基于atmel单片机的永磁电机电能参数测量硬件设计毕业设计.docx

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基于atmel单片机的永磁电机电能参数测量硬件设计毕业设计

毕业设计（论文）

设计（论文）题目

基于ATMEL单片机的永磁电机电能参数测量硬件设计

摘要

近些年来，在电力电子技术、微电子技术、电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展下，永磁同步电机（PMSM）得以迅速的推广应用。

永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。

而ATMEL公司生产的AT89系列单片机是目前应用最广泛的8位单片机之一，它因具有高性能、低价格、低功耗、大存储容量、指令简洁、方便易学等诸多优点而广泛应用在工业测控系统中。

在电机管理中，经常需要测量其电能参数，如电压、电流、功率、功率因数等，以便对其工作状态进行正确地判断和调整，以达到及时排除隐患，节约电能，提高效率的目的。

本设计即是基于此方面的考虑，拟以ATMEL公司生产的单片机AT89S51为CPU，以变压器和霍尔电流传感器为强电到弱电变换的桥梁，通过快速A/D转换器AD574A配合模拟开关CD4051对瞬时的较低的电压信号进行采样转换，以采样定理为理论基础，一连串的转换数字量输入单片机统计处理后得出的结果即可准确地跟踪电压和电流的有效值。

由于交变电压和电流信号有相位差，两种交变信号顺次通过过零比较器后得到的方波信号的下降沿可以被单片机识别，若利用单片机的两个外部中断源输入引脚配合片内定时器，便可较为准确地计算电压和电流信号的相位差，进而求得功率因数。

综合以上电压、电流有效值和功率因数的测量结果可计算出电机的输入功率和有功功率。

关键词永磁电机ATMEL单片机电能参量

Abstract

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofpowerelectronictechnology,microelectronics,newtypecontroltheoryofmotorandpermanentmagneticmaterialofrareearth,permanentmagnetsynchronousmotorsarebeingrapidlypromotedandutilized.Permanentmagnetsynchronousmotorhasasmallsize,lowpowerloss,highefficiency,andwiththeincreasingconcernsofenergysavingandprotectionofenvironmentintoday’slife,researchofitisofgreatnecessity.AT89seriesmicrocontrollersofATMELCorporationisoneofthemostwidelyused8-bitmicrocontrollers.Itsadvantagesofhighperformance,lowprice,lowpowerconsumption,largestoragecapacity,simpleinstructionsandeasytolearnmakeitwidelyusedinindustrialdetectionandcontrolsystems.Inthemanagementofmotors,parametersofelectricitysuchasvoltage,current,power,powerfactorsareusuallynecessarytojudgeandadjusttheirstatesaimingatremovinghiddendangers,savingenergyandimproveefficiency.ThisdesignisbasedonthemicrocontrollerofAT89S51,throughthetransformationofthetransformer,hallcurrentsensor,A/DconverterandanalogswitchtogettheinstantaneousvalueofACvoltageandcurrent.Accordingtosamplingtheorem,ifthesamplingfrequencyisuptotwotimesofthesignal,thesampledvalueswhicharediscretecanpreciouslyreflecttheanalogsignal.Inthisway,wecancalculatetheeffectivevalueaccurately.TheexistingphasedifferencebetweenACvoltageandACcurrentleadstotheformationofthepowerfactor.Ifthesignalsofvoltageandcurrentgothroughtheoverzerocomparator,theremustbetwosquarewaveswithtimedifferenceoutputwhichwecanutilizetoaccessthetwoexternalinterruptentranceofAT89S51.Wecanhandletheinterruptsinroutineswiththetimersinsidethemicrocontrollerwhichcaneasilycalculatethepowerfactorandthepowerinputthemotors.

Keywords

PermanentMagnetSynchronousMotors,ATMEL,Microcontroller,

Electricityparameters

一、绪论

本文研究的主要任务是测量三相交流永磁同步电机输入电压和输入电流的有效值、功率因数和输入功率等电能参量的方法。

这其中包括几个问题：

（1）.常用三相电机的输入电压为220V或380V，输入电流为几安到十几安，这么大的模拟量如何测量？

（2）.功率因数是以交流电网中电压和电流之间存在的相位差决定，但是该相位差如何测定？

、

（3）.整个测量系统中的各类芯片如何选型？

它们所需的供电电压如何保证？

针对以上问题，本设计的主要研究方法可概括为：

以变压器、霍尔电流传感器、电压/电流互感器、耦合电感为强电到弱电的桥梁，以A/D转换器为低压模拟量和数字量的交互通道，利用单片机进行一连串的数字量的运算处理显示等相关控制。

具体如下：

（1）.交变电流信号只有转换为电压才能进行后续的测量，这需要用霍尔电流传感器进行相关转换，由于其阻抗很小，它的接入不会对电机的正常工作产生影响；

（2）.由于各类芯片正常工作耗能都很少，因此我们可以从电网中引出交变电压自制稳压电源对它们供电；

（3）.待测电压电流均为交变量，须选择具有双极性信号转换功能的A/D转换器。

这里我们拟采用AnalogDevices公司生产的AD574A芯片；

（4）.结合精度的考虑，交变信号周期为20ms，拟采用ATMEL公司生产的AT89S51单片机作为整个系统的CPU芯片进行全面控制；

（5）.如把低压交变电压和交变电流信号分别引入过零比较器，输入信号就是具有一定时间间隔的方波。

若用单片机的外部中断输入引脚接收来自两个方波的下降沿，配合片内定时器便可对它们的相位差进行较为准确的测量；

（6）.结合电压和电流有效值、功率因数的测量结果，利用相关公式，电机的输入功率便不难求得。

在后续的章节中，我们将详细介绍单片机的工作原理、电压电流有效值的测量方法及理论依据、功率因数的测量方法以及电机输入功率的计算方法。

二、AT89S51单片机构造及其控制原理简介

本章将就本设计所采用的CPU芯片——AT89S51单片机的组成、结构及引脚功能作一详细介绍，深入分析AT89S51单片机的控制方法，编程方法。

（一）、AT89S51简介

AT89S51是一个低功耗，高性能的CMOS8位单片机，片内含4k字节的ISP（在系统编程）闪存只读程序存储器，可反复擦写1000次。

器件采用ATMEL公司的高密度非非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令集和80C51引脚结构，芯片集成了8位通用中央处理单元和ISP闪存存储单元，被广泛应用在各种嵌入式控制系统中。

其主要性能特点如下：

（1）拥有4kBytesFlash片内程序存储器；

（2）128bytes的随机存取数据存储器（RAM）；

（3）32个外部双向输入/输出（I/O）口；

（4）5个中断优先级、2层中断嵌套中断；

（5）6个中断源；

（6）2个16位可编程定时器/计数器；

（7）2个全双工串行通信口；

（8）看门狗（WDT）电路；

（9）片内振荡器和时钟电路；

（10）与MCS-51兼容；

（11）全静态工作时钟频率：

0Hz-33MHz；

（12）三级程序存储器保密锁定；

（13）可编程串行通道；

（14）低功耗的闲置和掉电模式。

（二）、AT89S51内部结构

图2-1为AT89C51内部结构框图。

从图中我们可以看出，单片机内部不仅有CPU、RAM、ROM、定时/计数器、串行口等主要部件，还有驱动电路、锁存器、指令寄存器、地址寄存器等辅助电路。

下面将就几个主要部分做一详细介绍。

图21

中央处理器（CPU）：

中央处理器是单片机的核心部分，是MCU的大脑和心脏，主要任务是完成操作和控制功能。

 AT89S51的CPU的字长为8位，一次可以处理一个字节的数据。

随机存储器（RAM）：

这部分是用来存储变量的，掉电后消失。

AT89S51的RAM大小为256字节，但是专用寄存器占用后128个字节，用户只能使用前128个字节。

只读存储器（ROM）：

ROM用于存储程序和固定的常数，掉电后存储的数据不消失。

AT89S51拥有4KB闪存，比EEPROM的更新速度更快，并可以承受约1000次的擦除重写操作。

定时/计数器（Timer/Counter）：

AT89S51单片机提供了2个16位的加计数器，分别称为“T0”、“T1”。

如使用12MHz晶振，单个定时器的计时周期可以达到65.536ms，每个定时/计数器都有4种不同的工作方式，方便用户根据自身的不同需要灵活选择。

并行I/O口（PORT0-PORT3）：

AT89S51单片机共有4个8位的并行I/O口，每个口都由1个驱动器和1个锁存器组成，并行I/O口主要用于实现与外部设备中数据的并行输入/输出。

有些I/O口还具有其他功能。

（三）、AT89S51单片机管脚定义及功能

DIP封装的AT89S51芯片共有40个引脚，如下图所示：

图22

各管脚功能定义如下：

VCC：

电源电压输入端。

GND：

电源地。

P0口：

P0口是一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8位TTL门电流。

第一次写1时，被定义为高阻输入。

能够用于外部程序数据存储器，被定义为数据或地址的低八位。

编程时，P0口作为源码输入口，校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

写入0时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

写入1后，上拉为高，可用作输入。

P2口：

P2口是一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收或输出4个TTL门电流，当P2口用于外部程序存储器或16位地址进行存取时，输出地址的高八位。

当P2口被写1时，管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

P2口在编程和校验时接收高八位控制信号和地址信号。

P3口：

P3口管脚是8个带上拉电阻的双向I/O口，可接收或输出4个TTL门电流。

当P3口写入1后，被拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）。

P3口除了作为普通I/O口，还有其它功能：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（T0定时器的外部计数输入）

P3.5T1（T1定时器的外部计数输入）

P3.6/WR（外部数据存储器的写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器的读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

I/O口作为输入口有两种工作方式，即读端口与读引脚。

读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。

只有读引脚时才真正地把外部的数据读入到内部总线。

RST：

复位输入端，高电平有效。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

：

外部程序存储器访问允许。

当

保持低电平时，则在此期间外部程序存储器有效，不管是否有内部程序存储器。

当

端保持高电平时，内部程序存储器有效。

编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

：

外部程序存储器的选通信号，低电平有效。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次

有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效信号将不出现。

：

地址锁存允许/编程脉冲信号端。

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

XTAL1：

片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。

XTAL2：

片内振荡器反相放大器的输出端。

（四）、中断系统

中断系统的主要作用是对外部或内部的中断请求进行管理，AT89S51共有5个中断源，其中2个外部中断源

和

，3个内部中断源（2个定时／计数中断和1个串行口中断）。

外部中断申请通过

和

输入，输入方式可以是电平触发，也可以是边沿触发。

两个定时器中断请求是当定时器溢出时，由硬件分别向CPU发出的，CPU响应中断后，由硬件自动清除标志位TF0或TF1。

T0和T1也接收来自外部的计数中断请求。

串行口每发送或接收完一个数据，可产生一次中断请求。

（五）、定时器/计数器

AT89S51单片机内部有两个16位可编程定时器，T0和T1。

它们的最大计数值均为216-1=65535。

工作方式由指令来设置，可作为定时器或计数器使用，并且可以通过定时器方式控制寄存器TMOD来设置定时/计数的范围。

定时器在计到规定的定时值时可以向CPU发出中断申请，在计数状态下计到规定的数值时也可以申请中断。

定时器控制寄存器TCON用来设置定时器的启动、停止和中断管理。

（六）、串行口

AT89S51单片机内部有一个可编程的、全双工的串行口。

由TXD端口发送数据，由RXD端口接收数据，串行数据缓冲器SBUF占用内部RAM地址99H。

单片机内部实际上同时存在发送缓冲器和接收缓冲器，但两个缓冲器的名字都是SBUF。

读取数据表示读取接收缓冲器SBUF中的数据，写数据，表示写数据到接收缓冲器SBUF中。

收／发数据都是对同一地址99H进行的。

串行收／发数据可以根据需要产生相应的中断请求，由串行口控制寄存器SCON设定。

（七）、CPU的工作原理

CPU主要由控制器和运算器两部分组成。

控制器根据指令产生控制信号，使运算器、存储器、输入输出端口之间能按指令的规定自动工作；运算器用于算术运算、逻辑运算以及位操作处理等。

1.控制器

控制器是用来指挥和控制CPU的部件。

功能是从存储器中逐条取指令，译码后，通过定时和控制电路，在规定的时间发出各种操作全部内部控制信息及CPU外部所需的控制信号，使各部分按照节拍协调工作。

它由时序部件、指令部件和操作控制器三部分组成。

（1）指令部件

指令部件是对指令进行分析处理并产生控制信号的部件，也是控制器的核心。

通常，它由指令寄存器、指令译码器、程序计数器和等组成。

下面介绍与CPU工作有关的几个部件。

程序计数器PC用于存放和指示下一条要执行的指令的地址。

它是一个16位专用寄存器，由2个8位寄存器PCH（存放地址的高8位）和PCL（存放地址的低8位）组成。

它具有自动加1的功能，PC在加至该指令字节个数后，才指向下一条将要执行的指令地址。

故PC是维持单片杌有序执行程序的关键寄存嚣。

CPU执行程序的过程为：

顺序地从存储器内取指令，然后去执行规定的操作。

要取的指令地址码由PC提供，然后程序顺序执行。

如果要求不按顺序执行指令，可执行一条调用指令或跳转指令，将要执行的指令地址送入PC，取代原有的指令地址。

指令寄存器指令寄存器是8位寄存器，用于暂时存放指令，等待译码。

指令译码器指令译码器用于对送入其中的指令进行译码，把指令转变成相应的电信号，根据译码器输出的信号，CPU控制电路定时产生各种控制信号。

（2）操作控制部件

操作控制部件可以为指令译码器的输出信号配上节拍电位和节拍脉冲，也可以和外部进来的控制信号组合，共同形成相应的微操作控制序列信号，以完成规定的操作。

（3）时序部件

时序部件由时钟电路和脉冲分配器组成，用于产生操作控制所需的时序信号。

产生时序信号的部件称为“时序发生器”，它由一个振荡器和一组计数分频器组成。

振荡器是一个脉冲源，输出频率稳定的脉冲，也称为“时钟脉冲”，为CPU提供时钟基准。

时钟脉冲经过进一步的计数分频，产生所需的节拍信号。

2.运算器

运算器是用来对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件，包括算术／逻辑部件ALU、累加器ACC、暂存寄存器、程序状态字寄存器PSW（ProgramStatusWord）、BCD码运算调整电路和通用寄存器等。

为了提高数据处理和位操作能力，片内增加了一个通用寄存器区和一些专用寄存器，而且还增加了位处理逻辑电路的功能。

在进行位操作时，进位位CY作为位操作累加器，整个位操作系统构成一台布尔运算机。

（1）暂存器

暂存器用于暂存进入运算器之前的数据，它不能通过编程访问。

设置暂存器的目的是暂时存放某些中间过程所产生的信息，以避免破坏通用寄存器的内容。

（2）算术／逻辑部件ALU

算术逻辑部件ALU（ArithmeticLogicUnit）是用于对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件，由加法器和其他逻辑电路组成。

在控制信号的作用下，它能完成算术加、减、乘、除，逻辑“与”、“或”、“异或”等运算以及循环移位操作等功能。

此外，通过对运算结果的判断，影响程序状态标志寄存器的有关标志位。

CPU正是通过对这几部分的控制与管理，使得单片机完成指定的任务。

三、三相永磁电动机输入电压和输入电流

有效值的测量方法

本章以三相永磁同步电动机为例，系统介绍输入电机的输入电压和输入电流有效值的测量方法。

电机的功率因数和功率的测量方法将在下一章介绍。

电压和电流有效值不能直接测出，因此本章先系统讲述电压和电流瞬时值的测量方法，最后介绍由瞬时值跟踪有效值的理论依据。

（八）、瞬时值测量方法的引出

由于三相永磁同步电动机的用途和功能不同，其额定输入电压也不同，以电子电路测量相对较大的电压和电流信号时，存在以下几个问题：

（1）.驱动电动机的来自电网的电压和电流通常较大，不可能直接输入电子电路；

（2）.交流电压信号正负交变，通常AD转换器不能处理为负值的信号；

（3）.电压信号和电流信号被采样需要依次进行；

（4）.电流信号转换为电压信号元件的选择；

（5）.最终的测量精度直接受AD转换器的转换速度和单片机的处理速度的影响和限制；

针对以上问题，应先把较大的电压信号作降压处理，使得输入低压电路的信号位于合理范围内；电流信号不能直接被测量，可使用霍尔电流传感器把电流信号转换为电压信号；为使AD转换器轮流采样电压信号和电流信号，可使用模拟开关选择输入信号；另外在合理的成本考虑内应尽可能地选择速度较高的AD转换器和单片机。

（九）、主要元件的选择

3.A/D转换器的选型

综合转换速度、模拟信号双极性和成本的考虑，本设计拟采用AnalogDevices公司出品的AD574A作为A/D转换芯片。

AD574A是美国模拟仪器公司推出的单片完全高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性转换电路，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：

●兼容8位和16位微处理器总线接口；

●最大A/D转换时间为35us；

●片内拥有高精度的电压基准和时钟；

●为满足不同精度的需要，激光校正的幅度和双极性偏置电阻提供了四个模拟电压输入的量程供选择：

0V—10V、0V—20V、-5V—+5V、-10V—+10V

●供电电压VCC和VEE可选择±（12V±0.6V）或±（15V±1.5V）；

1.各引脚功能

Pin1.VLOGIC，5V逻辑电平输入端；

Pin2.

，数据选择模式输入引脚，由于转换器输出的数据为12位，此引脚决定了输出的数据是以12位为一个字一次性输出（当接VLOGIC为高电平时），还是以8位为一个字分两次输出（当接DIGITALCOMMON时）。

对于后者，将DB3-DB0（LSB）分别并接到DB11-DB8引脚上，当A0为高电平时，DB11（MSB）-DB4引脚首先输出转换结果的高八位作为第一个字节给微处理器总线接收，A0为低电平时，DB3-DB0输出转换结果的低四位作为第二个字节的高四位，此字节的低四位补零；

Pin3.

，片选信号，低电平有效；

Pin4.A0，字节选择，转换周期选择。

当

、CE引脚均有效且

为低电平（转换）时，若A0=0，初始化12位的转换，若A0=1，初始化8位的转换；当

、CE引脚均有效且

为高电平（读取转换结果）时，若

=1，启动12位转换结果的并行输出；若

=0，A0=0，输出一个字节作为12位转换结果的高八位或8位转换结果；若

=0，A0=1，输出第二个字节，12位转换结果的低四位补零；

Pin5.

，高电平为读取转换结果，低电平为转换指令；

Pin6.CE，芯片使能信号，高电平有效；

Pin7.VCC，电源正电压输入，可选择输入+12V或+15V，前者可识别的范围为11.4V—12.6V，后者可识别的范围为13.5V—16.5V；

Pin8.REFOUT，10V参考电压输出引脚，接10V参考电压的低电势；

Pin9.AC，模拟地；

Pin10.REFIN，10V参考电压输入引脚，接10V参考电压的高电势；

Pin11.VEE，电源负电压输入，可选择输入-12V或-15V，前者可识别的范围为-12.6V—-11.4V，后者可识别的范围为-16.5V—-13.5