基于AVR单片机的电力谐波分析系统设计基于AVR单片机的电力谐波分析系统设计-word文档网

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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，FFT

中文摘要 I

ABSTRACT II

1. 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 衡量电能质量的主要指标 1

1.3 电能质量问题的产生 1

1.4 电能质量的国家标准 2

1.5 本设计需要完成的主要任务 2

2. 谐波分析基础 4

2.1 傅立叶分析概要 4

2.2 傅立叶级数 4

2.2.1 周期函数傅立叶级数的三角函数形式 4

2.2.2 傅立叶级数的指数函数形式 5

2.3 采样信号的傅立叶变换 6

2.3.1 采样定理 6

2.3.2 采样信号的傅立叶变换 6

2.4 离散傅立叶变换(DFT)与快速傅立叶变换(FFT) 7

2.4.1 DFT 7

2.4.2 FFT 8

2.5 时抽选奇偶分解FFT计算的一般规则 12

2.5.1 基2时抽选奇偶分解FFT对输入序列的要求 12

2.5.2 输入序列的码位倒置 12

2.5.3 即位运算 12

2.6 时抽选奇偶分解FFT的C语言程序实现 13

2.6.1 变量的设置与定义 13

2.6.2 逆序部分 13

2.6.3 FFT计算 13

3. 谐波分析系统的硬件电路设计 15

3.1 硬件电路的系统设计任务 15

3.2 单片机选型 15

3.3 电源电路 17

3.4 最小系统设计 17

3.4.1 复位电路 18

3.4.2 时钟信号电路 18

3.4.3 A/D转换滤波电路 19

3.4.4 ISP接口 19

3.4.5 熔丝位设置 19

3.5 信号预处理电路 21

3.6 TTL与RS－232电平转换电路与接口 22

4. 谐波分析软件设计 24

4.1 程序总体框架 24

4.2 常量与变量定义 25

4.3 寄存器初始化 25

4.4 A/D采集与存储 26

4.5 谐波分析处理 26

4.5.1 电压有效值 26

4.5.2 各次谐波含量 27

4.6 上位机通信 28

4.7 软件上的抗干扰设计 30

5. 提高分析精度方法的研究 31

5.1 计算结果的处理 31

5.2 提高信号检测的质量 32

5.3 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