单相用电器分析监测装置

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1、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：1河南大学物理与电子学院单片机课程设计论文目录一、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河南大学物理与电子

2、学院单片机课程设计论文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1河南大学

3、物理与电子学院单片机课程设计论文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

4、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

5、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15河南大学物理与电子学院单片机课程设计论文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

6、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

7、.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