基于P89V51RD2的功率因數(shù)測量儀設(shè)計(jì)
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)?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/P89">P89V51RD2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。
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