基于单片机电压采样的功率因数在线检测

摘要：在分析现有功率因数检测电路的基础上，提出了基于单片机电压采样的功率因数检测方法。叙述了电压采样测量功率因数的原理，设计出了以 PIC16F877单片机核心的功率因数在线检测电路。并采用两种不同的负载进行了功率因数在线检测试验，通过对试验结果分析、比较可以看出该在线检测电路具有较高的精度。

1.引言

功率因数是交流电路中的重要参数，是衡量电力系统是否经济运行的一个重要指标，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对其进行实时测量 [1]。因此设计出结构简单、检测精度高的功率因数在线检测电路十分必要。而功率因数的测量一般都要对被测电路的电压、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、电流取样电路、整形电路、同步周期测量、相位测量等组成，其缺点是结构较复杂，检修困难，有时会出现功率因数的测量精度不高的问题 [2]。为此，作者基于电压采样，经单片机软件进行分析、计算可得出被测电路的功率因数，通过显示电路显示出功率因数的大小，并由通信接口电路将被测功率因数进行远距离传输。这样既简化功率因数测量电路的结构，提高功率因数的测量精度，又增强了功率因数检测电路的功能。

2.原理分析

通过对电压的提取来检测功率因数的原理如图 1 (a)所示，首先采用 3个高精度的 WB系列数字式交流电压真有效值传感器分别对被测电路的电源电压 U1、附加可调电阻 RP两端电压 U2及负载电压 U3进行检测。可调电阻 RP的作用是使附加电阻尽可能小，以减小对被测负载的影响，又可得到数值适当的电压U2满足功率因数计算的要求。由电路理论 [3]，可画出电压 U_1 、U_2 和U_3 的相量图如图 1(b)所示，则 COSφ即是被测负载的功率因数。

图 1 电压测量原理示意图与电压相量图

根据几何学中的余弦定理可得，

由式( 2)可知，只要将电压 U1、U2、U3经过运算后就可求出负载的功率因数 COS?。为减小测量电路的硬件开销，数据的处理与计算由单片机软件完成。

3.单片机输入输出电路设计

单片机输入输出电路主要是对传感器检测的电压信号需要进行处理，主要包括信号转换、计算、存储及功率因数的显示和数据传输。为此，我们设计出了以单片机及有关部件组成的电路如图 2所示。

电压传感器完成对电压的检测，其中 1-3端用于检测电源电压 U1、1-2端用于检测附加电阻电压 U2、2-3端用于检测负载电压 U3。

单片机选用 PIC16F877单片机，该芯片是目前集成外围设备模块最多、功能最强的单片机系列之一 [4]。该单片机芯片带有 8通道、10位分辨率的数模转换器 ADC模块，并具有 4K的 FLASH程序存储器。RA端口是一个只有 6个引脚的双向 I/O端口，它在基本输入/输出功能的基础上复合了 A/D转换器功能，通过端口方向控制器可定义端口引脚为输入或输出。RB、RC分别为具有 8个引脚的输入/输出可编程接口，每个I/O口能提供或吸收 20mA的电流，能直接驱动发光二极管和固态继电器，并有看门狗电路。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通过 4位红色高亮度数码管，对功率因数进行显示，显示精度达到0.001。

3个检测电压经输入接口 RA的 RA0、RA1、RA2管脚输入给单片机，首先经 A/D转换器将功率因数转换成数字信号并进行保存，并将经转换后的数据经 RC和 RB接口进行实时显示。另外还可经过串行接口与监控系统实现通信，及时将线路的功率因数传送给监控系统。目前常用的串行通信有两种 [5]，一种为 RS-232串行通信，另一种为 RS-485串行通信。但由于 PIC16F877单片机串行输入、输出接口均为 TTL或 CMOS电平，而监控系统的 PC机通常为 RS-232规范的外部总线标准串行接口，并采用负逻辑，因而 PIC16F877单片机的串行输入、输出接口电平不匹配，需要进行转换，这里采用 MAX232芯片来实现电平转换的功能。MAX232芯片的外围电路简单，只需外接 4个 0.1μF电容即可。

4.软件设计[6]

软件主要任务是完成 A/D转换、数据的运算、显示和通信等，为方便起见，软件编写时采用模块结构，主程序主要包括程序初始化、调用子程序、显示等。

(1)A/D转换子程序

该子程序主要是选择 A/D输入通道、选择 A/D转换时钟;设置 A/D中断，开放相应的中断使能位;等待所需要的采样时间;启动A/D;等待 A/D完成;读取 A/D转换结果，并存入指定的存储单元。

(2) 数字滤波子程序

为避免在工业现场产生的干扰噪声对功率因数测量造成误差，在软件设计时增加了数字滤波。通常数字滤波方法有多种，这里采用了中值滤波法。即对电压 U1、U2、U3连续采样