2.3 功率因數(shù)測(cè)量電路設(shè)計(jì)

采用相位差測(cè)量法。利用電壓電流互感器分別對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行提取， 然后用精密儀表放大器INA118 對(duì)電壓電流進(jìn)行放大至飽和，經(jīng)TLC372 整形后，測(cè)出相位差，相位差Φ 的計(jì)算原理是利用輸入2 路信號(hào)過零點(diǎn)的時(shí)間差，以及信號(hào)的頻率來計(jì)算2 路信號(hào)的相位差，首先測(cè)量單路輸入信號(hào)頻率，方法是記錄1 路方波信號(hào)2 次連續(xù)上升沿觸發(fā)的定時(shí)器計(jì)數(shù)值N1和N2,計(jì)算出2 次上升沿計(jì)數(shù)器差值ΔN1=N1-N2, 以定時(shí)器工作頻率fclk為參考， 求出輸入信號(hào)的頻率為Fin= fclk ΔN1 .運(yùn)用TI 低功耗單片機(jī)MSP430F449 的捕獲功能，捕獲2 路信號(hào)的過零點(diǎn)，記錄定時(shí)器這一時(shí)刻的計(jì)算值，計(jì)算出它們之間的時(shí)間差。TI 公司的所有的FLASH 型單片機(jī)都含有Timer_B,它是程序的核心，Timer_B 由1 個(gè)16 位定時(shí)器和多路比較/ 捕獲通道組成，2 路信號(hào)的相位差，Δ=360°×Δt Ti其中，ΔN2為2 路信號(hào)的上升沿分別觸發(fā)計(jì)數(shù)器的差值；Ti為輸入信號(hào)的周期。由相位差的計(jì)算可簡化為：ΔΦ=360°×Δt ΔN1 =360°×ΔN2 ΔN1×fclk , 為防止計(jì)數(shù)器溢出，參考時(shí)鐘設(shè)置為1 MHz,測(cè)相時(shí)最大計(jì)數(shù)值為1000 000/50=20 0002∧16-1=65 535;且每次測(cè)相前都對(duì)計(jì)數(shù)器B 清零。最后經(jīng)余弦運(yùn)算即可測(cè)得功率因數(shù)。負(fù)載端輸出電壓、電流經(jīng)采樣可算出系統(tǒng)視在功率。根據(jù)公式P=S×cosθ，Q=分別計(jì)算出電源的有功功率、無功功率。該方法操作簡單、可達(dá)到很高的精度。電路如圖3 所示。

圖3 功率因數(shù)測(cè)量

2.4 過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

通過單片機(jī)實(shí)時(shí)采樣輸出電流，當(dāng)電流過大時(shí)單片機(jī)控制繼電器模塊使其斷開，系統(tǒng)斷電；當(dāng)故障排除后測(cè)得電流值小于預(yù)設(shè)定值時(shí)單片機(jī)再次發(fā)指令使繼電器閉合。電路重新正常工作。電路如圖4 所示。

圖4 過流保護(hù)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用MSP430F449 低功耗單片機(jī)， 負(fù)責(zé)電壓電流的相位檢測(cè)、功率因數(shù)及電壓電流峰值的顯示、以及相應(yīng)外部請(qǐng)求對(duì)電壓值進(jìn)行調(diào)整。相位檢測(cè)用MSP430 定時(shí)器的捕獲功能實(shí)現(xiàn)。首先對(duì)一路電壓信號(hào)測(cè)頻，外部信號(hào)的上升沿到來時(shí)觸發(fā)中斷，記錄當(dāng)前定時(shí)器計(jì)數(shù)器的數(shù)值，由兩次定時(shí)器數(shù)值的差值，計(jì)算出信號(hào)的頻率。然后測(cè)兩路信號(hào)相位差，開始啟動(dòng)電壓信號(hào)的捕獲功能；當(dāng)捕獲到該路信號(hào)的上升沿并進(jìn)入中斷后，立刻啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)數(shù)，開啟電流信號(hào)的捕獲功能，禁能電壓信號(hào)的捕獲功能。當(dāng)捕獲到電流信號(hào)的上升沿并進(jìn)入中斷后，記錄當(dāng)前定時(shí)器計(jì)數(shù)器的數(shù)值，由此便可計(jì)算出電壓、電流的相位差，從而算出功率因數(shù)。程序中，TimerA 的外部引腳用于按鍵檢測(cè)，故用TimerB 的捕獲比較器實(shí)現(xiàn)[6].用MSP430 自帶的AD 對(duì)電壓、電流信號(hào)采樣，采樣模式為序列通道多次轉(zhuǎn)換， 以便實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的電壓、電流值。當(dāng)檢測(cè)到輸出電流超過2.5 A 時(shí)，控制繼電器的關(guān)斷和電路的復(fù)位。流程如圖5 所示。

圖5 軟件流程圖