基于MSP430的電機功率因數(shù)測量系統(tǒng)

3.2 信號調(diào)理電路

電流互感器的輸出，經(jīng)運算放大器和I／V轉(zhuǎn)換器，把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。電壓信號和電流信號轉(zhuǎn)化的電壓信號進行放大、施密特整形，把交流信號轉(zhuǎn)化為方波信號，輸入到單片機Timer_A的TA1，TA2輸入端。這樣測信號相移就變成測信號邊沿之間的時間寬度問題，MSP430F449單片機很容易實現(xiàn)。

3.3 時鐘電路

時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需的時鐘信號，該系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘模塊，外接晶振方式，振蕩頻率主要由石英晶振的頻率決定。單片機內(nèi)部具有時鐘模塊，能實現(xiàn)超低功耗應(yīng)用。振蕩器和系統(tǒng)時鐘發(fā)生器的主要設(shè)計目標(biāo)是廉價和低功耗。為達到系統(tǒng)廉價，外接器件縮減到只有一個普通晶振。在數(shù)字系統(tǒng)中，系統(tǒng)功耗與頻率成正比，所以使用低頻晶體和和含有倍頻器的振蕩器可以滿足時鐘系統(tǒng)速度與低功耗這2個要求。該系統(tǒng)的時鐘電路是用一頻率為32 768 Hz的晶振來固定整個電路的頻率來實現(xiàn)。

3.4 顯示電路

MSP430F449帶有內(nèi)部LCD驅(qū)動模塊，直接將液晶顯示屏連接在芯片的驅(qū)動端口即可，電路結(jié)構(gòu)極為簡單。LCD具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、超薄和可編程驅(qū)動等其他顯示無法比擬的優(yōu)點。由點陣液晶顯示器件與相應(yīng)的控制器、驅(qū)動器裝配成的顯示模塊的種類較多，其功能、指令、接口定義及引腳并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，具體使用時應(yīng)加以選擇。

4 軟件設(shè)計

MSP430F449單片機內(nèi)部具有多個時鐘源，可以靈活地配置給各模塊使用以及工作于多種低功耗模式，降低控制電路的功耗提高整體效率，其具有內(nèi)部自帶有高精度12為ADC12、一個集成LCD驅(qū)動模塊、硬件乘法器以及Timer_A和Timer_B定時器等。

相電壓和相電流的相位差Φ測量程序由主程序和中斷程序組成。主程序完成各程控器件初始化、清零顯示器、設(shè)定時鐘頻率等功能，然后進入低功耗模式，等待相位測量中斷。中斷服務(wù)程序完成頻率、相位差的測量。其流程圖如圖3所示。

此系統(tǒng)的軟件是在IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境下采用C語言編寫的，采用模塊化程序設(shè)計。測量功能由中斷完成的優(yōu)點是使單片機絕大部分時間處于低功耗狀態(tài)，充分發(fā)揮了MSP430系列單片機微功耗特點，降低了儀器的功耗。相位的測量需要對輸入信號的周期和相位差值分別采樣，周期的采樣使用CCR0來捕獲同一輸入信號相鄰的2個周期的上升沿，在第一個上升沿到來時觸發(fā)CCR0中斷，清零計數(shù)器并開始計數(shù)；當(dāng)?shù)诙€上升沿到來時再次觸發(fā)中斷，保存計數(shù)值。為了防止中斷沖突，提高測量的精度，采用滯后捕獲的方法。即電流信號上升沿到來時，禁止CCR0，一直等到CCR2捕獲到電流信號的上升沿為止，這時捕獲到的2個上升沿不在同一個周期內(nèi)，由于實測計數(shù)值和實際相位差計數(shù)值兩者之間的差值為整數(shù)倍，從而能夠得用已測到周期值算出2路信號相位差的實際計數(shù)值。為了提高測量的精廢要求，可以在程序中使用長度為20的樣本循環(huán)隊列，而每個樣本是40次周期采樣和60次相位差采樣的平均值。

5 結(jié)語

經(jīng)實踐證明，采用MsP430單片機技術(shù)對電機功率因數(shù)進行高精度測量，既可以改變傳統(tǒng)的測量方法，同時又能實現(xiàn)電機功率因數(shù)的在線檢測，對提高電機的運行，改善其性能起到一定的作用。由于采用測量單相電流及電壓之間的相位差來得到三相系統(tǒng)的功率因數(shù)的檢測方法，無需判斷相序，可適用于不同的電機接線方法，在實際應(yīng)用場合工作穩(wěn)定可靠。MSP430F449單片機超低功耗存儲量大，工作電壓非常低，只要1.8～3.6 V即可以工作，十分適用于電池供電的工頻數(shù)字相位測量。該測量系統(tǒng)的相位測量絕對誤差≤2°，具有頻率測量及數(shù)字顯示功能；相位差數(shù)字顯示的相位讀數(shù)為0°～180.0°，分辨率為0.1°。