基于P89V51RD2的功率因数测量仪设计

为实现高精度相位检测和显示，采用具有SoftICE和ISP功能的高集成度增强型P89V51RD2单片机。其电路原理图如图4所示。显示电路由七段码集成电路74LS47、3-8译码器74LS138和6位共阳极七段码组成。其中：1位(D31)显示±，1位(D32)显示0或1和小数点，其余4位(D33)显示小数点后的4位有效数据。

单片机小系统除振荡电路和复位电路外。还有RS-232通信接口，这是因为P89V51RD2单片机具有SoftICE功能和ISP功能。

通过FlashMagic软件可激活P89V51RD2的SoftICE功能，则该单片机就具有本系统的自调试功能。通过串口通信电缆将本系统硬件连接到PC，在Vision单片机软件集成开发环境中进行程序在线调试。当系统程序调试完成后，可通过FlashMagic软件将调试通过的程序下载到单片机中，然后，按复位按钮或重新上电，系统正常工作。因此，采用P89V51RD2单片机设计时，无需仿真器和编程器就可完成整个系统设计。

4 系统软件设计

硬件电路为检测相位角提供高精度脉冲信号。利用P89V51RD2内部的T1定时／计数器，可精确求出△t值。将定时器T1设置成定时器方式，工作在工作方式1状态(即16位计数器)。

选用24 MHz的晶体振荡器，因此，时标脉冲周期为0．5μs。设定TR1和GATE1=1，则T1是否计数取决于信号：当由0→1时，T1开始计数；当由1→0时，T1停止计数。

设定IE=81H，IT0=1，当由1→0时，触发中断，在中断程序中，首先，关总中断，置TR1=0停止计数，读取定时器1的16位计数值，其中：高8位在TH1中，低8位在TL1中；然后，置定时器1的16位计数值为O；最后，开总中断，置TR1=1定时器1准备计数。因此，只要将△t信号施加至和上，就可求出以μs为单位△t的数值，即：

采用这种方法测量△t，分辨力和最大绝对误差均为0．5μs。系统软件程序流程如图5所示。电流信号预处理电路具有一定时间延迟，虽然其在被测相位上造成误差，但由于延迟时间固定，因此，只需由单片机读出相位值放入内存，采用软件修正测量结果，就可消除由此造成的通道相位误差，提高相位差的测量精度。

为避免随机干扰和测量结果的不稳定，提高相位测量精度，采用相位差中值滤波测量法：首先，采用排序技术对N个测量值进行冒泡排序排序，然后，取中间(N-2)个测量值，求平均值作为相位差值。

采用这种方法能够很好地提高测量仪的抗干扰能力问题。

5 测试结果

功率因数测量仪的关键技术在于对相位的精确测量。在完成硬件电路设计后．采用数字示波表测试相位检测电路中的电压和电流信号，测试结果如图6所示。

通过对测试电压和电流波形的分析可知：当电流信号发生严重畸变时，系统硬件能够很好地进行滤波整形，进而保证相位检测的精确度和准确度。由于在系统软件中采用中值滤波技术，因此，在工业现场实际测试时，测量结果具有很高的稳定性和测量精度。

6 结束语

基于P89V51RD2单片机的高性能功率因数测量仪，采用了改进的电压转换电路设计和具有SoftICE和ISP功能的高集成度增强型P89V51RD2单片机．降低了系统开发成本，加速开发进程。整个系统除具有硬件结构简单、测量精度高、测量稳定和可靠外，还具有在系统调试和在线软件升级功能。本功率因数测量仪既可广泛应用于电力供、配电系统中要求实时检测功率因数的部门，又可应用于生产、科研等需要对功率因数进行监测的场合。