通过PIC16F877单片机的电压采样进行功率因数测量电路的设计

介绍

功率因数是交流电路中的重要参数，是衡量电力系统经济运行的重要指标，也是供电线路在线监测系统的重要检测量。在功率因数补偿系统中需要对其进行实时测量。因此，有必要设计一种结构简单、检测精度高的在线功率因数检测电路。功率因数的测量一般需要对被测电路的电压和电流进行采样，然后进行处理提取功率因数信号，通常由电压和电流采样电路、整形电路、同步周期测量和相位测量等组成。其缺点是结构复杂，维护困难，有时功率因数测量精度低。因此，在电压采样的基础上，通过单片机软件的分析和计算，可以得到被测电路的功率因数，并通过显示电路显示功率因数的大小，测量的功率因数可以通过通信接口电路进行远距离传输。这不仅简化了功率因数测量电路的结构，提高了功率因数的测量精度，而且增强了功率因数检测电路的功能。

2.原理分析

通过电压提取检测功率因数的原理如图1 (a)所示。首先用三个高精度的WB系列数字交流电压真有效值传感器检测电源电压U1、两端的电压U2加上可调电阻RP和被测电路的负载电压U3。可调电阻RP的作用是使附加电阻尽可能小，以减少对被测负载的影响，并获得合适值的电压U2，以满足功率因数计算的要求。根据电路理论，可以画出如图1(b)所示的电压U_1、U_2、U_3的相量图，那么COS就是被测负载的功率因数。

图1电压测量原理示意图和电压相量图

根据几何学中的余弦定理，

从等式(2)可以看出，功率因数COS？通过计算电压U1、U2、U3可以得到负载的。为了降低测量电路的硬件成本，数据处理和计算由单片机软件完成。

3.单片机I/O电路设计

单片机的输入输出电路主要处理传感器检测到的电压信号，包括信号转换、计算、存储、功率因数显示和数据传输。为此，我们设计了一个由单片机和相关元件组成的电路，如图2所示。

电压传感器检测电压，其中端子1-3用于检测电源电压U1、1-2，端子U2、2-3用于检测负载电压U3。

选用单片机PIC16F877，是目前集成外设模块最多、功能最强的单片机系列之一[4]。单片微机芯片有一个8通道，10位分辨率的数模转换器ADC模块，和一个4K闪存程序存储器。RA端口是一个只有6个引脚的双向I/O端口。它将基本输入/输出功能与模数转换器功能相结合，端口方向控制器可以将端口引脚定义为输入或输出。RB和RC分别是8引脚输入/输出可编程接口。每个I/O口可提供或吸收20mA电流，可直接驱动LED和固态继电器，并带有看门狗电路。它具有外部电路结构简单、使用方便、性能可靠的特点。功率因数由单片机直接输出，用4位红色高亮度数码管显示，显示精度达到0.001。

三个检测电压通过输入接口RA的RA0和RA1、RA2引脚输入到单片机。首先通过A/D转换器将功率因数转换成数字信号并存储，通过RC和RB接口实时显示转换后的数据。此外，它还可以通过串行接口与监控系统进行通信，将线路的功率因数及时传输到监控系统。目前常用的串行通信有两种[5]，一种是RS-232串行通信，另一种是RS-485串行通信。但由于PIC16F877单片机的串行输入输出接口为TTL或CMOS级别，而监控系统的PC机通常为RS-232外部总线标准串行接口并采用负逻辑，因此PIC16F877单片机的串行输入输出接口电平不匹配，需要进行转换。这里使用MAX232芯片实现电平转换的功能。MAX232芯片外围电路简单，只需要4个0.1F电容。

4.软件设计[6]

软件的主要任务是完成A/D转换、数据运算、显示和通信等。为方便起见，软件采用模块化结构编写，主程序主要包括程序初始化、调用子程序和显示等。

(1)A/D转换子程序

该子程序主要选择A/D输入通道和A/D转换时钟；设置A/D中断并打开相应的中断使能位；等待所需的采样时间；A/d启动；等待A/D完成；读取A/D转换结果并将其存储在指定的存储单元中。

(2)数字滤波子程序

为了避免工业现场干扰噪声引起的功率因数测量误差，在软件设计中加入了数字滤波。通常数字滤波方法有很多种，这里用的是中值滤波法。即电压U1、U2、U3连续采样五次，然后对采样值进行排序，选择中间值。这种滤波方法有效地滤除了脉冲性质的干扰。

(3)操作子程序

首先读入数字滤波后的电压U1、U2、U3，然后用乘法指令完成平方运算得到U12、U22、U32，再通过减法、乘法、除法最终得到测量的功率因数。

通信子程序的任务是完成串行通信的初始化。PIC16F877单片机有同步异步收发模块(USART)，利用C口的两个管脚RC6、RC7作为双线串行通信接口。为了使USART工作和收发分开，在编程时，首先将USART的接收状态、控制寄存器的位7和TRISC寄存器的位7都置1，TRISC寄存器的位6都置0。其次，要使USART工作在异步通信模式下，还必须设置发送和接收速率，即波特率。最后，通过将传输状态和控制寄存器TXSTA的位4设置为0 & gt；USART工作在异步通信模式。

5.测试和结果分析

为了验证功率因数在线测量的准确性，作者搭建了如图4所示的测试平台，其中COS？它是一款单相功率因数表，精度为0.2级。测试过程中，以白炽灯和电风扇两种不同的负载为测量对象，进行功率因数测量测试，并将实验结果与功率因数表的读数进行比较。

图4测试电路原理图

S1为电源开关，S2为转换开关，S2在低位闭合时，可获得功率因数表的直读值；当S2在上位置闭合时，可以获得在线测量电路的功率因数的测量值。测试结果和计算值如表1所示。

从表1可以看出，测量电路得到的测量值与功率因数表的读数非常接近，表明测量电路具有良好的测量精度。白炽灯是纯阻性负载，电风扇是感性负载。实验表明，该功率因数测量电路具有良好的通用性，既适用于阻性负载，也适用于感性负载。

5结束语

基于电压采样的功率因数测量方案简化了在线功率因数检测电路的结构，降低了成本，提高了检测精度。而且这种检测功率因数的思路有很好的实用价值，因为实际中电压表比功率因数表更常见。当手里没有功率因数表时，可以用电压表测量相应的三个电压，用公式(2)计算出负载的功率因数，解决了没有功率因数表测量功率因数的困难，给功率因数的测量带来了很大的方便。但是测量电路也有一些缺点，比如测量时需要串联一个额外的可调电阻，所以测量不方便，而且还会影响负载的工作。因此，在使用时，最好尽可能降低电阻值，以获得合适的电压。通过测试，我们认为电压可以调整到10V左右，既能满足测量要求，又不会对负载造成太大影响。