【正文】 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) 。 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。采樣測(cè)量方法實(shí)際上硬件相對(duì)簡(jiǎn)單，可用軟件完成所有測(cè)量，靈活方 便，準(zhǔn)確度較好，可滿足本次設(shè)計(jì)?？梢圆捎貌蓸舆^(guò)程中修改定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，動(dòng)態(tài)確定采樣周期，來(lái)減少周期誤差，提高準(zhǔn)確度。用軟件方法很難得到理論上的采樣間隔。 2. 軟件同步采樣 軟件同步采樣法的一般實(shí)現(xiàn)方法是：首先測(cè)出被測(cè)量信號(hào)的周期 T ，用該周期除以一周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù) N ， NTTs ? 得到采樣間隔，并確定定時(shí)器的計(jì)數(shù)值， 用定時(shí)中斷方式實(shí)現(xiàn)同步采樣。但是，當(dāng)電力系統(tǒng)諧波含量較大時(shí)，會(huì)造成鎖相跟蹤電路不穩(wěn)，甚至造成失步，產(chǎn)生很大測(cè)量誤差。在對(duì) 某 些 用電系統(tǒng)中包含有多次 諧波分量的電壓和電流周期信號(hào)進(jìn)行測(cè)試分析時(shí)，這是造成誤差的主要來(lái)源。理論上只能嚴(yán)格滿足 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。同步采樣法的實(shí)現(xiàn)方法有兩種：一是硬件同步采樣法；二是軟件同步采樣法。同步采樣法又被稱作等間隔整周期采樣或 等周期均勻采樣。 N 選取越大，越接近理想波形，但實(shí)時(shí)性差，計(jì)算量大。 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。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，如今的微型機(jī)、單片機(jī)處理速度大大提高，同時(shí)也出現(xiàn)了種類繁多而且 性價(jià) 比 也 比較好的 高速 DA 轉(zhuǎn)換器，為交流采樣法奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。交流采樣相當(dāng)于用一條階梯曲線代替一條光滑的正弦 曲線，如圖 所示。 交流采樣的原理 交流 采樣法是按照一定的規(guī)律對(duì)被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再用一定的數(shù)值算法求得被測(cè)量，它與直流采樣的差別是用軟件功能代替硬件功能。第二 個(gè) 模塊： 電源電路，完 成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的供電 。 12 第四章 系統(tǒng)硬件電路 按照硬件的功能，本硬件設(shè)計(jì)包括三大模塊。同時(shí)還有 電壓、電流的變送 輸出。 單片機(jī)同時(shí)控制顯示模塊，以友好的方式顯示操作人員要讀取的信息，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換 。 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。方案二雖然設(shè)計(jì)和軟件處理都比較簡(jiǎn)單，但是設(shè)計(jì)成本較高。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?19191100201 tItUtItUtItUP ???? ? (35) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?19141405201 tItUtItUtItUQ ???? ?? ? (36) 功率因數(shù) ?cos 可由 37式求得。2? 相應(yīng) 5ms，共采樣 20 次。 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】 。 圖 框圖 方案三： 軟件 計(jì)算 法 對(duì)于采用 A/D 采樣數(shù)值計(jì)算方法計(jì)量有功的電子式 功率因數(shù) 表，還可以 通過(guò) 計(jì)算 求出 無(wú)功 功率 。 ADE7758 通過(guò)電壓和電流通道實(shí)時(shí)地采集經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理的電壓電流信息并通過(guò)一系列的校準(zhǔn)補(bǔ)償來(lái)消除由于硬件帶來(lái)的相位誤差和幅值的衰減，同時(shí)單片機(jī)從 ADE7758 實(shí)時(shí)地獲得計(jì)量所需要的電能信息并通過(guò)一系列的計(jì)算得到我們所要的到的電能信息，并且將一些我們希望長(zhǎng)久保存的信息實(shí) 時(shí)地保存到非易失性存儲(chǔ)器當(dāng)中，提高了數(shù)據(jù)的可靠性。通信采用的 是 RS485通信標(biāo)準(zhǔn)，由于該標(biāo)準(zhǔn)有很好的抗共模干擾的能力和高速的傳輸速度以及很遠(yuǎn)的傳輸距離。 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。相位差的計(jì)算原理是利用輸入兩路信號(hào)過(guò)零點(diǎn)時(shí)的時(shí)間差，以及信號(hào)的頻率來(lái)計(jì)算 2 路信號(hào)的相位差。 方案一：硬件 過(guò)零檢測(cè) 法 利用過(guò)零點(diǎn)測(cè)量電壓、電流間的相角，對(duì)于某一正弦信號(hào)，周期性的出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)，測(cè)出過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間既可以測(cè)出該信號(hào)的相角。隨著微電子技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，全電子式 功率因數(shù) 表應(yīng)運(yùn)而生。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。功率因數(shù) 越低，說(shuō)明電路用于交變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的無(wú)功功率越大，從而 設(shè)備的利用率 越低 ，增加了線路供電損 耗 。功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)，具有電感或電容性質(zhì)的負(fù)載電路的功率因數(shù)都小于 1。 視在功率的計(jì)算原理 在本設(shè)計(jì)中，通過(guò)計(jì)算出有功功率和無(wú)功功率， 再 由 三者之間的 關(guān)系可以算出 總 視在功率。 圖 二表跨相 90176。 三相 無(wú)功 功率的測(cè)量 原理 在電力系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)碰到無(wú)功功率的測(cè)量問(wèn)題，眾所周知，在三相電路中三相無(wú)功功率等于各相無(wú)功功率之和。 由于指針式 儀表可動(dòng)部分具有慣 性，所以功率表的讀數(shù) 決定 于 一個(gè)周期內(nèi)的平均轉(zhuǎn)PW2 PW1 A B C 4 矩， 此 平均轉(zhuǎn)矩與功率表所 接 電壓的有效值、電流的有效值以及該電壓、電流的相位角的余弦等三 項(xiàng)成正比。 在上述證明過(guò)程中，并沒(méi)有三相電源和三相負(fù)載對(duì)稱的條件，因此這種測(cè)量三相總有功功率的兩表法 ，不管三相電路 是否對(duì)稱，都是適合的。與此 法 相應(yīng)的功率表的接線方式如圖 所示。 因此，研制 級(jí)以上的高精度、數(shù)顯功率因數(shù)表對(duì)于我國(guó)電工儀表行業(yè)具有重要的意義。但是，國(guó)內(nèi) 級(jí)以上的 功率因數(shù) 表技術(shù)尚未成熟，一直處于試驗(yàn)階段。 它的 主要意義在比機(jī)械式功率因數(shù)表安裝方便，精確度高，還可 以實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功電能的測(cè)量和 多相回路測(cè)量 。 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 。 近年來(lái)， 隨著國(guó)外大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路 的推出 ， 新型電力 電測(cè)數(shù)字儀表，如雨后春筍般涌現(xiàn)。其原因在于其 具有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)： 1．?dāng)?shù)字顯示，一目了然； 于模擬式儀表； 示的位數(shù)多； 分辯率高 ； 測(cè)量范圍寬 ； 式電測(cè)儀 表可以進(jìn)行功能擴(kuò)展 ； 7.測(cè)量速率快 ； ，損耗電能小，絕緣電阻高 ； 能力強(qiáng) ； 方便 ； 儀 表和主機(jī)的通訊，便于保留一些必要的數(shù)據(jù) 【 2】 。 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r 20世紀(jì)中葉，微電子和信息產(chǎn)業(yè)等新技術(shù)的發(fā)展，有力的支持了功率因數(shù)表 的革新，高精度電子式標(biāo)準(zhǔn)表的出現(xiàn)滿足了校驗(yàn)技術(shù)的要求。 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。隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，電子工業(yè)和電力工業(yè)的迅猛發(fā)展，數(shù)字儀表 也就 應(yīng)運(yùn)而生。 在以 往的功率因數(shù)測(cè)量中， 往往采用的都是指針式的儀表， 這種儀表測(cè)量精度不是很高，不便于觀察其測(cè)量值的大小。由于 功率因數(shù) ?cos ，是有功功率和視在功率的比值，即 SP??cos ,在一定的額定電壓和額定電流下，功率因數(shù)越高，有功所占的比重越大， 電能的利用率越高； 反之越低 。 were calculated power factor and other power parameters. Power factor determination algorithm which uses 90 176。電子移相法計(jì)量 無(wú)功，通過(guò)對(duì)無(wú)功功率和有功功率的求取，進(jìn)而算出功率因數(shù) ?cos 。 測(cè)量電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集、處理，以便于單片機(jī)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換； 分別求出 功率因數(shù) 和 其它 電量 參數(shù)。 其中功率因數(shù) 表硬件 電路 包括信號(hào)調(diào)理 電路、 電源 電路、顯示電路 三大模塊 。 I 論文題目： 智能數(shù)顯功率因數(shù)表 設(shè)計(jì) 專 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)。 其主要算法為三相電路二功率表法 ，可用于三相對(duì)稱或不對(duì)稱電路中。軟件 設(shè)計(jì)中 最主要的 是功率因數(shù)的求取算法、電壓和電流有效值的求取算法、頻率的求取算法。 其中功率因數(shù)求取算法 采用 了 90176。 關(guān)鍵詞： 功率因數(shù)，二表法， MSP430，電測(cè)儀表 Subject ： Intelligen Design of Digital Power Factor Meter Specialty ： Automation II ABSTRACT This paper investigates the power factor meter based MSP430F149 hardware design and software algorithm. The main algorithm for the threephase power circuit design table method can be used for threephase symmetrical or asymmetrical circuit. Including power factor meter hardware is included signal processing circuit, power supply circuit, display circuit three modules. Software design is the most important algorithm for the power factor, voltage and current RMS algorithm for the frequency of seeking algorithm. Measurement circuit main achieve signal acqu