基于P89V51RD2的功率因數(shù)測量儀設(shè)計(jì)

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(hào)的門限電壓值的“過零檢測”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(jì)方案
2．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)算兩部分，前者主要有直接相位-時(shí)間轉(zhuǎn)換法和間接采樣計(jì)算法；而后者則采用查表法和小數(shù)補(bǔ)償算法。
    對(duì)于相位測量而言，間接采樣計(jì)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(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行快速采樣，按照一定的數(shù)據(jù)計(jì)算方法，計(jì)算隱含在離散的采樣數(shù)據(jù)中的相位關(guān)系。但這種計(jì)算方法對(duì)微處理器和A／D轉(zhuǎn)換器性能要求較高，軟件設(shè)計(jì)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(shí)間轉(zhuǎn)換法是一種基于硬件的相位差測量方法，把兩個(gè)具有一定相位差的正弦信號(hào)正向(或負(fù)向)過零點(diǎn)時(shí)刻相比較，兩者的時(shí)間間隔(或脈沖寬度)表示其相位差。相位的直接相位-時(shí)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(shí)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(shí)間轉(zhuǎn)換法的結(jié)構(gòu)框圖。



     

　　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(hào)的高電平寬度的測量。相位差為φ的電壓和電流信號(hào)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(shí)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(hào)波形。

 


    相位-時(shí)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(hào)是由單片機(jī)定時(shí)器定時(shí)計(jì)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(jì)算采用查表和小數(shù)補(bǔ)償算法。首先對(duì)計(jì)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(jì)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(hào)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(duì)應(yīng)。


 

3．1 信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換會(huì)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(shí)，為電路最佳阻尼系數(shù)，此時(shí)，低通濾波器的截止頻率為：

 

    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(shí)，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(gè)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(hào)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(duì)電壓信號(hào)預(yù)處理輸出的方波信號(hào)和電流信號(hào)預(yù)處理的方波信號(hào)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)。

 

　　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(jì)時(shí)，無需仿真器和編程器就可完成整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　硬件電路為檢測相位角提供高精度脈沖信號(hào)。利用P89V51RD2內(nèi)部的T1定時(shí)／計(jì)數(shù)器，可精確求出△t值。將定時(shí)器T1設(shè)置成定時(shí)器方式，工作在工作方式1狀態(tài)(即16位計(jì)數(shù)器)。
　　選用24 MHz的晶體振蕩器，因此，時(shí)標(biāo)脈沖周期為0．5μs。設(shè)定TR1和GATE1=1，則T1是否計(jì)數(shù)取決于信號(hào)：當(dāng)由0→1時(shí)，T1開始計(jì)數(shù)；當(dāng)由1→0時(shí)，T1停止計(jì)數(shù)。
　　設(shè)定IE=81H，IT0=1，當(dāng)由1→0時(shí)，觸發(fā)中斷，在中斷程序中，首先，關(guān)總中斷，置TR1=0停止計(jì)數(shù)，讀取定時(shí)器1的16位計(jì)數(shù)值，其中：高8位在TH1中，低8位在TL1中；然后，置定時(shí)器1的16位計(jì)數(shù)值為O；最后，開總中斷，置TR1=1定時(shí)器1準(zhǔn)備計(jì)數(shù)。因此，只要將△t信號(hào)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(duì)誤差均為0．5μs。系統(tǒng)軟件程序流程如圖5所示。電流信號(hào)預(yù)處理電路具有一定時(shí)間延遲，雖然其在被測相位上造成誤差，但由于延遲時(shí)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(duì)N個(gè)測量值進(jìn)行冒泡排序排序，然后，取中間(N-2)個(gè)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(duì)相位的精確測量。在完成硬件電路設(shè)計(jì)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(hào)，測試結(jié)果如圖6所示。

 

　　通過對(duì)測試電壓和電流波形的分析可知：當(dāng)電流信號(hào)發(fā)生嚴(yán)重畸變時(shí)，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(shí)，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(jì)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(gè)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(jí)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(shí)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(duì)功率因數(shù)進(jìn)行監(jiān)測的場合。