基于P89V51RD2的功率因數(shù)測量儀設(shè)計
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3．1 信號預(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。實驗發(fā)現(xiàn)，采用隔離變壓器進行電壓信號轉(zhuǎn)換會造成相位偏移，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外，還具有很高的過零點檢測的穩(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，為電路最佳阻尼系數(shù)，此時，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)成的半橋濾波器和比較器U31構(gòu)成，只有當(dāng)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(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(tǒng)中電壓與電流的相位差大于-90°，且小于90°。因此，可直接對電壓信號預(yù)處理輸出的方波信號和電流信號預(yù)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(tǒng)電路
為實現(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(shù)點，其余4位(D33)顯示小數(shù)點后的4位有效數(shù)據(jù)。
單片機小系統(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(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單片機軟件集成開發(fā)環(huán)境中進行程序在線調(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單片機設(shè)計時，無需仿真器和編程器就可完成整個系統(tǒng)設(shè)計。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
硬件電路為檢測相位角提供高精度脈沖信號。利用P89V51RD2內(nèi)部的T1定時／計數(shù)器，可精確求出△t值。將定時器T1設(shè)置成定時器方式，工作在工作方式1狀態(tài)(即16位計數(shù)器)。
選用24 MHz的晶體振蕩器，因此，時標(biāo)脈沖周期為0．5μs。設(shè)定TR1和GATE1=1，則T1是否計數(shù)取決于信號：當(dāng)由0→1時，T1開始計數(shù)；當(dāng)由1→0時，T1停止計數(shù)。
設(shè)定IE=81H，IT0=1，當(dāng)由1→0時，觸發(fā)中斷，在中斷程序中，首先，關(guān)總中斷，置TR1=0停止計數(shù)，讀取定時器1的16位計數(shù)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(shù)值為O；最后，開總中斷，置TR1=1定時器1準(zhǔn)備計數(shù)。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(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。電流信號預(yù)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(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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