河南大学物理与电子学院单片机课程设计论文河南大学物理与电子学院2015级单片机课程设计论文单相用电器分析监测装置论 文 作 者： 论文 合 作者： 所 在 学 院： 所 学 专 业： 指导教师姓名： 论文完成时间： 目录一、系统方案21、主控制器件的论证与选择22、采集装置的论证与选择23、方案论述4二、系统理论分析与计算41、电路测试系统的分析42、电压、电流采样的前置电路4三、电路与程序设计71、电路的设计72、程序的设计81、测试方案102、测试条件与仪器103、测试结果及分析10五、参考文献11附录1：电路原理图12附录2：源程序131单相用电器分析监测装置徐腾（河南大学物理与电子学院，河南 开封，475004）摘 要 该单相用电器分析监测装置以ARM内核的K60处理器为核心。市电通过电压、电流互感器，经过信号处理模块，由ADC模块采集到电流值和电压值，由相位测量模块得到电流电压间的相位关系，单片机得到这些数据后，通过计算可以得出当前的线路上的各种电能参数，通过比较参数的变化，可以判断识别不同的用电器的工作状态。该装置具备学习功能，对第一次接入的用电器，可以记录其特性，并对其进行编号，在再次接入时可以通过OLED液晶显示屏自动显示工作状态。关键词：K60、单相用电器、机器学习单相用电器分析监测装置一、系统方案本系统主要由单片机控制模块、电压信号采集模块、电流信号采集模块、电压信号处理模块，电流信号处理模块，相位角测量模块，电源模块组成，下面论证这几个模块的选择。1、主控制器件的论证与选择1.1.1控制器选用方案一：采用传统的51系列单片机。 AT89C51是一种低功耗、 高性能的芯片。其片内内置通用的8位CPU和 Flash 存储单元，功能比较强大，适用于各种复杂的控制应用场合。方案二：采用ARM内核的K60处理器。 K60微控制器具有丰富的模拟、通信、定时控制外设，部分大闪存型号还提供可选的单精度浮点单元、NAND 闪存控制器和DRAM 控制器。 相比两种方案，51单片机能够适应大多数的控制应用场合，但其编程过程与具有丰富函数库的K60相比过于麻烦，并且51单片机上的功能、接口较少，不及端口充足的K60处理器,，因此我们选择方案二。1.1.2控制系统方案选择方案一：采用在面包板上搭建简易单片机系统 在面包板上搭建单片机系统可以方便的对硬件做随时修改，也易于搭建，但是系统连线较多，不仅相互干扰，使电路杂乱无章，而且系统可靠性低，不适合本系统使用。方案二：自制单片机印刷电路板 自制印刷电路实现较为困难，实现周期长，此外也会花费较多的时间，影响整体设计进程。不宜采用该方案。方案三：采用单片机最小系统。 单片机最小系统包含了显示、矩阵键盘、A/D、D/A等模块，能明显减少外围电路的设计，降低系统设计的难度，非常适合本系统的设计。 综合以上三种方案，选择方案三。2、采集装置的论证与选择2.1电压、电流采集模块方案一：电压电流互感器互感器又称仪用变压器，包括电流互感器和电压互感器。其功能主要是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压或标准小电流，通过互感器能够轻易的得到电压、电流的变化信号。方案二：电阻分压采样通过将电阻串联或电阻并联放到待测电路中，电流流过电阻，通过测量电阻上的电压，从而得到电压、电流的信号。方案二主要适用于小电压小电流信号的采样，优点在于接线简单，易于实现，但由于电阻的接入使得原来的网络功率损耗增大，并对原信号产生一定的干扰，这样采样误差变大。方案一适用于一些大电压、大电流的采样功率损耗低，能很好的实现电气隔离，采样过程对原信号无影响。电流互感器对于 200V左右的交流信号样明显胜于电阻分压采样，故选择方案一。2.2信号处理模块首先电压电流互感器二次测电压比较小， 且 A/D 转换器只接收 0-5V 直流电压信号进行处理，故需要对采样到的小交流信号进行放大、整流，整流出来的电压电流信号通常含比较大的纹波，所以需要电容和电阻来设计平波电路。综上，信号处理模块需要设计整流电路和平波电路。2.3模数转换模块本设计选用K60自带的ADC模块，具有线性逐次逼近算法可以达到 16 位的采样精度、有 4 个差分和 24 个单端外部模拟输入通道、差分模式以 16 位扩展的有符号补码形式输出、采样时间和转换速率/电压可配置、转换完成/硬件计算采样平均值完成的标志和中断、在低功耗模式下进行低噪声操作等优点。所以选择K60自带的模数转换系统。2.4相位角测量模块功率因数是指正弦信号的电压超前于电流的相角的余弦值。方案一：采用过零比较的方法来求相位角某一正弦信号周期性的出现过零点，通过测出两组信号过零点的时间差就能得出该信号的相角。方案二：通过傅式滤波的方法来求相位角该方法完全考虑系统不对称性所造成的谐波对测量精度的影响，但只适用于无限长的信号。综上,本设计采用方案一。3、方案论述方案一：通过使用比较器将采样电压与参考电压相比较，对于较大的电压，通过控制继电器切换电路选择是否对采样信号进行放大操作，然后将初步处理后的信号进行整流，输入单片机中。程序部分，对所要求的机器学习采用监督学习的模式，即对于新接入的用电器，进行询问，人为选择是否进行学习存储。方案二：将互感器输出的信号分为两路，一路使用精密整流电路进行放大、整流和滤波，输入到单片机中，另一路将信号接入相位比较器进行过零比较，将输出接入单片机的外部中断，通过计时两次中断之间的时间，在单片机中计算相位差。程序部分，对所要求的学习模式采用自动学习的模式，即为对于新接入的用电器，将其电特征与己存储的进行匹配对比，如果没有能够匹配的，则进行自动学习存储。综合考虑信号采样的精度，实现难易度和题目要求，使用精密整流电路能够提高ADC模块采集到的精度，而且通过相位比较电路能够计算出电流与电压的相位，增加判断依据，相比于人为选择的监督学习，采用自动学习模式更能符合题目要求，综上所述，我们采用方案二进行设计。二、系统理论分析与计算1、电路测试系统的分析 （1）单片机电路测试系统主要由 K60、键盘电路及前向测试通道（电压电流采样电路）和液晶显示电路构成。它主要完成的任务是：统从前向通道采集得到的数据进行处理后，通过内部总线送给片内的EEPROM数据存器进行储存，并将处理过的数据通过液晶显示器显示出来。（2）电压、电流采样的前置电路由于本系统测量电压的有效值范围是 0V到 220V，电流有效值的范围0.005A到10A，而模数转换器采样电压仅仅为 0 到 3.3V的直流电压， 所以在硬件上需要设计电压和电流的前置通道完成强电到弱电的转换。即外部电压或电流先经过互感电路变换整流电路整流、分压电路分压最后才可以被模数转换器采样。一、电压采样将 0-300V 的交流电压转换成较小的电压，此时采用ZTPT型电压互感器来实现。该器件的原理是电流型电压互感器，即二次测输出的电流与输入的电压成正比，所以二次侧不能开路，使用时在二次测接入采样电阻。输出电压为：U2=U1*R/R电压采样电路如图1所示。图1.电压采样电路图二、电流采样由于流过用电设备的交流电流通常比较大，所以应该把它衰减成一个安全的同特性、不失真的交流小信号。本设计选用BH-0.66电流互感器来实现。BH-0.66 型电流互感器中间有一个通孔，应用时可将待测电线穿过此孔，它输出的小信号电流也是与输入的电流成线性比例的，使用时在二次端串接电阻，即可采样到电压。输入电流100A时，输出额定电流为 5uA,故电流比为2000：1，采样电阻选用50欧姆，故额定输入电流 10A时，则额定输出电流为 0.5mA，此时采样电阻选用 2k欧姆，二次测输出电压为 0-1V。下面为电流采样电路图2。图2.电流采样电路图三、信号处理分析该模块主要是将电压电流采样模块采样到的交流电压信号进行整流和平波处理，使其能被 A/D 转换模块可接收的 0-3.3V 直流电压信号。 下面是电压信号处理电路 （图 3 ）和电流信号处理电路与电压信号处理电路相同。图3. 电压采集信号处理电路由电压采样可知， 互感器变换后电压 UD为 0-1V， 经运算放大器放大 5 倍， 在经过整流、滤波、分压后，可得到 0-5V 的交流电压。由电流采样电路可知，经互感器变换后电流为 0.5mA，电压 1V，调反馈电阻 W1将电压放大5倍，在经过整流、滤波、分压后，可得到 0-5V 的交流电压。由于交流电压或交流电流信号经互感器变换后电压值比较小，所以应先将电压电流值放大再经过二极管整流电路进行整流，得到 0-10V 范围内的直流电压，因为模数转换器只接收 0-3.3V 的直流电压，所以要通过电阻进行分压。 在处理信号时， 要保护测量设备，所以在信号送入 K60之前并联一个稳压二极管以对直流电压信号进行稳压，确保输出电压在 0-3.3V 以内的范围。 四、相位角测量的前置电路测量相位差的方法很多，我们在本设计中采用的是过零比较法。在此设计中主要用到的是将相位差转换成单片机中断计时进行测量，设计中的相位检测电路主要用到双D触发器。触发器是一个具有记忆功能的，具有两个稳定状态的信息存储器件，是构成多种时序电路的最基本逻辑单元，也是数字逻辑电路中一种重要的单元电路。在数字系统和计算机中有着广泛的应用。触发器具有两个稳定状态，即0和1，在一定的外界信号作用下，可以从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。因此采用74LS74D触发器可将输入信号转化为方波信号。如原理图所示，采用了两个D触发器，第一个触发器以源信号正弦波作为时钟信号，第二个触发器以移相后的信号作为时钟信号。由于是边沿触发，故得到了相位差波形为正弦波，从而实现了相位角的检测与测量。图4.相位检测电路三、电路与程序设计1、电路的设计（1）系统总体框图系统总体框图如图X所示，电能参数通过相位检测模块，ADC模块及单片机微处理器的处理，最终显示在显示模块上图5.系统总体框图被测信号放大整流、滤波ADC（2）电压、电流信号处理系统框图图6.电压信号处理框图（3）相位比较模块框图信号输入放大稳压过零比较MCU外部中断图7.相位比较模块框图（4）K60最小系统板及辅助电路自主设计的最小系统板，包含了辅助电源模块，并预留有ADC、OLED、矩阵键盘等多个接口。辅助电路部分原理图如下：图8.辅助电源电路2、程序的设计（1）程序功能描述与设计思路1、程序功能描述本次的设计能够检测出用电器在工作时，在线路上产生的电能参数的变化。能够实时显示当前用电器的工作状态，并显示出电源线上的电流、电压、功率及功率因数等电特征参数。能够自动学习并识别不同用电器的工作状态，具有显示和输入模块，能够实现人机交互。1）键盘实现功能：本次设计所需要的输入仅用于状态切换，因此所用到的按键较少，可用独立按键实现。本设计共有4个按键，对应功能为：用电器选择，电特征参数显示切换，学习状态切换，用电器工作状态显示切换。2）显示部分：显示部分共有两种显示状态，状态1下，能够显示7种预存的用电器的工作状态，并可以通过按键选择不同的用电器查看其电特征参数。状态2为所选用电器的电特征参量显示，包括电压值、电流值、功率值和功率因