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；FFTAbstractThis 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、谐波和负序检测算法，电流跟踪控制算法。

1.3 本文研究内容1.3.1 谐波检测的仿真设计思路谐波分析通常采用傅立叶变换理论。

目前，基于傅立叶变换理论的FFT技术已相当成熟，且FFT是目前谐波检测中应用最广泛的一种谐波检测方法。

因此在系统软件设计中，我们采用FFT算法作为谐波检测方法。

FFT算法的核心单元是蝶型运算。

一个mN 点FFT，需要进行m次蝶型运算。

在FFTWW的乘法运算。

根据复数乘法法运算中，涉及到算子(第L级第J个算子X(J))与蝶型因子mW可以看作是正弦值和余弦值的组合，由于余弦函数可以用正弦来替代，为了程序则，N查表方便，程序预制正弦表并按照规律存放。

正弦表在固化到程序存储器前，要进行归一化处理。

程序采样完毕后，先读取正弦表，然后调用FFT子程序[10]。

1.3.2课题的主要任务本课题的主要任务是在基于AT89C51的基础上，来扩展外围电路，实现对谐波的检测，整个系统的搭建都是在protues环境下进行。

在此环境下，选择了一款傅里叶分析表，对经过处理后的波形，观察其的幅频特性曲线，从而直观的去了解什么是基波，1次谐波，3次谐波等正弦波，总的来说，就是基于protues的谐波检测的利用。

Proteus ISIS 是一款集电子仿真、单片机仿真于一体的 EDA 软件，是极具竞争力的仿真软件。

Proteus ISIS 可以仿真各种复杂的输入电压、电流信号，因此，很容易用来仿真谐波信号的输入。

在Proteus ISIS 中，可以仿真各种单片机，这些单片机可以根据各种输入信号，如按键、标准与自定义波形、运行程序，并与仿真各种接口芯片进行通信、仿真LED 数码管或 LCD 显示。

因此，将 Proteus ISIS 应用于谐波检波器的设计，既经济又方便，使得选择这款仿真软件成为必然。

2系统整体设计2.1硬件系统设计图2-1系统原理图本系统只是在protues 下的仿真，对于信号的预处理这个模块就简化了，直接给出模拟信号，让ADC008对模拟信号进行处理。

2.1.1数据采集模块数据采集模块主要用的是ADC0808芯片图2-2 ADC0808ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟信号中的一个进行A/D 转换。

ADC0808是ADC0809的简化本，功能基本相同。

一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D 转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D 转换。

ADC0808是CMOS 单片型逐次逼近式A/D 转换器，它有8路模拟开关、地址锁单 片 机数据采集 A/DD/A 0832 显 示 信号预处理存与译码器、比较器、8位开关树型A/D 转换器。

2.1.2 D/A 转换器与51的接口模块DAC0832是8分辨率的D/A 转换集成芯片[3][4]。

与微处理器完全兼容。

这个DA 芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。

D/A 转换器由8位输入锁存器、8位DAC 寄存器、8位D/A 转换电路及转换控制电路构成。

D/A 转换器用来将数字量转换成模拟量。

它的基本要求是输出电压V O 应该和输入数字量成正比，即：V O =D*VR 其中， VR为参考电压。

每一个数字量都是数字代码的按位组合，每一位数字代码都有一定的“权”，对应一定大小的模拟量。

为了将数字量转换成模拟量，应该将其每一位都转换成相应的模拟量，然后求和既可得到与数字量成正比的模拟量。

D ／A 转换器可分成两大类：1.直接D ／A 转换器是指直接将输入的数字信号转换为输出的模拟信号。

2.间接D ／A 转换器是先将输入的数字信号转换为某种中间量，然后再把这种中间量转换成为输出的模拟信号。

其中，间接D ／A 转换方式在集成D ／A 转换器中很少使用。

D0～D7：8位数据输入线，TTL 电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)； ILE ：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；CS ：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns ）有效。