式來實現(xiàn)電流的檢測，它結(jié)構(gòu)簡單可靠，壽命較長，價格較低，便于維護。關(guān)鍵詞：單相檢測互感器檢測用電器監(jiān)測目錄TOC\o"1-5"\h\z方案的選擇與設(shè)計原理 3方案的比較與選擇 3方案設(shè)計 32檢測電路設(shè)計及理論分析 4檢測電路設(shè)計 4特征參量設(shè)計 5設(shè)計要求及思路 5參量設(shè)計 53硬件電路設(shè)計與程序設(shè)計 6硬件電路設(shè)計 6檢測整流電路 64測量結(jié)果分析 7附件1：電路總圖 9附件2：調(diào)試結(jié)果圖 111方案的選擇與設(shè)計原理方案的比較與選擇方案一：串電阻檢測電流可以選擇一個0.5歐的精密電阻，連接到電路中用差分放大電路采集電阻的電壓差，對電壓差放大求出電流，這種做法可以實現(xiàn)測電流但是誤差比較大。優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)清晰，成本低，實時性好，精度較高。缺點：溫漂較大，測量誤差較大，無隔離效果，量程較大時，需要分多個擋來處理結(jié)果，容易受地的干擾。方案二：霍爾電流傳感器測量電流輸入為電流輸出為電壓，測量結(jié)果精度和線性度都比較高，測量范圍有一定的限制。使用ACS712芯片電路比較簡單，測量的電流范圍較大。相比于ACS712電路比較簡單，MAX471不用外加電源供電，但是電流測量范圍只在0?3A。該電流測量范圍不符合監(jiān)測基本要求。方案三：電流互感器檢測電流理想電流互感器兩側(cè)的額定電流大小和它們的繞組匝數(shù)成反比。并且常數(shù)為K。K=I1/I2=N1/N2電流互感器的一次電流取決于一次性電路的電壓和阻抗。電流互感器的工作狀態(tài)接近于短路狀態(tài)。因此對電能的消耗量較小。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單可靠，壽命較長，便于維護。價格較低。缺點：不能用于高頻檢測，但可用于市區(qū)電檢測。綜合三個方案，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，方案三更適合用于單相用電器分析監(jiān)測，故采用方案三。方案設(shè)計運用電流互感器檢測電路中的電流，利用整流電路將220V交流電轉(zhuǎn)化為直流電實現(xiàn)單相用電器分析監(jiān)測。采用大規(guī)模集成電路ADC0809實現(xiàn)數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換，就是把模擬量信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量信號。數(shù)字信號傳入單片機進行數(shù)據(jù)處理及控制，然后通過顯示屏顯示具體的電流值及各電性參數(shù)。能達到理想精確值。工作流程圖檢測電路設(shè)計見圖一：檢測電路當(dāng)一次繞組中有電流1I通過時，一次繞組的磁動勢11產(chǎn)生的磁通絕大部分通過鐵芯而閉合，從而在二次繞組中感應(yīng)出電動勢2E。如果二次繞接有負(fù)載，那么二次繞組中就有電流2I通過，有電流就有磁動勢，所以二次繞組中由磁動勢 22I產(chǎn)生磁通，這個磁通絕大部分也是經(jīng)過鐵芯而閉合。因此鐵芯中的磁通是由一、二次繞組的磁動勢共同產(chǎn)生的合成磁通為主磁通。根據(jù)磁動勢平衡原理可以得到I1N1+I2N2=I10N1I10N1——勵磁動勢。電流互感器兩側(cè)的額定電流大小和它們的繞組匝數(shù)成反比。并且常數(shù)為 K。K=I1/I2=N2/N1運用電流互感器檢測電路中的電流、功率和電能大小。特征參量設(shè)計設(shè)計要求及思路設(shè)計要求：電路電流范圍0.005—10.0A。設(shè)計思路：由互感器測量電流值（運用K=I1/I2=N2/N1），運用整流電路將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，再采用大規(guī)模集成電路ADC0809實現(xiàn)數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換,把模擬量信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量信號。數(shù)字信號傳入單片機進行數(shù)據(jù)處理，然后通過顯示屏顯示具體的電壓值和電流值及各電性參數(shù)。參量設(shè)計所使用的互感器的匝數(shù)比為I1/I2=N2/N1=850/10。半波整流電路由于二極管的單向?qū)щ娮饔?使流過負(fù)載電阻的電流為脈動電流，電壓也為一單向脈動電壓，其電壓的平均值（輸出直流分量）為1產(chǎn)r0—J血/即3酸d3)2。J27T ”流過負(fù)載的平均電流為流過二極管D的平均電流（即正向電流）為%二乙=工0.459工

處處加在二極管兩端的最高反向電壓為區(qū)版=0%由于傳入ADC0809的基準(zhǔn)電壓URE「5V，因此利用電阻降壓到5V。輸出電壓公式d=UNx256U 其中：uN為輸出電壓；。尺瓦為基準(zhǔn)電壓；D為輸出二進制代碼對應(yīng)的十進制數(shù)，該路模擬電壓轉(zhuǎn)換為8位二進制代碼。3硬件電路設(shè)計與程序設(shè)計硬件電路設(shè)計檢測整流電路見圖二：檢測整流電路互感器將一次系統(tǒng)的高電壓，大電流變換為二次測的低電壓（標(biāo)準(zhǔn)值），小電流（標(biāo)準(zhǔn)值），使測量，計量儀表和繼電器等裝置標(biāo)準(zhǔn)化，小型化，并降低了對二次設(shè)備的絕緣要求。采用整流電路具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟?，將正?fù)交替的正弦交流電整流成為單向的脈動電，再用濾波器將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除。在自動測量和控制系統(tǒng)中，利用濾波電路進行模擬信號的處理，用于數(shù)據(jù)傳送，抑制干擾。利用78LDS和電阻對直流電進行降壓，穩(wěn)壓得到理想的直流電。選用ADC0809，單片機AT89C51數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換電路圖見附件2數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換電路圖模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換原理數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換，就是把模擬量信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量信號。單片機AT89C51電路設(shè)計見圖三：單片機AT89C51電路單片機是由運算器，控制器，主要寄存器組成。具有執(zhí)行各項邏輯運算，指令控制等功能。運用單片機處理數(shù)據(jù)信息及調(diào)控顯示時間。程序設(shè)計見附件34測量結(jié)果分析測量列表:頻率為5.5KHZ用電器電流電壓范圍（V）二進制代碼顯示用電器最大值最小值機頂盒0.002mA0.2200.20200001011Thesettopbox無線路由器0.002mA0.2590.24100001101routerUSB充電器（帶負(fù)載）0.004mA0.5810.56400011110Usbcharger熱水壺6.55A4.674.6411110110Thewaterneater電風(fēng)扇0.19A0.5070.50200011010Electricfan存在測量誤差：由于使用不同的測量電器其內(nèi)阻不同。因此所得到的電壓值范圍有所偏移。數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換得到二進制代碼，經(jīng)過單片機控制響應(yīng)時間不大于2,及識別代碼從而識別用電器類型。通過顯示器直接顯示電源線上的電特征參數(shù)，電器的種類及其工作狀態(tài)。隨機增加用電器（電風(fēng)扇，USB充電器（帶負(fù)載）和熱水壺同時使用），可以實時指示用電器的類別和工作狀態(tài)。用電阻自制一件最小電流的用電器，可以識別的最小電流值為0.001mA。參考文獻：[1]余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程（第三版）高等教育出版社2006年7月[2]楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程（第三版）高等教育出版社2006年5月[3]侯殿有.單片機C語言程序設(shè)計北京：人民郵電出版社2010年11月[4]孫煥銘.51單片機C程序應(yīng)用實例詳解北京航空航天大學(xué)出版社2011年3月附件1:電路總圖/..一 knm————LQJ水TflEUHSTP5EH蕾PMn.1PHPiJFl.4PMFDjQi?印.MFCFO.]i'i5E：WHEN卬."用同PO.YHF/..一 knm————LQJ水TflEUHSTP5EH蕾PMn.1PHPiJFl.4PMFDjQi?印.MFCFO.]i'i5E：WHEN卬."用同PO.YHFMllirf：PZ.H,fliPiittJDPZ^JIPfPiiwJSPEWZQPi.TJAJiPa.WMn.iiTOp5以畫PSi'ffiTiL3*VTOPS.ftTlFlE疝K口浦何El」室，丁工：:茨；....---JiAraHCSl■：7E4T>LCD12吼INIIhnIM!IhOII*nra￡OABA￡OCALEWE“￡iWEr日Eon-oo-uon-n-CLOCK-；STrf:T見圖一：檢測電路見圖一：檢測電路rYYYWWrYYYWW見圖二：檢測整流電路見圖二：檢測整流電路TRI-WWYYY^TRI見圖三：單片機AT89C51電路圖：:nALiKTAL2ASTp&EhiA1E日YrtRYSW.怕R1oX101寵々一可，6?TRI-WWYYY^TRI見圖三：單片機AT89C51電路圖：:nALiKTAL2ASTp&EhiA1E日YrtRYSW.怕R1oX101寵々一可，6?川piplplPIPIPIPIPDUJXIiPti.u.Krt刖山田？PD.]J^D?PD.4J^M叩州1ra.PD.O/AOC.P0.?JJ4FRi.lJ/SpzirwDPZ^fAJlPJ4/AJJPis/AjsFZ-TfAJSNMWP9M叩P3浙rmPSSflTJITPS.4HDP3.im附件2：數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換電路圖HV■+?」JUIfEV26IUDIN1IM2IM3Ikl4IkEI碣IU7.^DDa血口B虹IDCALECLOCKSSTART1D27sUV行_1EOC7EQC1k丁i<rtri：—30UI10UT20UT20UT40UT5OUItiOU77OUTS21D7qZD5I9IE■25B4FL2。I5?L23I4122I7才12VREFf-0VREF(-j OEQ16DADCUES卜市G_i_

程序附錄:#include<reg51.h>#include<intrins.h>#include<stdio.h>#include<string.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitST=P3A0;sbitOE=P3A1;sbitEOC=P3A2;sbitCLK=P3A3;sbitlcdrs=P2A0;sbitlcdrw=P2A1;sbitlcden=P2A2;voiddelayms(uintz); //延時1ms函數(shù)uintADC_convert();//ADC轉(zhuǎn)換voidinit(); //液晶初始化voidwrite_com(ucharcom); //1602寫指令voidwrite_date(uchardate);//1602寫數(shù)據(jù)voidRefresh_show(); //刷新顯示voidLCD_display(uchar*str);//輸出字符串uintdat_adc0808;uchardisplay_buffer[][16]={{"Currentvoltage:"},{"(vol)=0.00V"}};ucharcodetable1[]={"noElectric"};//14ucharcodetable2[]={"JIANCEDIANLU"};//11ucharcodetable3[]={"i=2mARouter"};ucharcodetable4[]={"i=4mAUSBcharger"};ucharcodetable5[]={"i=190mAEleFAN"};ucharcodetable6[]={"i=40mALEDLight"};ucharcodetable7[]={"i=6600mAW-Herter"};///*&&&&&&&&&&&&&&&&向1602寫指令函數(shù)&&&&&&&&&&&&&&&&*/voidwrite_com(ucharcom){lcdrs=0;lcdrw=0;lcden=0;P1=com;delayms(5);lcden=1;delayms(5);lcden=0;}/*&&&&&&&&&&&&&&&向1602寫指令結(jié)束&&&&&&&&&&&&&&&&&&*//*%%%%%%%%%%%%%向1602寫數(shù)據(jù)函數(shù)%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/voidwrite_date(uchardate){lcdrs=1;lcdrw=0;lcden=0;P1=date;delayms(5);lcden=1;delayms(5);lcden=0;}/*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%向1602寫數(shù)據(jù)結(jié)束%%%%%%%%%%%%%%%%%*//*液晶初始化/*voidLCD_init()

ucharnum;write_com(0x38);//初始化顯示模塊設(shè)置write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x01);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x01);write_com(0x80);//當(dāng)讀或?qū)懸粋€字符后地址指針加1，且光標(biāo)加1//顯示清屏//不顯示光標(biāo)for(num=0;num<10;num++)//顯示table1[]={"POWERSOURCE"}有十四個字for(num=0;num<10;num++){write_date(table1[num]);delayms(10);}write_com(0x80+0x40);}write_com(0x80+0x40);//指針設(shè)置這里讓他第二行開始顯示//table2[]={"welcome"};//11//table2[]={"welcome"};//11write_date(table2[num]);delayms(10);/******************液晶初始化結(jié)束*******************//*******************模數(shù)轉(zhuǎn)換并用于顯示顯示*********/uintADC_convert(){while(1)

ST=0;ST=1;ST=0;while(1){CLK=!CLK;if(EOC==1)break;}/母待轉(zhuǎn)換結(jié)束OE=1;dat_adc0808=P0;OE=0;returndat_adc0808;/*模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束/*模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束/*&&&&&&&&&&&&&&刷新顯示函數(shù)&&&&&&&&&&&&&&&&&&*/voidRefresh_show(){uintt=dat_adc0808*500.0/256;display_buffer[1][7]=t/100+'0';display_buffer[1][9]=t/10%10+'0';display_buffer[1][10]=t%10+'0';}/*&&&&&&&&&&&&&&&刷新顯示函數(shù)結(jié)束&&&&&&&&&&&&&&&&&&&*//**lcd/**lcd顯示字符串voidLCD_display(uchar*str){uchari;for(i=0;i<strlen(str);i++){write_date(str[i]);

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