交流電智能測試儀的設計

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)現對交流電的電壓、電流、功率、功率因素等電參數的智能測量，給出了整個(gè)系統的軟、硬件設計框圖。

關(guān)鍵詞：交流采樣 智能測量 單片機

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

一、 交流采樣法的測量原理

若將電壓有效值公式

離散化，以一個(gè)周期內有限個(gè)采樣電壓數字量來(lái)代替一個(gè)周期內的連續變化的電壓函數值，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)周期內的采樣點(diǎn)數。

一般認為相鄰兩次時(shí)間相等，即△Tn為常數△T，考慮到N=T/△T

這就是根據一個(gè)周期內各采樣瞬時(shí)值及采樣點(diǎn)數來(lái)計算電壓信號有效值的公式。

同理，有電流有效值計算公式

計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轉換精度、分辨率及速度越高，對信號的采樣頻率和精度就越高，則由離散公式求得的電力參數精度就越高。由AT89C51控制的AD574完全能滿(mǎn)足實(shí)用要求。

二、 系統硬件設計

系統硬件框圖如圖1，硬件電路由數據采集部分、單片機系統及接口部分組成。

三相電壓和電流信號加到取樣電路的輸入端，信號按比例變換為峰值小于±5V的交流電壓信號，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。本設計中單片機采用美國ATMEL公司的AT89C51，內帶4K片內ROM，AD574可輸入±5V或±10V交流電壓信號，12位轉換，轉換最大時(shí)間為25μs，完全滿(mǎn)足測量精度要求。

在測量功率時(shí)，必須同時(shí)對電壓和電流信號進(jìn)行采樣，考慮電源頻率一般不高（50Hz），根據實(shí)際情況，本系統采用單片機對電壓，電流信號進(jìn)行交替采樣，且電流信號要經(jīng)過(guò)I/U變換，轉換成小于±5V的電壓信號后，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據采集和處理電路不對稱(chēng)所帶來(lái)的誤差和校準困難。

三、 系統軟件設計

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

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

四、 結語(yǔ)

該測試儀用交流采樣方法代替直流采樣減少了非線(xiàn)性環(huán)節，降低了硬件成本，提高了采樣精度，并可同進(jìn)測量多種電力參數，所有結果可用LED顯示，也可安裝相應軟件，在計算機上顯示。該測試儀具有使用方便、可靠，測試范圍廣的特點(diǎn)?？捎糜谖㈦姍C行業(yè)，節能燈行業(yè)、、空調行業(yè)、變壓器行業(yè)等，為生產(chǎn)線(xiàn)測試提供了保障，提高了交流電檢測的自動(dòng)化和智能化水平。另外，由于可以與計算機通訊，可以很容易加入計算機的統一生產(chǎn)管理中，具有很好的應用前景。