2997.基于AVR单片机的电力谐波分析系统设计 毕业设计论文.doc
毕业设计（论文）基于AVR单片机的电力谐波分析系统设计摘要随着国民经济的发展，电网中各种非线性负荷及用户不断增长；各种复杂的、精密的，对电能质量敏感的用电设备越来越多。上述两方面的矛盾越来越突出，在这样的环境下，探讨电能质量的分析方法，可以为分析我国电能质量管理和控制的发展趋势提供必要的依据，具有很强的现实意义。本设计采用ATMEL公司的ATmega32L单片机完成一个电能质量检测系统。电压信号经过变压器隔离降压，幅值较低的交流信号再通过运算放大器构成的加法器变成可供A/D转换电路转换的直流信号。单片机使用内部的定时器每1/3200秒对电压信号采样一次，用片内自带的10位精度A/D转换器对每周波的电压信号采样64个点后，进行FFT运算，FFT的运算过程采取查表法进一步提高运算速度，分析出小于21次的各次谐波的含量，并计算出电压信号的有效值(RMS)，将谐波分析结果通过RS-232串行接口上传到上位机并显示存储。通过对硬件软件的调整，使输出的结果达到相应的要求，然后对实际谐波信号分析，对结果进行进一步数据处理，以提高结果的准确性。最后本文简单介绍了一下提高谐波检测精度的硬件和软件措施。关键词：电能质量，谐波，单片机，FFTA Harmonic analysis system design based AVR MCUABSTRACTAlong with the development of national economy, and the highly automatization of the production process, so in the electrical network, all kinds of non-linear loads and users continuously growing; there are more and more kinds of electro-equipments which are complicated, precise, and sensitive to the electrical energy quality. Contradictions of these two aspects become more and more prominent, under such environment, exploring the analyzing methods which discussed electrical energy quality, may provides the necessary basis for analyzing the tendency of Chinas electrical energy quality management and control. It obviously has significance to the realism. This design uses the ATmega32L Microcontroller of ATMEL Corporation to complete an electrical energy quality examination system. The voltage signal steps down after the transformer isolation, the lower breadth Alternating signal re-passes the summing circuit, which constituted by operational amplifier, become the direct current signal, which may supply the A/D switching circuit transforms. MCU uses interior timer sample voltage signal every 1/3,200 second, uses the internal 10 bit precisions A/D switcher sample voltage signal of each cycle for 64 spots, carries on the FFT operation, the FFT operation process adopts look-up table method to enhance the operating speed, analyzes the Harmonic content which is smaller than 21 times, and calculates the RMS(Root-mean-square value) voltage of signal, upload the Harmonic analysis result through the RS-232 serial interface on Epigyny Computer and demonstrate the storage.Through the adjustment of the hardware and software to enable the outputresult achieve the corresponding request, then analyze the actual harmonicsignal and carry on the result for a further data processing in order toenhance the accuracy of result. Finally, this article briefly introducesthe hardware and software measures for harmonic examination.KEY WORDS：power quality, harmonics,Microcontroller,FFTII目录目 录中文摘要IABSTRACTII1.绪论11.1课题背景11.2衡量电能质量的主要指标11.3电能质量问题的产生11.4电能质量的国家标准21.5本设计需要完成的主要任务22.谐波分析基础42.1傅立叶分析概要42.2傅立叶级数42.2.1周期函数傅立叶级数的三角函数形式42.2.2傅立叶级数的指数函数形式52.3采样信号的傅立叶变换62.3.1采样定理62.3.2采样信号的傅立叶变换62.4离散傅立叶变换(DFT)与快速傅立叶变换(FFT)72.4.1DFT72.4.2FFT82.5时抽选奇偶分解FFT计算的一般规则122.5.1基2时抽选奇偶分解FFT对输入序列的要求122.5.2输入序列的码位倒置122.5.3即位运算122.6时抽选奇偶分解FFT的C语言程序实现132.6.1变量的设置与定义132.6.2逆序部分132.6.3FFT计算133.谐波分析系统的硬件电路设计153.1硬件电路的系统设计任务153.2单片机选型153.3电源电路173.4最小系统设计173.4.1复位电路183.4.2时钟信号电路183.4.3A/D转换滤波电路193.4.4ISP接口193.4.5熔丝位设置193.5信号预处理电路213.6TTL与RS232电平转换电路与接口224.谐波分析软件设计244.1程序总体框架244.2常量与变量定义254.3寄存器初始化254.4A/D采集与存储264.5谐波分析处理264.5.1电压有效值264.5.2各次谐波含量274.6上位机通信284.7软件上的抗干扰设计305.提高分析精度方法的研究315.1计算结果的处理315.2提高信号检测的质量325.3采用更先进的数字信号处理技术33结 论34致 谢36参考文献37附 录A：英文翻译原文38附 录B：英文翻译译文48附 录C：谐波分析软件源程序55附 录D：谐波分析系统硬件电路图60- IV -毕业设计（论文）1. 绪论1.1 课题背景随着国民经济的发展，科学技术的进步和生产过程的高度自动化，电网中各种非线性负荷及用户不断增长；各种复杂的、精密的，对电能质量敏感的用电设备越来越多。上述两方面的矛盾越来越突出，用户对电能质量的要求也更高，在这样的环境下，探讨电能质量的分析方法，可以为分析我国电能质量管理和控制的发展趋势提供必要的依据，具有很强的观实意义。设计采用AVR单片机完成一个电能质量检测系统，性能要求可以测量谐波小于等于21次，将谐波分析结果通过RS-232接口上传到上位机并显示存储。1.2 衡量电能质量的主要指标由于所处立场不同，关注或表征电能质量的角度不同，人们对电能质量的定义还未能达成完全的共识，但是对其主要技术指标都有较为一致的认识。(1) 电压偏差(voltage deviation)：是电压下跌(电压跌落)和电压上升(电压隆起)的总称。(2) 频率偏差(friquency deviation)：对频率质量的要求全网相同，不因用户而异，各国对于该项偏差标准都有相关规定。(3) 电压三相不平衡(unbalance)：表现为电压的最大偏移与三相电压的平均值超过规定的标准。(4) 谐波和间谐波(harmonics & inter-hamonics)：含有基波整数倍频率的正弦电压或电流称为谐波。含有基波非整数倍频率的正弦电压或电流称为间谐波，小于基波频率的分数次谐波也属于间谐波。(5) 电压波动和闪变(fluctuation & flicker)：电压波动是指在包络线内的电压的有规则变动，或是幅值通常不超出0.91.1倍电压范围的一系列电压随机变化。闪变则是指电压波动对照明灯的视觉影响。因社会进步，电力电子器件使用增长迅速，造成谐波问题严重，因此本设计考虑的主要是实现谐波的分析和电压有效值的测量。1.3 电能质量问题的产生电能质量问题是众多单一类型电力系统干扰问题的总称，其实质是电压质量问题。电能质量问题按产生和持续时间可分为稳态电能质量问题和动态电能质量问题。随着电力系统规模的不断扩大，电力系统电能质量问题的产生主要有以下几个原因。一电力系统元件存在的非线性问题 电力系统元件的非线性问题主要包括：发电机产生的谐波；变压器产生的谐波；直流输电产生的谐波；输电线路(特别是超高压输电线路)对谐波的放大作用。此外，还有变电站并联电容器补偿装置等因素对谐波的影响。其中，直流输电系统是目前电力系统最大的谐波源。二非线性负荷 在工业和生活用电负载中，非线性负载占很大比例，这是电力系统谐波问题的主要来源。电弧炉(包括交流电弧炉和直流电弧炉)是主要的非线性负载，它的谐波主要是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的。居民生活负荷中，荧光灯的伏安特性是严重非线性的，也会引起严重的谐波电流，其中3次谐波的含量最高。大功率整流或变频装置也会产生严重的谐波电流，对电网造成严重污染，同时也使功率因数降低。三电力系统故障 电力系统运行的内外故障也会造成电能质
