交流電智能測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了交流采樣的沒(méi)量原理，通過(guò)AT89C51來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電的電壓、電流、功率、功率因素等電參數(shù)的智能測(cè)量，給出了整個(gè)系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)框圖。

關(guān)鍵詞：交流采樣 智能測(cè)量 單片機(jī)

在微機(jī)應(yīng)用初期，電力系統(tǒng)的參數(shù)普遍采用直流采樣，即對(duì)經(jīng)過(guò)直流整流后的直流量進(jìn)行采樣測(cè)量。此方法軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，對(duì)采樣值只需做比例變換即可得到被測(cè)量的數(shù)值。但直流采樣方法存在一些問(wèn)題：測(cè)量精確度直接受整流電路的影響；整流電路參數(shù)調(diào)整困難，受波形因素影響大等。而交流采樣是按一定規(guī)律對(duì)被沒(méi)信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再用一定的數(shù)值算法求得被測(cè)量的值。交流采樣法主要取決于兩個(gè)因素：測(cè)量精度和測(cè)量速蝶戀花。交流采樣相當(dāng)于用一條階梯曲線代替一條光滑的正弦曲線，其原理性誤差主要有兩項(xiàng)：一項(xiàng)是用時(shí)間上的離散數(shù)據(jù)近似代替時(shí)間上的連續(xù)數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的誤差，這主要取決于A/D的轉(zhuǎn)換速度和CPU的處理速度；另一項(xiàng)是將連續(xù)的電壓和電流進(jìn)行量化而產(chǎn)生的量化誤差，這主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，如今的微機(jī)、單片機(jī)的處理速率大大提高，同時(shí)也出現(xiàn)了種類(lèi)繁多而且性能價(jià)格比很好的A/D轉(zhuǎn)換器，如AD574、MAC197等，為交流采樣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

一、 交流采樣法的測(cè)量原理

若將電壓有效值公式

離散化，以一個(gè)周期內(nèi)有限個(gè)采樣電壓數(shù)字量來(lái)代替一個(gè)周期內(nèi)的連續(xù)變化的電壓函數(shù)值，則

式中：△Tn——相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔。

Un——第n-1個(gè)時(shí)間間隔的電壓采樣瞬時(shí)值。

N——一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。

一般認(rèn)為相鄰兩次時(shí)間相等，即△Tn為常數(shù)△T，考慮到N=T/△T

這就是根據(jù)一個(gè)周期內(nèi)各采樣瞬時(shí)值及采樣點(diǎn)數(shù)來(lái)計(jì)算電壓信號(hào)有效值的公式。

同理，有電流有效值計(jì)算公式

計(jì)算一相有功功率的離散化公式為：

同理，三相有功功率為：

視在功率：

Ps=UI （7）

式中in,un——為同一時(shí)刻的電流，電壓采樣值

功率因素為：COSθ=PP/PS (8)

顯然，A/D轉(zhuǎn)換精度、分辨率及速度越高，對(duì)信號(hào)的采樣頻率和精度就越高，則由離散公式求得的電力參數(shù)精度就越高。由AT89C51控制的AD574完全能滿足實(shí)用要求。

二、 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件框圖如圖1，硬件電路由數(shù)據(jù)采集部分、單片機(jī)系統(tǒng)及接口部分組成。

三相電壓和電流信號(hào)加到取樣電路的輸入端，信號(hào)按比例變換為峰值小于±5V的交流電壓信號(hào)，再經(jīng)阻抗變換，經(jīng)16選一多路模擬開(kāi)關(guān)，LF398采樣保持電路加到AD574的輸入端。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)采用美國(guó)ATMEL公司的AT89C51，內(nèi)帶4K片內(nèi)ROM，AD574可輸入±5V或±10V交流電壓信號(hào)，12位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換最大時(shí)間為25μs，完全滿足測(cè)量精度要求。

在測(cè)量功率時(shí)，必須同時(shí)對(duì)電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采樣，考慮電源頻率一般不高（50Hz），根據(jù)實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用單片機(jī)對(duì)電壓，電流信號(hào)進(jìn)行交替采樣，且電流信號(hào)要經(jīng)過(guò)I/U變換，轉(zhuǎn)換成小于±5V的電壓信號(hào)后，再送到輸入端。這樣不僅可以簡(jiǎn)化硬件電路，而且減小了由于兩路數(shù)據(jù)采集和處理電路不對(duì)稱(chēng)所帶來(lái)的誤差和校準(zhǔn)困難。

三、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)離散化公式可知，在一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻的電壓、電流的采樣值及每周期采樣點(diǎn)數(shù)可計(jì)算出電壓、電流、有功功率等值。工頻交流電標(biāo)準(zhǔn)頻率為50Hz，周期為20ms。根據(jù)89C51的12MHz主頻和AD574的25μs的轉(zhuǎn)換速度，并考慮到電力參數(shù)析實(shí)用精度要求，采樣周期定為400μs，即一個(gè)周期內(nèi)采50個(gè)點(diǎn)。實(shí)踐證明，每周期采50個(gè)點(diǎn)，用12位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率可達(dá)1/4096.

整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件用C51編寫(xiě)，由于篇幅所限，只給出程序流程圖（圖2）。

四、 結(jié)語(yǔ)

該測(cè)試儀用交流采樣方法代替直流采樣減少了非線性環(huán)節(jié)，降低了硬件成本，提高了采樣精度，并可同進(jìn)測(cè)量多種電力參數(shù)，所有結(jié)果可用LED顯示，也可安裝相應(yīng)軟件，在計(jì)算機(jī)上顯示。該測(cè)試儀具有使用方便、可靠，測(cè)試范圍廣的特點(diǎn)。可用于微電機(jī)行業(yè)，節(jié)能燈行業(yè)、、空調(diào)行業(yè)、變壓器行業(yè)等，為生產(chǎn)線測(cè)試提供了保障，提高了交流電檢測(cè)的自動(dòng)化和智能化水平。另外，由于可以與計(jì)算機(jī)通訊，可以很容易加入計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一生產(chǎn)管理中，具有很好的應(yīng)用前景。