单片机技术在工频检测上的应用

【摘 要】随着社会对电力需求量的不断增长，电能紧缺问题日趋严重，极大的制约着社会经济的发展。为做到节约电能并合理高效地利用电能，这就需要对电量参数进行准确、实时地测。文中论述了电参数测量的原理，并采用单片机技术，以软件代替了传统仪器中的大量硬件，将多种测量功能集于一身，可以测量电流、电压、功率因数、频率等参数。在此基础上，详细介绍了整个系统的软硬件开发过程，最后对系统进行了误差分析。

【关键字】单片机；电量参数；系统设计

一、电参数测量目的及意义

电力是人们日常生活和工业生产中的主要能源，在现代社会中起着越来越重要的作用。企业供电线路的电压、电流、功率因数、相位角等参数的检测是掌握企业供电线路和设备运行状态的基础，有些参数还是企业保证功率补偿有效性和合理性的决策依据。

传统的电参数测量仪的提高精度十分困难，而以单片机为核心的工频检测系统的硬件简单、功能较强，测量准确度高，且对系统的时漂、温漂可用软件消除，不需增加硬件开销，对组成系统的元器件要求不高，因而本文采用了此种方法。本文主要研究单片机在工频电流、电压、频率、相位、功率因数等参数测量中的应用。

本测试系统即可实现此功能，还可作为实验室仪器，供教学和科研使用。

二、系统原理及其测量方法

以单片机8051为核心的，用于测量频率、相位角的智能仪器原理。

2、测量

8051内部的16位定时器在6MHZ的晶振时，每80?m加1，故可用来测定T的时间。若定时器1LSB角度对应一个角度Φ'，则，即Φ'=1.44°。所以，只要求出TΦ=7DH-T（T为定时器读出的计数值），再乘以1.44°，即为Φ的实际相位角。

系统软件的主要任务为：接收键入的预置门时间；对FX粗测以判断是否需要分频；设置合理时序对FX等精度测量、调整、运算双计数器计数值、显示测量结果等。

三、系统硬件设计

（一）系统的结构

本设计采用INTEL公司的8051单片机作为处理器，系统主要由信号采集、采样及A/D转换、显示等几个功能模块组成。

系统主要由信号输入电路、采样及A/D574转换电路、单片机8051、显示电路等几部分组成。信号输入电路即电压、电流信号输入处理电路，主要由电压互感器、电流互感器等组成，实现了外部信号与本系统的电气隔离，减小了外部电磁干扰，提高了电气安全性能和可靠性，并对输入信号进行线性变换。采样及A/D转换电路组成，有二路模拟输入通道。此部分电路将信号输入电路传来的信号进行A/D变换，将模拟输入量变成数字量，送给单片机进行处理。单片机电路是本系统的核心，将A/D变换器送来的数字量进行运算，得出被测信号的电流、电压、频率、相位、功率因数等的值进行实时显示。它的工作过程是把电力网上的被测交流电压、电流信号经过电压、电流互感器变换成交流小电流信号，信号调理模块采用A/D574转换电路把它变换成4-5V的交流电压信号。采样模块按事先确定的采样间隔对信号调理模块的输出进行采样，采样值进行A/D变换后存入数据存储器，等采样完预先确定的采样点数后采样过程结束，单片机对采样值进行数据处理。根据第二章中的算法，计算出电流、电压有效值，相位角、功率因数等参数，处理结果可以在数码管上显示，也可以通过液晶显示器显示。

（二）电参量的测量

1、电压测量原理

设备接入电路，考虑到人身和设备的安全，首先通过电压互感器降压处理变为安全电压，经过运算放大电路处理，运放的作用是提高输出能力。接入A/D574所能接受的电压，经过地址锁存器7474LS373经过单片机处理，显示出电网的实际电压。

2、功率因数和频率测量原理

3、电流测量原理

在交流电路中，将精密的互感器串进负载回路中，回路电阻的阻值不应该太大，只要负载上流过电流，采样电阻也流过与负载相同的电流。从而在负载上产生与流过的电流成正比的电压，这就是所说的I/V转化电路。

四、误差分析

仪器设计时，以简化硬件电路、降低成本，充分利用微处理器为指导思想，因此仪器中硬件带来的误差不再成为仪器误差的全部来源。在误差构成中，除硬件带来的误差外，测量方法和软件实现上带来的误差占了很大一部分。仪器的误差主要表现在以下几个方面：

1、互感器引起的测量误差

2、数据采集系统的量化误差

3、采样方法引起的误差

五、结论

电参数测量系统用做电量监测、管理及计量的依据，与工农业生产和人民的生活密切相关。本课题通过对主要电参量测试的研究，根据单片机的测量原理，讨论了本系统的各个组成部分。

本系统的主要特点：

1.采用单片机技术，对电流、电压、频率、相位、功率因数等多个电参数进行测量、显示，功能较多。

2.本系统如在软件上做进一步改进，增加谐波测试功能，则应用范围会更广泛。硬件电路上如果对CPU的电路采用CPLD器件，体积会大大减小，成本也会降低。