2017年8月全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)大賽

1、2017年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽單相用電器分析監(jiān)測(cè)裝置（k題）【本科組】2017年8月12日摘要：本設(shè)計(jì)以互感器做為監(jiān)測(cè)中心，運(yùn)用ADC080敏現(xiàn)數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換。利用單片機(jī)做為控制中心并進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)單相用電器分析監(jiān)測(cè)。本設(shè)計(jì)用于測(cè)試并儲(chǔ)存各單件電路在各種狀態(tài)下用于識(shí)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(shí)，互感器產(chǎn)生互感電壓經(jīng)過(guò)整流降壓之后將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)入ADC080舛，ADC0809字?jǐn)?shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)轉(zhuǎn)給單片機(jī)進(jìn)行處理，最后節(jié)果顯示于顯示頻上。特點(diǎn)：本產(chǎn)品是根據(jù)互感電路的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的檢測(cè)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，壽命較長(zhǎng)，價(jià)格較低，便于維護(hù)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗鄼z測(cè)

2、互感器檢測(cè)用電器監(jiān)測(cè)目錄1方案的選擇與設(shè)計(jì)原理方案的比較與選擇方案一：串電阻檢測(cè)電流可以選擇一個(gè)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(duì)電壓差放大求出電流，這種做法可以實(shí)現(xiàn)測(cè)電流但是誤差比較大。優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)清晰，成本低，實(shí)時(shí)性好，精度較高。缺點(diǎn)：溫漂較大，測(cè)量誤差較大，無(wú)隔離效果，量程較大時(shí)，需要分多個(gè)擋來(lái)處理結(jié)果，容易受地的干擾。方案二：霍爾電流傳感器測(cè)量電流輸入為電流輸出為電壓，測(cè)量結(jié)果精度和線性度都比較高，測(cè)量范圍有一定的限制。使用ACS712K片電路比較簡(jiǎn)單，測(cè)量的電流范圍較大。相比于ACS712電路比較簡(jiǎn)單，MAX47懷用外加電源供電，但是電流測(cè)量范圍只在03A

3、該電流測(cè)量范圍不符合監(jiān)測(cè)基本要求。方案三：電流互感器檢測(cè)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(duì)電能的消耗量較小。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，壽命較長(zhǎng)，便于維護(hù)。價(jià)格較低。缺點(diǎn)：不能用于高頻檢測(cè)，但可用于市區(qū)電檢測(cè)。綜合三個(gè)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(cè)，故米用方案三。方案設(shè)計(jì)運(yùn)用電流互感器檢測(cè)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(shí)現(xiàn)單相用電器分析監(jiān)測(cè)。采用大規(guī)模集成電路ADC0809®現(xiàn)數(shù)模（A/D）

4、轉(zhuǎn)換，就是把模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量信號(hào)。數(shù)字信號(hào)傳入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及控制，然后通過(guò)顯示屏顯示具體的電流值及各電性參數(shù)。能達(dá)到理想精確值。工作流程圖檢測(cè)電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖一：檢測(cè)電路當(dāng)一次繞組中有電流1I通過(guò)時(shí)，一次繞組的磁動(dòng)勢(shì)11產(chǎn)生的磁通絕大部分通過(guò)鐵芯而閉合，從而在二次繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)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(guò)，有電流就有磁動(dòng)勢(shì)，所以二次繞組中由磁動(dòng)勢(shì)22I產(chǎn)生磁通，這個(gè)磁通絕大部分也是經(jīng)過(guò)鐵芯而閉合。因此鐵芯中的磁通是由一、二於緬勺磁動(dòng)勢(shì)共同產(chǎn)生的合成磁通？為主磁通。根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)平衡原理可以得到I1N1+I2N2=I10N1I10N1勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)。電流互感器

5、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(yùn)用電流互感器檢測(cè)電路中的電流、功率和電能大小。特征參量設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求及思路設(shè)計(jì)要求：電路電流范圍一。設(shè)計(jì)思路：由互感器測(cè)量電流值（運(yùn)用K=I1/I2=N2/N1）,運(yùn)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ADC080實(shí)現(xiàn)數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換，把模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量信號(hào)。數(shù)字信號(hào)傳入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后通過(guò)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(jì)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(guò)負(fù)載電阻的電流為脈動(dòng)電流，電壓

6、也為一單向脈動(dòng)電壓，其電壓的平均值（輸出直流分量）為=土而以粹既雙誨）=U2=0一45%流過(guò)負(fù)載的平均電流為流過(guò)二極管D的平均電流（即正向電流）為Z-/-=0.45心乩%加在二極管兩端的最高反向電壓為%=聞?dòng)捎趥魅階DC080SJ勺基準(zhǔn)電壓LRef=5V,因此利用電阻降壓到5V。輸出電壓公式DUin2%ref其中：Uin為輸出電壓；Uref為基準(zhǔn)電壓；D為輸出二進(jìn)制代碼對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，該路模擬電壓轉(zhuǎn)換為8位二進(jìn)制代碼3硬件電路設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)檢測(cè)整流電路見(jiàn)圖二：檢測(cè)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(cè)的低電壓（標(biāo)準(zhǔn)值），小電流（標(biāo)準(zhǔn)值），使測(cè)量，計(jì)量?jī)x表和繼電器等裝置

7、標(biāo)準(zhǔn)化，小型化，并降低了對(duì)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(dòng)電，再用濾波器將輸入或輸出經(jīng)過(guò)過(guò)濾而得到純凈的直流電。對(duì)特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除。在白動(dòng)測(cè)量和控制系統(tǒng)中，利用濾波電路進(jìn)行模擬信號(hào)的處理，用于數(shù)據(jù)傳送，抑制干擾。利用78LDS電阻對(duì)直流電進(jìn)行降壓，穩(wěn)壓得到理想的直流電。選用ADC0809單片機(jī)AT89C51數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換電路圖見(jiàn)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(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量信號(hào)。單片機(jī)AT89C51電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖三：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89C51電

8、路單片機(jī)是由運(yùn)算器，控制器，主要寄存器組成。具有執(zhí)行各項(xiàng)邏輯運(yùn)算，指令控制等功能。運(yùn)用單片機(jī)處理數(shù)據(jù)信息及調(diào)控顯示時(shí)間。程序設(shè)計(jì)見(jiàn)附件34測(cè)量結(jié)果分析測(cè)量列表：頻率為用電器電流電壓范圍（V）二進(jìn)制代碼顯示用電希最大值最小值機(jī)頂盒00001011Thesettopbox無(wú)線路由器00001101routerUSB充電器（帶負(fù)載）00011110Usbcharger熱水壺Thewaterneater電風(fēng)扇00011010Electricfan存在測(cè)量誤差：由于使用不同的測(cè)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(jìn)制代碼，經(jīng)過(guò)單片機(jī)控制響應(yīng)時(shí)間不大于2,及識(shí)別代碼從

9、而識(shí)別用電器類(lèi)型。通過(guò)顯示器直接顯示電源線上的電特征參數(shù)，電器的種類(lèi)及其工作狀態(tài)。隨機(jī)增加用電器（電風(fēng)扇，US晚電器（帶負(fù)載）和熱水壺同時(shí)使用）可以實(shí)時(shí)指示用電器的類(lèi)別和工作狀態(tài)。用電阻白制一件最小電流的用電器，可以識(shí)別的最小電流值為。參考文獻(xiàn)：余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程（第三版）高等教育出版社2006年7月楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程（第三版）高等教育出版社2006年5月侯殿有.單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)北京：人民郵電出版社2010年11月孫煥銘.51單片機(jī)C程序應(yīng)用實(shí)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PlUTOigimiFAJi'upiHm7：HP.g岬

10、HHiWg卻Pij-sF斗F?W.FHJtgF.4M3J以心彳加土qMift-frfift.liTC-w，iF7.Li|Rn1弋:*3421mIS*£七ITAtCA*4LbMODEM£泌UEvRErpfte?-C_JCIc-."MEJVTxlI'i>UT4(HIVrMih»iir>uTa見(jiàn)圖一：檢測(cè)電路1M4Wt"T見(jiàn)圖二：檢測(cè)整流電路見(jiàn)圖三：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89C51電路圖附件2:數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換電路圖矣1專(zhuān)T±IMDCLOCK<INI5TAFTIQIWEOCIM4IMSOUI1IWOU12IM7ou*nOUT

11、44D0,OU15aDOEOU164D0COUT7ALEOJT8VREF4)VREFi.)OE附件2:調(diào)試結(jié)果圖程序附錄:#include<>#include<>#include<>#include<>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitST=P3A0;sbitOE=P3A1;sbitEOC=P3A2;sbitCLK=P3A3;sbitlcdrs=P2A0;sbitlcdrw=P2A1;sbitlcden=P2A2;voiddelayms(uintz);/延時(shí)1ms函數(shù)uintADC

12、_convert();/ADC轉(zhuǎn)換voidinit();/液晶初始化voidwrite_com(ucharcom);/1602寫(xiě)指令voidwrite_date(uchardate);/1602寫(xiě)數(shù)據(jù)voidRefresh_show();/刷新顯示voidLCD_display(uchar*str);/輸出字符串uintdat_adc0808;uchardisplay_buffer16=("Currentvoltage:",("(vol)="；ucharcodetable1=("noElectric"/14ucharcodetable

13、2=("JIANCEDIANLU"/11ucharcodetable3=("i=2mARouter"ucharcodetable4=("i=4mAUSBcharger"ucharcodetable5=("i=190mAEleFAN"ucharcodetable6=("i=40mALEDLight"ucharcodetable7=("i=6600mAW-Herter"/*&&&&&&&&&&&

14、;&&&&&1602寫(xiě)指令函數(shù)&&&&&&&&&&&&&&&&*/voidwrite_com(ucharcom)lcdrs=0;lcdrw=0;lcden=0;P1=com;delayms(5);lcden=1;delayms(5);lcden=0;/*&&&&&&&&&&&&&&&1602寫(xiě)指令結(jié)束&

15、&&&&&&&&&&&&&&&&&*/*%6%0數(shù)據(jù)函數(shù)%*/voidwrite_date(uchardate)lcdrs=1;lcdrw=0;lcden=0;P1=date;delayms(5);lcden=1;delayms(5);6%0lcden=0;/*%0%數(shù)慵結(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);/顯示光標(biāo)write_com(0x0

16、6);/當(dāng)讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地址指針加1,且光標(biāo)加1write_com(0x01);/顯示清屏write_com(0x80);/不顯示光標(biāo)for(num=0;num<10;num+)/顯示table1="POWEROURCE有十四個(gè)字write_date(table1num);delayms(10);write_com(0x80+0x40);/指針設(shè)置這里讓他第二行開(kāi)始顯示for(num=0;num<16;num+)/table2="welcome"/11write_date(table2num);delayms(10);/*液晶初始化結(jié)束*/*模數(shù)轉(zhuǎn)換

17、并用于顯示顯示*/uintADC_convert()while(1)ST=0;ST=1;ST=0;等待轉(zhuǎn)換結(jié)束while(1)(CLK=!CLK;if(EOC=1)break;/OE=1;dat_adc0808=P0;OE=0;returndat_adc0808;/*模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束*/*&&&&&&&&&&&&蜘顯示函數(shù)&&&&&&&&&&&&&&&&&&*/

18、voidRefresh_show()uintt=dat_adc0808*256;display_buffer17=t/100+'0'display_buffer19=t/10%10+'0'display_buffer110=t%10+'0'/*&&&&&&&&&&&&&a顯示函數(shù)結(jié)束&&&&&&&&&&&&&&&&&a

19、mp;&&*/*lcd顯示字符串*/voidLCD_display(uchar*str)(uchari;for(i=0;i<strlen(str);i+)(write_date(stri);delayms(5);/*lcd顯示字符串結(jié)束*/*#延時(shí)1ms子函數(shù)#*/voiddelayms(uintz)(uintx,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=125;y>0;y-);/*#延時(shí)1ms子函數(shù)結(jié)束#*/voidmain()(ucharnum;LCD_init();while(1)(ADC_convert();Refresh_show();write

20、_com(0x80);LCD_display(display_buffer1);Refreshlshowo;dQayms(5)；wri(Dlcom(oxcsif(disp-aylbuffe三=7HH48)QO(disp-aylbuffea=9lln50)QO(disp-aylbuffea=k0lln5k)-(disp-aylbuffers=0lln52)-(disp-aylbuffe二u=0llH53)-(disp_aylbuffea=k0llH54)fosumnanumAk6num+)=削洙wri(Dlda(D(arb(D3【numD;dQayms(20)二)if(disp-aylbuffe三=7HH48)QO(disp-aylbuffea=9lln53)QO(disp-aylbuffea=k0lln53)