【正文】 actor, voltage and current RMS algorithm for the frequency of seeking algorithm. Measurement circuit main achieve signal acquisition, processing, so MCU A / D conversion。 I 論文題目： 智能數(shù)顯功率因數(shù)表 設(shè)計(jì) 專(zhuān) 業(yè)：自動(dòng)化 摘 要 本 論文研究了 基于 MSP430F149 的功率因數(shù) 表硬件 電路設(shè)計(jì)及 軟件 算法設(shè)計(jì)。 were calculated power factor and other power parameters. Power factor determination algorithm which uses 90 176。 2021 年后，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的成熟，各大公司相繼研制出了基于 DSP 芯片的三相 數(shù) 顯功率因數(shù)表，這種功率因數(shù) 表雖然精度有很大的提高，但是生產(chǎn)成本比較高。 設(shè)計(jì)目的及意義 此數(shù)字式功率因數(shù)表可以實(shí)現(xiàn)電壓、電流、頻率、功率因數(shù)的顯示，另外它也可以實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通信，便于管理和數(shù)據(jù)的及時(shí)采集 。與此 法 相應(yīng)的功率表的接線方式如圖 所示。 圖 二表跨相 90176。在三相電路中，電壓、電流的測(cè)量一般均指 有效值的測(cè)量，根據(jù)電壓有效值、電流有效值的定義 ： ? ??? TRMS dttuTU 0 21 (220) ? ??? TRMS dttiTI 0 21 (221) 由于 A/D 轉(zhuǎn)換器是對(duì)電信號(hào) 的 離散采樣，假設(shè)對(duì)電壓 u(t)、 i(t)分別進(jìn)行 N 次采樣， 6 u(k)、 i(k)相應(yīng)為第 k 個(gè)采樣點(diǎn)，總采樣點(diǎn)數(shù)為 N，則 ? ???? NKRMS kuNU 1 21 (222) ? ???? NKRMS kiNI 1 21 (223) 在三相電路中，線電壓有效值分別為： ? ???? NK ABA B R M S KuNU 1 21 (224) ? ???? NK CBC B R M S KuNU 1 21 (225) 在三相電路中，線電流的有效值分別為： ? ???? NK ABA B R M S KiNI 1 21 (226) ? ???? NK CBCB R MS KiNI 1 21 (227) 頻率的測(cè)量 原理 頻率的測(cè)量一般采用過(guò)零檢測(cè)法，設(shè)電壓信號(hào)每個(gè)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻 為 it ，由此可得到周期 T滿(mǎn)足： ? ??? ??? Ni ii ttNT 1 11 (227) 由周期與頻率之間的關(guān)系 Tf /1? 得到頻率的計(jì)算公式： ? ??? ??? Ni iittNf2 1 (227) 7 第三章 電路的總體方案 感應(yīng)式 功率因數(shù) 表作為一種傳統(tǒng)的 功率因數(shù) 表，在 功率因數(shù)的測(cè)量 工作中發(fā)揮了極大的作用。 以 MSP430F149 單片機(jī)為設(shè)計(jì)核心，該測(cè)量系統(tǒng)主要由電流互感器、 電壓互感器 電路、信號(hào)處理電路 、單片機(jī)、 LED 顯示器和通信接口等組成。 對(duì)比式（ 32）和式（ 31）有 ???? c os)s in ()s in (1 0 UIdttItUTP T mm ??? ? (33) ????? s in)s in ()2s in (10 UIdttItUTQT mm ???? ? (34) 說(shuō)明 ： 對(duì)于相角為 φ ，電流有效值為 I，電壓有效值為 U，一個(gè)周期內(nèi)的平均有功功率 P 等于 t 時(shí)刻電壓、電流瞬時(shí)值的乘積積分的平均值；無(wú)功功率 Q 等于超前 2? 時(shí)刻的電壓值與 t時(shí)刻電流值乘積積分的平均值 【 7】 。 本設(shè)計(jì)總體框圖如圖 所示： 11 圖 總體方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用 TI 的高性能 MCU MSP430F149 在此硬件平臺(tái)上來(lái)搭建全電子式數(shù)顯 功率因數(shù) 表，電源部分采用的是 以 TOP243YN 為主的開(kāi)關(guān)電源 ，顯示部分采用的是 LED。第二 個(gè) 模塊： 電源電路，完 成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的供電 。 u(t) t 0 u(t) t 0 13 在本次設(shè)計(jì)中， 采用了 同步采樣法，下面對(duì)同步采樣法做以介紹。理論上只能?chē)?yán)格滿(mǎn)足 sTNT ?? 且 MN 2? （ M 為被測(cè)信號(hào)最高次諧波次數(shù)），用同步采樣法就不存在測(cè)量方法上的誤差，但實(shí)際上采樣周期與被測(cè)信號(hào)周期實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格同步有一定的困難。用軟件方法很難得到理論上的采樣間隔。 考慮到電路板的面積和成本問(wèn)題，在調(diào)理電壓時(shí)沒(méi)有使用電壓互感器，而是采用了分壓的原理將工頻電壓減小到符合 MSP430F149 可以處理的 信號(hào) 。 比較這兩中方案，前者具有較好的線性度和較小的溫度系數(shù)。 變送電路如圖 所示： Q19013104C1104C5104C6102C3D1LM3851KR15KR71KR61KR2R1150R910KR410KR31KR5R8U1PC817100pFC45VPWMINVinGNDGNDGNDGNDVREFC124VCTRTPWMVREFGNDGNDVinFeedbackGNDCTRT24VQ28550100R14FeedbackC15KR12R10PWMVREF104C2IOE210VCC12DT CON4OUT CON13RT6 IN 215+IN 216+IN 11 IN 12FB3GND7C18E19C211REF OUT14CT5U2TL494CNVREF VREF1234P15V PWMIN12P2Header 2 圖 變送電路 18 在 此 電路中，電壓變送的輸出電壓為（ 0～ 5） V；輸出電流為（ 4～ 20） mA。 ◆ 內(nèi)置功率晶體管可提供 500mA 的驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端接上固定的電壓（范圍在 0— 之間）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。在單端工作模式下，當(dāng)需要更高的驅(qū)動(dòng)電流輸出，亦可將 兩功率管 并聯(lián)使用， 這時(shí)，需將輸出模式控制腳接地以關(guān)閉雙穩(wěn)觸 發(fā)器。電路圖如圖 32所示 。 TOP243YN 還集成了多項(xiàng)新功能，可以降低系統(tǒng)成本，提高了設(shè)計(jì)靈活性及效率 【 9】 。與內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器相連接，提供正常工作時(shí)的內(nèi)部偏置電流。 連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能并使 TOPSwitchGX 以簡(jiǎn)單的三端模式工作（如 TOPSwitchII）。 TOPSwitchGX 增加了頻率、線電壓檢測(cè)和外部電流限制（僅限 Y、 R或 F 封裝）引腳或一個(gè)多功能引腳（ P或G 封裝），以實(shí)現(xiàn)一些新的功能。 （ 7） 采用缺省引腳及引線的封裝，可提供更大的漏極爬電距離。在 Y、 R和 F封裝中，頻率引腳與源極相連時(shí)開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為 132 kHz的缺省值。 ◆特點(diǎn) ●全范圍溫度系數(shù)： 30ppm/℃ ● ●吸收電流能力： 1mA 至 100mA ●低輸出噪聲 ●可調(diào)輸出電壓： Vref 至 36V ●多種高密度封裝可供選擇：小型（ D） 圖 TL431圖 25 ◆ TL431 的外形 見(jiàn)圖 。 RS232 是專(zhuān)門(mén)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊而設(shè)計(jì)的 【 11】 。 __RE ：接收器輸出使能，低電平時(shí) RO 有效。 D D9 一方面對(duì) A、 B 起到保護(hù)作用防止負(fù)電壓對(duì)這兩個(gè)引腳造成隨壞，另一方面當(dāng)正常工作的時(shí)候可以保證 A、 B 之間至少有 700mV的 電壓差。內(nèi)部的定時(shí)器使得這些配置很適合于工業(yè)控制應(yīng)用，例如紋波計(jì)數(shù)器、數(shù)字馬達(dá)控制、 EE 儀表、手持式儀表等。 16 位 RISC 結(jié)構(gòu)， 125ns 指令周期 178。 MSP430 系統(tǒng)中沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的輸入 /輸出指令，輸入 /輸出操作都是通過(guò)傳送指令完成的，端口 P0～ P6 都是可以位 尋址的，也就是說(shuō)端口的每一位都可以單獨(dú)配置。 本設(shè)計(jì)中采用 抬高 基準(zhǔn)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣 信號(hào) 的去負(fù)值操作。 LM385 指定工作于 0176。由于非編碼鍵盤(pán)幾乎不需要附加硬件邏輯，因此 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中被普遍使用。這種鍵盤(pán)使用十分方便，但價(jià)格相對(duì)較高， 因此 一般的單片應(yīng)用系統(tǒng)較少采用。 非常低的工作電流使這些器件非常適合用于微功率電路，如便攜儀器、穩(wěn)壓器和其他需要擴(kuò)展電池壽命的模擬電路。 MSP430 單片機(jī)的各引腳圖 310如下： 30 圖 MSP430F149 引腳圖 3. 單片機(jī)最小系統(tǒng) 最簡(jiǎn)單的最小系統(tǒng)是由電源、晶振、復(fù)位電路、單片機(jī)夠成。系列型號(hào)包括： —— MSP430F133+:8KB 閃速存儲(chǔ)器， 256B RAM —— MSP430F135+:16KB 閃速存儲(chǔ)器， 512B RAM —— MSP430F147+:32KB 閃速存儲(chǔ)器， 1KB RAM —— MSP430F148+:48KB 閃速存儲(chǔ)器， 2KB RAM —— MSP430F149+:60KB 閃速存儲(chǔ)器， 2KB RAM 29 178。 5 種節(jié)電方式 178。其內(nèi)部配置了 8 路 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換通道 、 兩個(gè) 16 位定時(shí)器、 一個(gè)通用串行同步 /異步通信接口（ USART），有 48 個(gè) I/O 引腳 ， 能更好地滿(mǎn)足各種不同的應(yīng)用場(chǎng) 合 【 12】 。 GND：電源地。而在眾 多接口芯片中 MAX1487 改進(jìn)了設(shè)計(jì)使功耗降到很低最多可以再總線上掛 128 個(gè)控制器，所以通信接口我們選擇 MAX1487 芯片。 RS232 采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。有源輸出電路提供非常尖銳的導(dǎo)通特性，使器件成為許多應(yīng)用如片內(nèi)穩(wěn)壓、可調(diào)電源及開(kāi)關(guān)電源中齊納二極管的良好替代品。此引腳也可用作兩種模式下的遠(yuǎn)程開(kāi)／關(guān)控制和同步輸入。 24 （ 6） 遲滯過(guò)熱關(guān)斷功能確保器件在發(fā)生熱故障時(shí)自動(dòng)恢復(fù)。在正常工作情況下，功率 MOSFET 的占空比隨控制引腳電流的增加而線性減少， TOPSwitchGX 除了象三端 TOPSwitch 一樣，具有高壓?jiǎn)?dòng)、逐周期電流限制、環(huán)路補(bǔ)償電路、自動(dòng)重啟動(dòng)、熱關(guān)斷等特性，還綜合了多項(xiàng)能降低系統(tǒng)成本、提高電源性能和設(shè)計(jì)靈活性的附加功能。 23 多功能 (M) 引腳： (僅限 P 或 G 封裝 ) 此引腳集 Y 封裝的線電壓檢測(cè) (L)及外部流限 (X)引腳功能于一體。漏極電流的內(nèi)部流限檢測(cè)點(diǎn)。 18V 電壓是經(jīng) 78L12 將 20V電源穩(wěn)壓后得到的。 該模塊采用一片 TOP243YN型三端單片機(jī)開(kāi) 關(guān)電源，配光耦合器，和可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器 TL431，構(gòu)成 3 路隔離輸出式， PWM 反饋開(kāi)關(guān)電源模塊。如果工作于單端狀態(tài)，且最大占空比小于 50%時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別從晶體管取得。 控制信號(hào)由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時(shí)間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。 ◆ 內(nèi)止 5V 參考基準(zhǔn)電壓源。 I2 I1 N2 N1 A 17 CIA12 31雙二極U4VCCIA270RIASAIB1AIB2CIC12 31雙二極U9IC270RICSAIA1AIA2 VRVRGNDVCCGND510RA510RBT1TransT2Trans 圖 電流采樣電路 電壓、電流變送電路 變送電路是將 被測(cè)的交流電流或電壓 變換成與之成正比例的適合儀表測(cè)量的直流電流或直流電壓的電路。 根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)的平衡原理可以得到 1102211 NININI ?? (42) 式中 110NI — 勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。 電壓互感器的原理如下圖所示： 圖 電壓互感器原理圖 其二次側(cè)的電壓與一次側(cè)的電壓的關(guān)系如下式： 1122 UNNU ? （ 41) 電阻分壓的原理如下圖所示： 圖 分壓原理圖 其中 Ut 是主回路電壓， Uv 是二次回路電壓。 2. 軟件同步采樣 軟件同步采樣法的一般實(shí)現(xiàn)