基于单片机的谐波检测仪的研究

河北农业大学现代科技学院本科毕业论文(设计)

题目：基于单片机的谐波检测仪的研究

学部：工学部

专业班级：电子信息科学与技术0801

学号：XXXXXXXXX

学生姓名：XXXX

指导教师姓名：XXXX

指导教师职称：讲师

二O一二年六月三日

摘要

本文首先介绍了谐波分析算法的理论依据。在广泛使用的FFT算法的基础上，对谐波检测的对象进行数据分析，为系统的设计提供参考数据。本文完成了系统硬件电路的设计和仿真。硬件电路以MCS一51单片机为核心，配以适当的外围接口电路来完成各项功能。主要包括A／D采样电路、数据处理电路(单片机)、D/A转换器。软件设计以快速傅立叶变换(FFT)为主要部分，通过对所采集的数据来测量电参数。进行了相关软件算法的设计，完成每周期256点的离散采样，由单片机进行基2一FFT运算，运算结果可用于63次以下的谐波分析。系统程序采用模块化的设计思想，在软件设计中对每个模块都完成了框图设计和相关的编码设计。

关键字：单片机；谐波检测；FFT

Abstract

This paper first introduced the harmonic analysis algorithm theory basis. In the extensive use of FFT algorithm, on the basis of the object of harmonic detection of data analysis, for the design of the system with reference data. We completed a hardware circuit and the design of system simulation. Hardware circuit to 51 single-chip microcomputer is a MCS, match with appropriate interface circuit to the periphery of the complete all the function. Mainly includes A/D sampling circuit, data processing circuits (SCM), D/A converter. The software design with fast Fourier transform (FFT) as the main part, from all the data to measure electric parameters. Some software algorithm design, complete each cycle of discrete sampling 256 points, by MCU and 2 a FFT calculation, the operation result can be used for 63 times of the harmonic analysis. System programming the modularized design thought, in the software design of each module completed the block diagram design and relevant code design.

Key word: single chip microcomputer;the harmonic detection; FFT

目录

1前言 (1)

1.1目的意义 (1)

1.2 谐波检测的现状 (1)

1.3 本文研究内容 (2)

1.3.1 谐波检测的仿真设计思路 (2)

1.3.2课题的主要任务 (2)

2系统整体设计 (2)

2.1硬件系统设计 (2)

2.1.1数据采集模块 (3)

2.1.2 D/A转换器与51的接口模块 (4)

2.1.3显示模块 (6)

2.1.4系统整体结构 (7)

2.2系统软件设计 (7)

2.2.1数据采集软件模块 (9)

2.2.2算法实现 (9)

2.2.3.开方在单片机中的原理 (10)

3.系统仿真 (12)

4．结论 (14)

参考文献 (15)

附录： (16)

1前言

谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱[8]。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

1.1目的意义

由于谐波的危害，给生产生活带来了严重的危害，就有必要去检测它，主要有以下这些方面的意义：

首先，它可以提高企业设备的供电质量，提高设备运行的可靠性，减少因设备误动作而造成的经济损失；

其次，可以减少谐波电流在输配电线路上产生的损耗，同时降低用电设备发热，减少绝缘老化，从而提高设备的使用寿命，减少设备的维护费用；

第三，谐波治理能够减少电网[11]中补偿电容器的谐振机率[7]，同时，减少谐波对系统信号传输的影响，增加系统的可靠性；

第四，可以减少谐波对公共电网的污染。

1.2 谐波检测的现状

对于国内外来说，主要是对谐波的治理方面的研究。因为检测到谐波的存在就得去治理它，毕竟谐波是有危害的，主要表现在以下这些方面，谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声[12]，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。目前对谐波的治理主要采用两种方法无源滤波装置和有源滤波器；无源滤波装置主要采用LC回路，并联于系统中，LC回路的设定，只能针对于某一次谐波，即针对于某一个频率为低阻抗，使得该频率流经为其设定的LC回路，达到消除（滤除）某一频率的谐波的目的。LC回路在滤除谐波的同时，在基波对系统进行无功补偿。这种滤波装置简单，成本低，但不能滤除干净。其主要元件为投切开关、电容器、电抗器以及保护和控制回路。有源电力滤波器，这种滤波器是用电力电子元件产生一个大小相等，但方向相反的谐波电流，用以抵销网络中的谐波电流，这种装置的主要元件是大功率电力电子器件，成本高，在其额定功率范围内，原则上能全部滤除干净。

综合现有的文献，国内外对APF的研究主要集中在三个方面：拓扑结构，无功、谐波