基于P89V51RD2的功率因數(shù)測量儀設(shè)計

1 引言
??? 功率因數(shù)是電力供電系統(tǒng)重要參數(shù)之一，將直接影響電網(wǎng)供電質(zhì)量。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種電力開關(guān)器件在工業(yè)現(xiàn)場中得到廣泛使用．使得電網(wǎng)高次諧波污染十分嚴(yán)重．甚至影響到功率因數(shù)的測量。
??? 這里介紹一種以P89V51RD2型單片機(jī)為控制核心的功率因數(shù)測量儀，采用電流和電壓信號的門限電壓值的“過零檢測”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號功率因數(shù)的測量。該測量儀具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用、測量精確度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可用于各種電力應(yīng)用場合的功率因數(shù)測量。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案
2．1 系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)
??? 功率因數(shù)是交流電路中電壓與電流之間的相位差φ的余弦。功率因數(shù)測量包括交流電壓與電流相位測量和余弦值計算兩部分，前者主要有直接相位-時間轉(zhuǎn)換法和間接采樣計算法；而后者則采用查表法和小數(shù)補(bǔ)償算法。
??? 對于相位測量而言，間接采樣計算法是一種基于軟件的相位差測量方法，采樣保持放大器和A／D轉(zhuǎn)換器作為模擬前端，在微處理器控制下，對模擬信號進(jìn)行快速采樣，按照一定的數(shù)據(jù)計算方法，計算隱含在離散的采樣數(shù)據(jù)中的相位關(guān)系。但這種計算方法對微處理器和A／D轉(zhuǎn)換器性能要求較高，軟件設(shè)計較復(fù)雜，僅適用于精度要求較低的應(yīng)用場合中。而直接相位-時間轉(zhuǎn)換法是一種基于硬件的相位差測量方法，把兩個具有一定相位差的正弦信號正向(或負(fù)向)過零點(diǎn)時刻相比較，兩者的時間間隔(或脈沖寬度)表示其相位差。相位的直接相位-時間轉(zhuǎn)換法原理經(jīng)典，硬件實(shí)現(xiàn)容易，且電路抗干擾能力和穩(wěn)定性更高，故選用直接相位-時間轉(zhuǎn)換法測量相位。
2．2 工作原理
　　圖1為功率因數(shù)測量中的相位-時間轉(zhuǎn)換法的結(jié)構(gòu)框圖。



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　　由于電力系統(tǒng)中工頻周期為20 ms，因此，電壓與電流的相位差測量精度取決于相位差信號的高電平寬度的測量。相位差為φ的電壓和電流信號Ui和Ii分別經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換器和低通濾波器。再經(jīng)相應(yīng)過零比較器變成方波，最后經(jīng)相位-時間轉(zhuǎn)換電路得到與相位成比例的高電平方波。圖2給出圖1中各節(jié)點(diǎn)的信號波形。

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??? 相位-時間轉(zhuǎn)換法所得φo與實(shí)際相位有一定的相位差，這是由低通濾波器引起的，可通過軟件進(jìn)行補(bǔ)償。φo信號是由單片機(jī)定時器定時計數(shù)高電平而測量的，其相位差φ為：


式中，△t為高電平寬度。
??? 由于P89V51RD2單片機(jī)振蕩頻率采用24 MHz，因此△t的測量分辨率可達(dá)0.5μs，因此相位精度可達(dá)0.018°，具有較高的相位測量精度。
??? 余弦值的計算采用查表和小數(shù)補(bǔ)償算法。首先對計算出的相位整數(shù)度查表，求得當(dāng)前值和下一整數(shù)值的余弦值；然后，計算小數(shù)部分余弦值的增量值為兩整數(shù)余弦值之差乘以小數(shù)部分，最后，將當(dāng)前值的整數(shù)相位余弦值加上小數(shù)值進(jìn)行校正補(bǔ)償。這樣就可得到精度較高的功率因數(shù)。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及其工作原理
　　圖3為基于P89V51RD2單片機(jī)的功率因數(shù)測量儀電路原理圖，該測量儀由信號預(yù)處理電路、相位檢測電路、電源、顯示和單片機(jī)小系統(tǒng)等模塊組成。圖3中的Ui、Ii、Uo、Io和φo各節(jié)點(diǎn)與圖1中的各點(diǎn)相對應(yīng)。


3．1 信號預(yù)處理電路
　　電壓預(yù)處理電路由電壓轉(zhuǎn)換電路和過零比較器組成。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用隔離變壓器進(jìn)行電壓信號轉(zhuǎn)換會造成相位偏移，且相位偏移不夠穩(wěn)定。因此，電壓轉(zhuǎn)換電路采用光電隔離器構(gòu)成，由于發(fā)光管發(fā)光具有一定的滯后特性，因此由光電隔離器構(gòu)成的電壓轉(zhuǎn)換電路除具有無相位偏移的特點(diǎn)外，還具有很高的過零點(diǎn)檢測的穩(wěn)定性和可靠性。
??? 電流預(yù)處理電路由低通濾波器和過零比較器組成。電力系統(tǒng)中通常有電力設(shè)備開關(guān)和控制造成的突發(fā)脈沖、高次諧波和噪聲等因素的干擾，這些干擾頻率通常高于工頻，且主要體現(xiàn)在電流中。為了濾除或降低干擾，在電流預(yù)處理電路中設(shè)置由U21構(gòu)成的二階Butterworth低通濾波器。其傳遞函數(shù)為：


式中，ωo為電路固有角頻率，即低通濾波器的截止頻率；ζ為電路阻尼系數(shù)。
??? 當(dāng)R21=R22=R，C11=C21=C時，為電路最佳阻尼系數(shù)，此時，低通濾波器的截止頻率為：

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??? 電流門限檢測電路由VD31和C31構(gòu)成的半橋?yàn)V波器和比較器U31構(gòu)成，只有當(dāng)電流達(dá)到一定值時，比較器輸出為高電平。單片機(jī)通過檢測到P3．7引腳的狀態(tài)為1，才開始功率因數(shù)檢測。圖3中U13和U22分別構(gòu)成兩個過零比較器，由于比較器采用單5 V供電，滿足TTL電平要求。過零比較器輸出端的是與輸入信號頻率相同的方波。
3．2 相位檢測電路
　　由于電力系統(tǒng)中電壓與電流的相位差大于-90°，且小于90°。因此，可直接對電壓信號預(yù)處理輸出的方波信號和電流信號預(yù)處理的方波信號進(jìn)行異或運(yùn)算。得到一串脈寬與相位成正比的脈沖波。
3．3 顯示及單片機(jī)小系統(tǒng)電路
　　為實(shí)現(xiàn)高精度相位檢測和顯示，采用具有SoftICE和ISP功能的高集成度增強(qiáng)型P89V51RD2單片機(jī)。其電路原理圖如圖4所示。顯示電路由七段碼集成電路74LS47、3-8譯碼器74LS138和6位共陽極七段碼組成。其中：1位(D31)顯示±，1位(D32)顯示0或1和小數(shù)點(diǎn)，其余4位(D33)顯示小數(shù)點(diǎn)后的4位有效數(shù)據(jù)。

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　　單片機(jī)小系統(tǒng)除振蕩電路和復(fù)位電路外。還有RS-232通信接口，這是因?yàn)镻89V51RD2單片機(jī)具有SoftICE功能和ISP功能。
　　通過FlashMagic軟件可激活P89V51RD2的SoftICE功能，則該單片機(jī)就具有本系統(tǒng)的自調(diào)試功能。通過串口通信電纜將本系統(tǒng)硬件連接到PC，在Vision單片機(jī)軟件集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行程序在線調(diào)試。當(dāng)系統(tǒng)程序調(diào)試完成后，可通過FlashMagic軟件將調(diào)試通過的程序下載到單片機(jī)中，然后，按復(fù)位按鈕或重新上電，系統(tǒng)正常工作。因此，采用P89V51RD2單片機(jī)設(shè)計時，無需仿真器和編程器就可完成整個系統(tǒng)設(shè)計。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　硬件電路為檢測相位角提供高精度脈沖信號。利用P89V51RD2內(nèi)部的T1定時／計數(shù)器，可精確求出△t值。將定時器T1設(shè)置成定時器方式，工作在工作方式1狀態(tài)(即16位計數(shù)器)。
　　選用24 MHz的晶體振蕩器，因此，時標(biāo)脈沖周期為0．5μs。設(shè)定TR1和GATE1=1，則T1是否計數(shù)取決于信號：當(dāng)由0→1時，T1開始計數(shù)；當(dāng)由1→0時，T1停止計數(shù)。
　　設(shè)定IE=81H，IT0=1，當(dāng)由1→0時，觸發(fā)中斷，在中斷程序中，首先，關(guān)總中斷，置TR1=0停止計數(shù)，讀取定時器1的16位計數(shù)值，其中：高8位在TH1中，低8位在TL1中；然后，置定時器1的16位計數(shù)值為O；最后，開總中斷，置TR1=1定時器1準(zhǔn)備計數(shù)。因此，只要將△t信號施加至和上，就可求出以μs為單位△t的數(shù)值，即：



　　采用這種方法測量△t，分辨力和最大絕對誤差均為0．5μs。系統(tǒng)軟件程序流程如圖5所示。電流信號預(yù)處理電路具有一定時間延遲，雖然其在被測相位上造成誤差，但由于延遲時間固定，因此，只需由單片機(jī)讀出相位值放入內(nèi)存，采用軟件修正測量結(jié)果，就可消除由此造成的通道相位誤差，提高相位差的測量精度。

　　為避免隨機(jī)干擾和測量結(jié)果的不穩(wěn)定，提高相位測量精度，采用相位差中值濾波測量法：首先，采用排序技術(shù)對N個測量值進(jìn)行冒泡排序排序，然后，取中間(N-2)個測量值，求平均值作為相位差值。
　　采用這種方法能夠很好地提高測量儀的抗干擾能力問題。

5 測試結(jié)果
　　功率因數(shù)測量儀的關(guān)鍵技術(shù)在于對相位的精確測量。在完成硬件電路設(shè)計后．采用數(shù)字示波表測試相位檢測電路中的電壓和電流信號，測試結(jié)果如圖6所示。

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　　通過對測試電壓和電流波形的分析可知：當(dāng)電流信號發(fā)生嚴(yán)重畸變時，系統(tǒng)硬件能夠很好地進(jìn)行濾波整形，進(jìn)而保證相位檢測的精確度和準(zhǔn)確度。由于在系統(tǒng)軟件中采用中值濾波技術(shù)，因此，在工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際測試時，測量結(jié)果具有很高的穩(wěn)定性和測量精度。

6 結(jié)束語
　　基于P89V51RD2單片機(jī)的高性能功率因數(shù)測量儀，采用了改進(jìn)的電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計和具有SoftICE和ISP功能的高集成度增強(qiáng)型P89V51RD2單片機(jī)．降低了系統(tǒng)開發(fā)成本，加速開發(fā)進(jìn)程。整個系統(tǒng)除具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、測量穩(wěn)定和可靠外，還具有在系統(tǒng)調(diào)試和在線軟件升級功能。本功率因數(shù)測量儀既可廣泛應(yīng)用于電力供、配電系統(tǒng)中要求實(shí)時檢測功率因數(shù)的部門，又可應(yīng)用于生產(chǎn)、科研等需要對功率因數(shù)進(jìn)行監(jiān)測的場合。