简易电能质量检测

【摘要】

本简易电能质量监测装置由单片机主控制模块，电源模块、信号变换与处理模块和数据转换模块等构成，由stc89c52为主控单片机，它能准确的完成对一路交流工频电（有失真的正弦波）的频率、电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数和谐波占有率的进行测量。系统调试时，用函数信号发生器输出正弦电压信号作为交流信号的电压信号输入，此电压信号经过自制的移相电路移相后代表同一路信号的电流信号输入。

【关键字】

电能质量单片机工频交流电移相电路

一、设计任务与要求

1、设计任务

设计并制作一个能同时对一路工频交流电的频率、电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、谐波等进行测量的数字式电能质量监测

装置。为便于本试题的设计与制作，设定待测的100～500V交流输入电压、10～50A交流输入电流均经由相应的变换器转换为对应的1～5V交流电压。

这里由信号发生器产生1~5V的电压作为输入的交流电压，此电压信号经过自

制的移相电路移相后代表同一路信号的电流信号输入。

图1 整体原理图

2、技术指标

（1）测量交流输入电压有效值。

频率：50Hz；测量范围：1~5V；准确度：±1％。

（2）测量交流输入电流有效值。

频率：50Hz；测量范围：10~50A；准确度：±1％。

（3）测量并显示有功功率P、无功功率Q、视在功率S。

（4）在测试交流电压、交流电流有效值过程中，能显示它们的最大值和

最小值。

（5）测量交流输入电压频率，精度为±0.5%。

二、方案比较与论证

1、外部电路处理

方案1：利用升压电路将输入信号抬升为只有正电压的信号，送入单片机；

方案2：利用整流电路，对正弦信号进行全波整流后送入单片机；

升压电路可保持正弦信号的完整性，信号通过升压电路后仍为正弦波，全波整流电路会使正弦信号失去其完整性，就电路设计难度而言，两者都较为简单，故设计电路中结果最好保持其完整的正弦特性。

综上，选用方案1；

2、测量相位差

方案1：利用FPGA测量相位

方案2：利用单片机测量相位

在单片机里可以利用下降沿触发定时器计数来实现相位测量，实现较简便。FPGA实现相位差测量，最终结果还需要传输给单片机显示，没有单片机直接测量简便。本项目测量的是工频信号，对频率要求较低，用单片机完全可以胜任。

综上：选用方案2

图2 系统总体框图

三、系统硬件设计

1、移相电路

在交流电路中，电阻电路是线性的，电容的相位超前90度，电感的相位滞后90度。选择不同的RC 数值，能使RC 组成电路的输出相对输入产生不同的相移，通过调节滑动变阻器的阻值变化可使最大相移达到180度，本系统移相电路将输入的电压信号移位后代表同一路的电流信号，便于系统的调试。移相电路如下：

图3 移相电路原理图

参数计算： Ui RC j RC j Ui Uo ≈++

-=1

)

(2ωω

（1）

)2arctan(2-180RC f πϕ⨯=

（2）

相位角在0-180度内可调。 2、比例抬升电路

由于系统是由单片机主控，通过PCF8591TADC 采集数据并用STC89C52RC 处理，所以单片机采得的数据要满足其规定的范围内，即最大电压不超过5V ，且不能有负电压，我们通过LF353型运放对输入信号比例缩小，并抬升运放的静态工作点，以保证采集的信号在规定的范围内。其中电路部分如下：

图4 比例抬升电路原理图

参数计算： 电压放大倍数:

455.02.2124

===R R Au

（3）

静态电压抬升幅度：

V R R R V 31.2)

31(3

10=+⨯=

（4）

3、整形电路部分设计

系统需要监测电路的功率与频率，测量功率需要检测输入电路与电压之间的相位差，单片机实现对两路正弦波相位差的监测比较麻烦，而对方波信号的检测相对比较容易，因此我们把正弦波整形成同频率的方波，通过对方波下降沿的采样，计算可以得出输入信号的频率与相位差。整形电路如下：

图5 整形电路原理图

输出电压峰值： V R R R U 29.410)

1513(15

max =⨯+=

（5）

V U 0min =

（6）

四、系统软件设计

1、程序总体流程图

图5 程序总体流程图2、单片机按键使用说明：

默认显示电压电流两路信号有效值；

Key0：重新采样计算；

Key1：显示频率；

Key2：显示相位差（角度）；

Key3：显示两路信号最大值；

Key4：显示两路信号最小值；

Key5：显示视在功率；

Key6：显示有功功率； Key7：显示无功功率；

3、理论分析及计算

根据题目要求，通过硬件中的移相电路和整形电路，将工频交流电信号移相成电流和电压正弦型号，整形为电流和电压的等效方波信号，通过STC89C52单片机下降沿采样算出相位差和频率，再通过相位差和频率计算出电流电压的有功功率、无功功率、视在功率等参数，并记录它们的最大值、最小值。应用取点法，采集波形显示的相应点，在数码管上显示出来。

具体的公式如下

频率f ： f=1/T ，T=50HZ

（7）

功率因数PF ： PF=P/S （8） 有功功率P ：

P =I*U*COS φ，△t 波形相位差 （9）

无功功率Q ： Q =I*U *sin φ （10） 视在功率S ： S =错误！未指定书签。U*I

（11）

4、各个功能模块说明 （1）ADC 采样模块

由于输入到单片机的信号为比例缩小和抬升后的正弦信号，故采样后需要对采样得到的信号进行处理，将抬升的电压作为0点基准。单片机晶振为12MHz ，即机器周期为1us ，足够满足50Hz 工频交流信号的采样。

设定每周期采样64个点，则采样间隔为

us ms t 5.3126420==δ

（12）

单片机在执行读取数据等指令时会有一定的延时，故采样间隔设为312us 。

for (i=0;i<64;i++) { ET1=1; TR1=1;

while(TF1==0);

TR1=0;