【文章內(nèi)容簡介】 由于功率因數(shù)的大小在零到一之間，因此t會在0到5ms。當(dāng)大于5ms，假設(shè)時間差為，則處理方法為： 可以根據(jù)計數(shù)值T確定負(fù)載特性。當(dāng)計數(shù)值T小于10ms，電壓信號超前電流信號，負(fù)載呈感性；當(dāng)計數(shù)值T大于10ms，電壓信號滯后電流信號，負(fù)載呈容性。 基于單片機(jī)的測量原理分析本設(shè)計中利用測量方法如圖2所示。在改系統(tǒng)中主要由單片機(jī)電路，顯示電路，兩個過零比較電路構(gòu)成。圖2 系統(tǒng)硬件電路組成框圖 在本次設(shè)計中，模塊采用兩個比較器使交流小信號變換成同相位的方波信號，在信號中，利用兩個外部中斷的中斷函數(shù)來控制定時器1或者2的的啟動或者停止，因為變換來的方波信號和原來的交流小信號具有相同的相位和周期，都是50Hz的信號，通過運用定時器來計算出兩個交流信號下降沿的的時間差，就可以計算出兩個信號的相位差，通過公式（1）（2）（3）可以換算得到系統(tǒng)的功率因數(shù)。在得到系統(tǒng)的功率因素時，使用系統(tǒng)的顯示液晶1602可以輕松的講功率因數(shù)顯示在相應(yīng)的系統(tǒng)中。在本設(shè)計中外部中斷都采用下降沿來開啟中斷，進(jìn)入中斷后一個外部中斷用來開啟定時器，另一個用來管段定時器，計算出這個時間差就完成了功率因數(shù)的測量。圖3 外部中斷的時序圖 基于單片機(jī)的無功功率因數(shù)測量電路設(shè)計在本系統(tǒng)中，采用電流傳感器和電壓傳感器將單相交流信號上的電壓信號和電流信號采集出來，經(jīng)過由運放組成的過零比較器，將電壓型號和電流信號分別變換成同頻率的方波。過零比較器的工作原理是當(dāng)信號在0之上的時候，高電平就是它的輸出，而當(dāng)信號的值在0之下的時候，低電平就是它的輸出了，這樣輸入的信號就可以轉(zhuǎn)換成原來頻率的方波信號。在電壓互感器中，電壓互感器測量過程中將電壓互感器并聯(lián)到單相交流電源的兩端，由于運放供電的電壓不是很高，所以在輸入給運放的電壓不易過高，由于整個系統(tǒng)需用的是5V電壓作為供電電源，所以在本設(shè)計中選取電壓互感器的次級端串接兩個分壓電阻R23和R24，大小分別為59k和1k，采樣比為1/60,，用變比公式為可以求得上面的變化比。然后經(jīng)過過零比較器器把交流電壓信號變換同相位，同頻率的方波信號，并且把這個方波信號提供單片機(jī)的外部中端口0使用。如圖4所示。圖4 電壓信號測量相位電路圖在電流互感器中，電流互感器測量過程中將電流互感器串聯(lián)到單相交流電源的負(fù)載中在電壓互感器的次級端串接兩個分壓電阻R22和R33，大小分別為9k和1k,采樣比為1/10,并且電流互感器的變比K=10，則將電流信號通過次級的電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號后可以將系統(tǒng)的0100A的電流信號I1轉(zhuǎn)換成05V的電壓小信號U2。然后經(jīng)過LM339組成的過零比較器器將此交流電流信號轉(zhuǎn)換成同相位方波信號，供給單片機(jī)的外部中端口1使用。如圖5所示。 圖5電流號測量相位電路圖 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計交流信號的峰值檢測電路有很多種，它的作用是將交流信號的峰值通過檢測電路將交流信號變換成為一個直流信號，直流信號的電壓值為交流信號的峰值。詳細(xì)的電路設(shè)計如圖6所示： 圖6 峰值檢測電路在圖6所示電路中所示，此電路原理是通過二極管的單向?qū)ㄌ匦裕媒涣餍盘柌粩嗟慕o后級電容充電，當(dāng)交流信號的電壓大于電容的電壓時，二極管導(dǎo)通，給電容充電，電容的電壓不斷升高，當(dāng)交流信號的電壓小于電容電壓的時候，二極管的截止，電容電壓保持在前一刻值，最終使電容電壓保持在交流信號的峰值。電容兩側(cè)并聯(lián)100M電阻的作用是，在交流信號峰值變化時，可以使用這個旁路將電容的電放掉，但是這個電阻不能夠取的太小，太小電容放電太快，電容兩端的電壓不穩(wěn)定，輸出的直流電壓將是一個三角波；太大，電容放電太慢，當(dāng)交流信號的峰值變化時，電路反應(yīng)時間很慢，甚至電容兩端電壓在相當(dāng)長的時間內(nèi)保持在原來的值上，從而不便于信號值的測量。，所以利用這個原理使電容兩側(cè)電壓始終保持為交流信號的峰值減去二極管的壓降。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖7所示，為了充分的利用控制器I\O端口資源，本社就選用通用串行ADC0832作為本設(shè)計的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖中的兩個ADC分別是測量電壓和電流的信號，具體控制信號詳見途中的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號。如圖7所示，CS端口接P30是控制ADC0832的使能的，當(dāng)為高電平時，ADC0832不工作，當(dāng)為低電平的時候，ADC0832開始工作；CLK端口接P31為它的時鐘，為數(shù)據(jù)讀寫提供時鐘源；DI端口接P34為它的寫輸入口，用來通過單片機(jī)向它寫入一些控制命令；DO端口接P35為輸出端口，用來向單片機(jī)輸出采樣的結(jié)果，由于本次設(shè)計中采用的是STC89C52，它的I/O口既可以讀也可以寫，所以當(dāng)端口不夠用的時候可以將DI和DO用一個引腳控制。圖7 ADC0832采樣電路電路 在完成圖6的信號處理后，將輸出的信號送給ADC0832來采樣，通過前級的信號調(diào)理電路中信號處理，將輸入給ADC0832的信號轉(zhuǎn)換成05V的直流電壓信號。經(jīng)過ADC的采樣便可以求得電壓電流信號的峰值。ADC0832是國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款經(jīng)典的8位單通道ADC芯片。該芯片采用電壓逐次比較的方式將模擬信號量化為數(shù)字信號。并通過三條串行總線將量化后的8位數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器。如圖7所示，ADC0832中使用的電壓參考源和電源共用一只腳VCC，在本設(shè)計中，使用兩個ADC0832分別對電壓電流進(jìn)行采樣，采樣得到的值是0255的數(shù)值。經(jīng)過前面分析，電壓電流通過互感器得到的變比分別為k1=60,電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號的變比k2=100,而通過圖6變換的來的電壓信號是峰值，這里給定的是有效值U。則由變換公式 可以求得交流信號的有效值U。假設(shè)測量得到的電壓對應(yīng)數(shù)據(jù)位。則由以下公式可以求得電壓和電流的值分別為： （4） （5） 上面公式的簡述：由ADC0832的硬件設(shè)施，我們可以知道它的量程為256，而工作電壓是5V，所以可以根據(jù)算出U，這個U就是峰值檢測電路的輸出電壓，則為電壓電流傳感器輸出電壓：U1=U+，則U1乘以變比就為測量信號的峰值，除以就為所測信號的有效值 通過式（4）（5）中的關(guān)系，可以在程序編寫中通過化簡后得到相應(yīng)的計算，從而簡化單片機(jī)運行的時間。 使用兩片ADC0832分別來對電壓信號和電流信號進(jìn)行采樣，可以有效的避免他們之間的相互干擾，可以方便快捷的測得每時每刻電壓電流信號。 單片機(jī)控制單元設(shè)計本設(shè)計中的控制系統(tǒng)包括單片機(jī)最小系統(tǒng)，和液晶顯示電路兩部分。單片機(jī)采用宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52，該芯片是基于51核，馮諾依曼架構(gòu)的一款8位微處理器。顯示電路采用的是成本低廉的LCD1602來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)碼管顯示。 單片機(jī)的介紹 單片機(jī)是單片機(jī)微型計算機(jī)的簡稱，因為它在控制領(lǐng)域的靈活和便利，所以又叫微控制器。一般來說，一個個的集成電路芯片組成了單片機(jī)，里面含有一些基本部件：比如CPU；MEMORY；I/O接口電路等等。所以只要一些合適的硬件設(shè)備加上軟件，讓它們跟單片機(jī)組合起來，這樣就可以變?yōu)橐粋€單片機(jī)的控制系統(tǒng)。（1） STC89C52介紹： STC89C52是51系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品，在它的內(nèi)部含有CentralProcessingUnit 、RAM、ROM、Timer/counter、并行/串行接口和中斷系統(tǒng)的幾個組成部件還有控制control、數(shù)據(jù)imformation、地址add等3大總線。中央處理器(CPU)在整個單片機(jī)中的身份是一位“核心成員”,這個處理器的數(shù)據(jù)寬度是八位的,所以對于8位二進(jìn)制代碼來說，處理起來得心應(yīng)手，在整個單元系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)調(diào)度和管理的元件就是CPU，并且讓它們工作在合適的位置,完成了運算和I/O控制和其他的一些操作。在本次設(shè)計中我們選的是STC89C52單片機(jī)，它是一種微處理器，既可以編程又可以去除的高性能存儲器。這種單片機(jī)采用了高保密的技術(shù)制造，而且不容易丟失程序，罪重要的是它跟原來設(shè)計的單片機(jī)的輸出口等等都是兼容的。所以在本次設(shè)計中， 我們選的STC89C52是一個不錯的選擇，并且這是一種很方便，有很經(jīng)濟(jì)的方案。如圖8所示是常用的一種單片機(jī)，型號為STC89C52。圖8 STC89C52管腳分布●VCC：是為單片機(jī)運行提供電壓的， ●GND：為了安全，所以需要有接地。 ●P0口：這些口其實是八位的漏級輸入/輸出口。如果在P1口輸入高電平的時候，那么我們可以確定為高電阻輸入。當(dāng)進(jìn)行程序編譯的時候，它可以當(dāng)做原碼的輸入，當(dāng)運行的時候，它就當(dāng)做原碼的輸出，這個時候它的外部就需要拉高?！馪1口：是一個八位的雙向輸入/輸出口，并且可以提供上拉電阻。 ●P2口：P2口跟P1口差不多。但是當(dāng)它作為外面存儲器的時候，在輸出地址1，它就可以用里面的上拉電阻，當(dāng)作為外面存儲器進(jìn)行工作的時候，它就會輸出其存儲的內(nèi)容。 ●P3口：P3口的基本物理性質(zhì)跟P1和P2差不多。當(dāng)它被輸入1之后，就可以上拉成高電平信號，而且可以作為輸入P3口也可作為STC89C52的一些特殊功能口。（2）振蕩器特性：XTAL1口是反向放大器的的輸入口，而另外一個口XTAL2是反向放大器的輸出口。在實際中，經(jīng)過設(shè)計，我們就可以把這個放大器作為內(nèi)置的振蕩器。在本次設(shè)計中，我們需要用外面的時鐘驅(qū)動器件，所以，我們對XTAL2口應(yīng)采取閑置。如果有需要的信號要輸送到里面，那么時鐘信號就必須要流過一個二分頻觸發(fā)器，所以，對于