一种基于单片机电压采样的功率因数在线检测

文章摘要：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 5次，然后将这些采样值进行排序并选取中间

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　　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 5次，然后将这些采样值进行排序并选取中间值。这种滤波方法对滤除脉冲性质的干扰比较有效。

　　（3）运算子程序

　　首先将经过数字滤波后的电压 U1、U2、U3读入，然后通过乘法指令完成平方运算，得到U12 、U22 、U32 ，再经减法运算、乘法和除法运算最后得到　，即得到被测功率因数。

　　通信子程序的任务是完成串行通信的初始化。PIC16F877单片机带有的同步异步接收发送模块（USART），它是利用 C口的RC6、RC7两个引脚作为二线制的串行通信接口，为使 USART分别工作与发送和接收状态，编程时首先将 USART的接收状态和控制寄存器的 bit 7和 TRISC寄存器的 bit 7均置为1，把 TRISC寄存器的 bit 6均置为0。其次，要使 USART工作在异步通信方式，还必须设置发送和接收速率即波特率。最后通过对发送状态和控制寄存器 TXSTA的 bit 4设置为“0”，从而使 USART工作于异步通信模式。

　　5.试验及结果分析

　　为验证功率因数在线测量的精度，作者搭建了如图 4所示的试验平台，图中 COS?是准确等级为 0.2级的单相功率因数表。试验时分别采用白炽灯、电风扇两种不同负载作为测量对象进行了功率因数测量试验，并将实验结果与功率因数表的读数进行比较。

　　图 4 试验电路示意图图中

　　S1为电源开关，S2为转换开关，当 S2合在下边位置时可得到功率因数表直接读数；当 S2合在上边位置时可得到在线测量电路的功率因数测量值,试验结果与计算值如表 1所示。

　　由表 1可知，采用测量电路得到的测量值与功率因数表的读数非常接近，说明该测量电路具有较好的测量精度。白炽灯为纯电阻负载，而电风扇为电感性负载，试验表明该功率因数测量电路具有较好通用性，既适用于电阻性负载也适用于感性负载。

      5 结束语

　　基于电压采样来测量功率因数的方案，简化了功率因数在线检测电路的结构、降低了成本，提高了检测精度。并且这种检测功率因数的思路还具有很好的实用价值，因在实际中电压表比功率因数表更为常见，当手头没有功率因数表的情况下，就可用电压表测量相应的 3个电压，通过公式（ 2）计算也可得到负载的功率因数，解决了无功率因数表就无法测量功率因数的困难，给功率因数的测量带来了很大的方便。但该测量电路也存在不足之处，测量时需要串接一个附加可调电阻，因而测量显得不太方便，另外还会影响负载的工作，因此在使用时应尽量使阻值调小些以得到适当的电压为宜，通过试验我们认为该电压调到 10V左右即可，这样既能满足测量要求，又不至于对负载造成太大影响。

　　本文作者创新点：通过对被测电路电压采样，并经过计算即可得到被测电路的功率因数，简化了功率因数测量电路结构，提高了功率因数的测量精度。克服了传统的功率因数测量时需要对电压、电流进行检测，再经过电压、电流波形变换得到电压、电流的相位差，最后才能得到被测电路的功率因数复杂过程。

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