通過PIC16F877單片機(jī)的電壓采樣進(jìn)行功率因數(shù)測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

1．引言

功率因數(shù)是交流電路中的重要參數(shù)，是衡量電力系統(tǒng)是否經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)，也是供電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要檢測(cè)量，在功率因數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)中需對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。因此設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡單、檢測(cè)精度高的功率因數(shù)在線檢測(cè)電路十分必要。而功率因數(shù)的測(cè)量一般都要對(duì)被測(cè)電路的電壓、電流進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行處理提取功率因數(shù)信號(hào)，通常由電壓、電流取樣電路、整形電路、同步周期測(cè)量、相位測(cè)量等組成，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，檢修困難，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)功率因數(shù)的測(cè)量精度不高的問題 。為此，基于電壓采樣，經(jīng)單片機(jī)軟件進(jìn)行分析、計(jì)算可得出被測(cè)電路的功率因數(shù)，通過顯示電路顯示出功率因數(shù)的大小，并由通信接口電路將被測(cè)功率因數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。這樣既簡化功率因數(shù)測(cè)量電路的結(jié)構(gòu)，提高功率因數(shù)的測(cè)量精度，又增強(qiáng)了功率因數(shù)檢測(cè)電路的功能。

2．原理分析

通過對(duì)電壓的提取來檢測(cè)功率因數(shù)的原理如圖 1 （a）所示，首先采用 3個(gè)高精度的 WB系列數(shù)字式交流電壓真有效值傳感器分別對(duì)被測(cè)電路的電源電壓 U1、附加可調(diào)電阻 RP兩端電壓 U2及負(fù)載電壓 U3進(jìn)行檢測(cè)?？烧{(diào)電阻 RP的作用是使附加電阻盡可能小，以減小對(duì)被測(cè)負(fù)載的影響，又可得到數(shù)值適當(dāng)?shù)碾妷篣2滿足功率因數(shù)計(jì)算的要求。由電路理論，可畫出電壓 U_1 、U_2 和U_3 的相量圖如圖 1(b)所示，則 COSφ即是被測(cè)負(fù)載的功率因數(shù)。

圖 1 電壓測(cè)量原理示意圖與電壓相量圖

根據(jù)幾何學(xué)中的余弦定理可得，

由式（ 2）可知，只要將電壓 U1、U2、U3經(jīng)過運(yùn)算后就可求出負(fù)載的功率因數(shù) COS?。為減小測(cè)量電路的硬件開銷，數(shù)據(jù)的處理與計(jì)算由單片機(jī)軟件完成。

3．單片機(jī)輸入輸出電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)輸入輸出電路主要是對(duì)傳感器檢測(cè)的電壓信號(hào)需要進(jìn)行處理，主要包括信號(hào)轉(zhuǎn)換、計(jì)算、存儲(chǔ)及功率因數(shù)的顯示和數(shù)據(jù)傳輸。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)出了以單片機(jī)及有關(guān)部件組成的電路如圖 2所示。

電壓傳感器完成對(duì)電壓的檢測(cè)，其中 1-3端用于檢測(cè)電源電壓 U1、1-2端用于檢測(cè)附加電阻電壓 U2、2-3端用于檢測(cè)負(fù)載電壓 U3。

單片機(jī)選用 PIC16F877單片機(jī)，該芯片是目前集成外圍設(shè)備模塊最多、功能最強(qiáng)的單片機(jī)系列之一 [4]。該單片機(jī)芯片帶有 8通道、10位分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 ADC模塊，并具有 4K的 FLASH程序存儲(chǔ)器。RA端口是一個(gè)只有 6個(gè)引腳的雙向 I/O端口，它在基本輸入/輸出功能的基礎(chǔ)上復(fù)合了 A/D轉(zhuǎn)換器功能，通過端口方向控制器可定義端口引腳為輸入或輸出。RB、RC分別為具有 8個(gè)引腳的輸入/輸出可編程接口，每個(gè)I/O口能提供或吸收 20mA的電流，能直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管和固態(tài)繼電器，并有看門狗電路。具有外部電路結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能可靠的特點(diǎn)。功率因數(shù)由單片機(jī)直接輸出通過 4位紅色高亮度數(shù)碼管，對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行顯示，顯示精度達(dá)到0.001。

3個(gè)檢測(cè)電壓經(jīng)輸入接口 RA的 RA0、RA1、RA2管腳輸入給單片機(jī)，首先經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換器將功率因數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行保存，并將經(jīng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng) RC和 RB接口進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。另外還可經(jīng)過串行接口與監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信，及時(shí)將線路的功率因數(shù)傳送給監(jiān)控系統(tǒng)。目前常用的串行通信有兩種 [5]，一種為 RS-232串行通信，另一種為 RS-485串行通信。但由于 PIC16F877單片機(jī)串行輸入、輸出接口均為 TTL或 CMOS電平，而監(jiān)控系統(tǒng)的 PC機(jī)通常為 RS-232規(guī)范的外部總線標(biāo)準(zhǔn)串行接口，并采用負(fù)邏輯，因而 PIC16F877單片機(jī)的串行輸入、輸出接口電平不匹配，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這里采用 MAX232芯片來實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換的功能。MAX232芯片的外圍電路簡單，只需外接 4個(gè) 0.1μF電容即可。

4．軟件設(shè)計(jì)[6]

軟件主要任務(wù)是完成 A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的運(yùn)算、顯示和通信等，為方便起見，軟件編寫時(shí)采用模塊結(jié)構(gòu)，主程序主要包括程序初始化、調(diào)用子程序、顯示等。

(1)A/D轉(zhuǎn)換子程序

該子程序主要是選擇 A/D輸入通道、選擇 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘；設(shè)置 A/D中斷，開放相應(yīng)的中斷使能位；等待所需要的采樣時(shí)間；啟動(dòng)A/D；等待 A/D完成；讀取 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，并存入指定的存儲(chǔ)單元。

（2） 數(shù)字濾波子程序

為避免在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的干擾噪聲對(duì)功率因數(shù)測(cè)量造成誤差，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)增加了數(shù)字濾波。通常數(shù)字濾波方法有多種，這里采用了中值濾波法。即對(duì)電壓 U1、U2、U3連續(xù)采樣 5次，然后將這些采樣值進(jìn)行排序并選取中間值。這種濾波方法對(duì)濾除脈沖性質(zhì)的干擾比較有效。

（3）運(yùn)算子程序

首先將經(jīng)過數(shù)字濾波后的電壓 U1、U2、U3讀入，然后通過乘法指令完成平方運(yùn)算，得到U12 、U22 、U32 ，再經(jīng)減法運(yùn)算、乘法和除法運(yùn)算最后得到，即得到被測(cè)功率因數(shù)。

通信子程序的任務(wù)是完成串行通信的初始化。PIC16F877單片機(jī)帶有的同步異步接收發(fā)送模塊（USART），它是利用 C口的RC6、RC7兩個(gè)引腳作為二線制的串行通信接口，為使 USART分別工作與發(fā)送和接收狀態(tài)，編程時(shí)首先將 USART的接收狀態(tài)和控制寄存器的 bit 7和 TRISC寄存器的 bit 7均置為1，把 TRISC寄存器的 bit 6均置為0。其次，要使 USART工作在異步通信方式，還必須設(shè)置發(fā)送和接收速率即波特率。最后通過對(duì)發(fā)送狀態(tài)和控制寄存器 TXSTA的 bit 4設(shè)置為“0”，從而使 USART工作于異步通信模式。

5.試驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證功率因數(shù)在線測(cè)量的精度，作者搭建了如圖 4所示的試驗(yàn)平臺(tái)，圖中 COS?是準(zhǔn)確等級(jí)為 0.2級(jí)的單相功率因數(shù)表。試驗(yàn)時(shí)分別采用白熾燈、電風(fēng)扇兩種不同負(fù)載作為測(cè)量對(duì)象進(jìn)行了功率因數(shù)測(cè)量試驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與功率因數(shù)表的讀數(shù)進(jìn)行比較。

圖 4 試驗(yàn)電路示意圖圖中

S1為電源開關(guān)，S2為轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng) S2合在下邊位置時(shí)可得到功率因數(shù)表直接讀數(shù)；當(dāng) S2合在上邊位置時(shí)可得到在線測(cè)量電路的功率因數(shù)測(cè)量值,試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算值如表 1所示。

由表 1可知，采用測(cè)量電路得到的測(cè)量值與功率因數(shù)表的讀數(shù)非常接近，說明該測(cè)量電路具有較好的測(cè)量精度。白熾燈為純電阻負(fù)載，而電風(fēng)扇為電感性負(fù)載，試驗(yàn)表明該功率因數(shù)測(cè)量電路具有較好通用性，既適用于電阻性負(fù)載也適用于感性負(fù)載。

5 結(jié)束語

基于電壓采樣來測(cè)量功率因數(shù)的方案，簡化了功率因數(shù)在線檢測(cè)電路的結(jié)構(gòu)、降低了成本，提高了檢測(cè)精度。并且這種檢測(cè)功率因數(shù)的思路還具有很好的實(shí)用價(jià)值，因在實(shí)際中電壓表比功率因數(shù)表更為常見，當(dāng)手頭沒有功率因數(shù)表的情況下，就可用電壓表測(cè)量相應(yīng)的 3個(gè)電壓，通過公式（ 2）計(jì)算也可得到負(fù)載的功率因數(shù)，解決了無功率因數(shù)表就無法測(cè)量功率因數(shù)的困難，給功率因數(shù)的測(cè)量帶來了很大的方便。但該測(cè)量電路也存在不足之處，測(cè)量時(shí)需要串接一個(gè)附加可調(diào)電阻，因而測(cè)量顯得不太方便，另外還會(huì)影響負(fù)載的工作，因此在使用時(shí)應(yīng)盡量使阻值調(diào)小些以得到適當(dāng)?shù)碾妷簽橐?，通過試驗(yàn)我們認(rèn)為該電壓調(diào)到 10V左右即可，這樣既能滿足測(cè)量要求，又不至于對(duì)負(fù)載造成太大影響。