基于51单片机的交流功率因数测量方法研究

龙源期刊网单片机的交流功率因数测量方法研究作者：凌荣耀倪栋梁劳斌斌王丽萍谢丽萍吴平来源：《数字技术与应用》2011年第06期摘要：本文介绍了一种以51单片机为核心的交流功率因数测量方法，阐述了本测量方法的硬件电路和软件系统，并通过实验证明了其具有准确性和实用性。本检测方法的主要特点是简单、可靠、精确度较高。关键词：功率因数测量51单片机中图分类号：TM933.3文献标识码：A文章编号：1007-9416（2011）06-0123-021、引言电能用于做功所产生的功率根据转化的结果可以分为两类，电能被转化为热能、光能、机械能或化学能等，称为有功功率；被用于建立交变磁场和感应磁通的电功率称为无功功率。有功功率P与无功功率S的比值，称为功率因数。功率因数也可以表述为在交流电路中，电压与电流之间的相位差的余弦，用符号cos表示。功率因数较低会对电网产生不利的影响，提高功率因数具有极高的经济效益和社会效益。因此功率因数的准确检测对电网的运行和无功功率补偿都具有重要意义。在电网参数的测量中，电子设备以其简单、可靠、精确度高的优势克服了传统测量方法结构复杂，可靠度差的缺点，应用日渐广泛。本文介绍了一种以51单片机为核心来实现对功率因数的测量的方法。并可以实现负载特性的判断，此方法的结构简单、可靠，易于实现，且测量精确度较高。2、测量原理功率因数是交流电路中电压与电流之间的相位差的余弦。由于已知交流电频率f和周期T，因此功率因数可以根据电压与电流之间相位差对应的时间差t计算求得。其计算公式为：周期（1）相位差（2）龙源期刊网功率因数（3）交流电频率为50HZ，则周期为20ms。由于功率因数范围在0~1之间，因此t应当在0~5ms之间。当计数值t1大于5ms，处理方法为：时间差（）(4)时间差（）(5)时间差（）(6)可以根据计数值t确定负载特性。当计数值t小于10ms，电压信号超前电流信号，负载呈感性；当计数值t大于10ms，电压信号滞后电流信号，负载呈容性。3、系统硬件电路本测量方法的硬件电路如图1所示。该系统主要有51单片机最小系统模块、输入模块、指示模块组成。模块采用两个过零电压比较器实现，由输入模块将采集的模拟交流信号转换成方波信号。采集到的信号周期不变，方波信号的正负值分别代表正弦信号的正半周和负半周，方波信号的上升沿和下降沿分别代表正弦信号的正负过零点。将转换得到的两个方波信号分别输入51单片机的两个外部中断口。当电压信号下降沿到来时，计数器开始计时。当电流信号下降沿到来时，计数器停止计时。此时定时器的计数值T就对应了电压信号和电流信号的相位差。通过单片机对计数值T的处理，就可以得出功率因数。计算所得的功率因数由八段数码管显示输出。由两个发光二极管完成负载特性的指示。本系统中断触发方式为脉冲下降沿触发方式，且外部中断0优先级高于外部中断1。图2为系统中断响应时序图，单片机开机后等待外部中断，当中断响应时，计数器T0开始计数。当中断响应后，计数器T0停止计数，T0的计数值与相位差成正比,单片机处理T0的计数值后即可得到交流电的功率因数。4、系统程序设计本设计软件流程图如图3所示，交流电流和电压信号周期均为0.02s，方波信号周期同样为0.02s。单片机晶振频率采用12MHZ。每一个机器周期为1us。当外部中断1有效时，计数器开始计数，当外部中断0有效时，计数器停止计数。计数器计数时间在0-20ms之间。由于输入信号的相位差与计数器的计数值呈正比，因此可以根据计数器的计数值计算出输入信号的相位差，从而计算出功率因数。当计数值对应的计数时间在0-10ms之间时，电压信号滞后于电流信号，负载呈容性。当计数值对应的计数时间在10-20ms之间时，电压信号超前于电流信号，负载呈感性。龙源期刊网、数据测量如表1所示。6、结语本文阐述了一种基于51单片机的交流电路功率因数的检测方法。并研究设计了简单的检测系统，该系统结构简单，操作简便，可靠性高，抗干扰能力强，运算速度快，精度较高，后续还可以添加通信接口和其他程序。进一步拓展功能。参考文献[1]康华光主编.电子技术基础模拟部分.第五版.北京:高等教育出版社,2006.[2]李广弟,朱月秀,冷祖祁.单片机基础.第三版.北京航空航天大学出版社,2007.[3]谭浩强著．C程序设计．第三版.北京:清华大学出版社,2005.基金资助：浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）2010R424020注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文