基于P89V51RD2的功率因數測量儀設計

1 引言
??? 功率因數是電力供電系統重要參數之一，將直接影響電網供電質量。隨著電力電子技術的發展，各種電力開關器件在工業現場中得到廣泛使用．使得電網高次諧波污染十分嚴重．甚至影響到功率因數的測量。
??? 這里介紹一種以P89V51RD2型單片機為控制核心的功率因數測量儀，采用電流和電壓信號的門限電壓值的“過零檢測”技術，實現信號功率因數的測量。該測量儀具有硬件電路結構簡單、實用、測量精確度高、抗干擾能力強等特點，可用于各種電力應用場合的功率因數測量。

2 系統設計方案
2．1 系統設計技術
??? 功率因數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-時間轉換法和間接采樣計算法；而后者則采用查表法和小數補償算法。
??? 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轉換器作為模擬前端，在微處理器控制下，對模擬信號進行快速采樣，按照一定的數據計算方法，計算隱含在離散的采樣數據中的相位關系。但這種計算方法對微處理器和A／D轉換器性能要求較高，軟件設計較復雜，僅適用于精度要求較低的應用場合中。而直接相位-時間轉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(或負向)過零點時刻相比較，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-時間轉換法原理經典，硬件實現容易，且電路抗干擾能力和穩定性更高，故選用直接相位-時間轉換法測量相位。
2．2 工作原理
　　圖1為功率因數測量中的相位-時間轉換法的結構框圖。



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　　由于電力系統中工頻周期為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分別經電壓轉換器和低通濾波器。再經相應過零比較器變成方波，最后經相位-時間轉換電路得到與相位成比例的高電平方波。圖2給出圖1中各節點的信號波形。

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??? 相位-時間轉換法所得φo與實際相位有一定的相位差，這是由低通濾波器引起的，可通過軟件進行補償。φo信號是由單片機定時器定時計數高電平而測量的，其相位差φ為：


式中，△t為高電平寬度。
??? 由于P89V51RD2單片機振蕩頻率采用24 MHz，因此△t的測量分辨率可達0.5μs，因此相位精度可達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補償算法。首先對計算出的相位整數度查表，求得當前值和下一整數值的余弦值；然后，計算小數部分余弦值的增量值為兩整數余弦值之差乘以小數部分，最后，將當前值的整數相位余弦值加上小數值進行校正補償。這樣就可得到精度較高的功率因數。

3 系統硬件結構及其工作原理
　　圖3為基于P89V51RD2單片機的功率因數測量儀電路原理圖，該測量儀由信號預處理電路、相位檢測電路、電源、顯示和單片機小系統等模塊組成。圖3中的Ui、Ii、Uo、Io和φo各節點與圖1中的各點相對應。


3．1 信號預處理電路
　　電壓預處理電路由電壓轉換電路和過零比較器組成。實驗發現，采用隔離變壓器進行電壓信號轉換會造成相位偏移，且相位偏移不夠穩定。因此，電壓轉換電路采用光電隔離器構成，由于發光管發光具有一定的滯后特性，因此由光電隔離器構成的電壓轉換電路除具有無相位偏移的特點外，還具有很高的過零點檢測的穩定性和可靠性。
??? 電流預處理電路由低通濾波器和過零比較器組成。電力系統中通常有電力設備開關和控制造成的突發脈沖、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，且主要體現在電流中。為了濾除或降低干擾，在電流預處理電路中設置由U21構成的二階Butterworth低通濾波器。其傳遞函數為：


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。
??? 當R21=R22=R，C11=C21=C時，為電路最佳阻尼系數，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構成的半橋濾波器和比較器U31構成，只有當電流達到一定值時，比較器輸出為高電平。單片機通過檢測到P3．7引腳的狀態為1，才開始功率因數檢測。圖3中U13和U22分別構成兩個過零比較器，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處理輸出的方波信號和電流信號預處理的方波信號進行異或運算。得到一串脈寬與相位成正比的脈沖波。
3．3 顯示及單片機小系統電路
　　為實現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型P89V51RD2單片機。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和小數點，其余4位(D33)顯示小數點后的4位有效數據。

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　　單片機小系統除振蕩電路和復位電路外。還有RS-232通信接口，這是因為P89V51RD2單片機具有SoftICE功能和ISP功能。
　　通過FlashMagic軟件可激活P89V51RD2的SoftICE功能，則該單片機就具有本系統的自調試功能。通過串口通信電纜將本系統硬件連接到PC，在Vision單片機軟件集成開發環境中進行程序在線調試。當系統程序調試完成后，可通過FlashMagic軟件將調試通過的程序下載到單片機中，然后，按復位按鈕或重新上電，系統正常工作。因此，采用P89V51RD2單片機設計時，無需仿真器和編程器就可完成整個系統設計。

4 系統軟件設計
　　硬件電路為檢測相位角提供高精度脈沖信號。利用P89V51RD2內部的T1定時／計數器，可精確求出△t值。將定時器T1設置成定時器方式，工作在工作方式1狀態(即16位計數器)。
　　選用24 MHz的晶體振蕩器，因此，時標脈沖周期為0．5μs。設定TR1和GATE1=1，則T1是否計數取決于信號：當由0→1時，T1開始計數；當由1→0時，T1停止計數。
　　設定IE=81H，IT0=1，當由1→0時，觸發中斷，在中斷程序中，首先，關總中斷，置TR1=0停止計數，讀取定時器1的16位計數值，其中：高8位在TH1中，低8位在TL1中；然后，置定時器1的16位計數值為O；最后，開總中斷，置TR1=1定時器1準備計數。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。系統軟件程序流程如圖5所示。電流信號預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，只需由單片機讀出相位值放入內存，采用軟件修正測量結果，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。

　　為避免隨機干擾和測量結果的不穩定，提高相位測量精度，采用相位差中值濾波測量法：首先，采用排序技術對N個測量值進行冒泡排序排序，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 測試結果
　　功率因數測量儀的關鍵技術在于對相位的精確測量。在完成硬件電路設計后．采用數字示波表測試相位檢測電路中的電壓和電流信號，測試結果如圖6所示。

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　　通過對測試電壓和電流波形的分析可知：當電流信號發生嚴重畸變時，系統硬件能夠很好地進行濾波整形，進而保證相位檢測的精確度和準確度。由于在系統軟件中采用中值濾波技術，因此，在工業現場實際測試時，測量結果具有很高的穩定性和測量精度。

6 結束語
　　基于P89V51RD2單片機的高性能功率因數測量儀，采用了改進的電壓轉換電路設計和具有SoftICE和ISP功能的高集成度增強型P89V51RD2單片機．降低了系統開發成本，加速開發進程。整個系統除具有硬件結構簡單、測量精度高、測量穩定和可靠外，還具有在系統調試和在線軟件升級功能。本功率因數測量儀既可廣泛應用于電力供、配電系統中要求實時檢測功率因數的部門，又可應用于生產、科研等需要對功率因數進行監測的場合。