基于單片機(jī)的非正弦波平均功率的測(cè)量

1　引　言

目前，彩顯及彩電等電子設(shè)備的交直流變換電路基本上都采用開(kāi)關(guān)電源，由于開(kāi)關(guān)電源的輸入部分采用二極管整流和電容濾波的形式，致使輸入端電壓雖為正弦波，但電流波畸變?yōu)檩^大幅度的窄脈沖（圖1），輸入的電流波形可近似認(rèn)為是矩形波。

現(xiàn)有的電功率測(cè)量?jī)x表多數(shù)是針對(duì)工頻正弦波的，測(cè)量含有高次諧波的非正弦電路，誤差較大

〔1〕電路理論中定義的平均功率（即有功功率）：P＝UIcosθ已不能準(zhǔn)確地表達(dá)電路負(fù)載實(shí)際消耗的功率。有關(guān)功率的測(cè)量主要有，時(shí)分割乘法器方法
〔2〕和利用單片機(jī)的數(shù)字測(cè)量方法
〔3〕本文介紹的非正弦波平均功率的測(cè)量方法不同于文獻(xiàn)3介紹的方法，它同樣可以較準(zhǔn)確地測(cè)量出實(shí)際電路的平均功率。

2　測(cè)量原理

對(duì)于交直流變換電路，當(dāng)輸入電流i（t）為非正弦周期波形時(shí)，電流中含有基波分量和相當(dāng)多的高次諧波分量。對(duì)圖1的電流波形進(jìn)行傅立葉分解可得下式：

因?yàn)橹挥邢嗤l率的電壓和電流才能產(chǎn)生平均功率，當(dāng)輸入電壓僅含基波（50Hz）時(shí)，其有效值U＝U1（基波），因此，輸入平均功率除P1以外的P值均為0，即非正弦波周期電流電路的平均功率

基于上式，需要分別測(cè)得輸入電壓的有效值、輸入電流的基波（50Hz）有效值以及輸入電流基波與輸入電壓的相位差θ1，通過(guò)計(jì)算才能得到真正的平均功率。

3　系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)

硬件電路的總原理圖示于圖2。由于用電壓、電流互感器來(lái)獲取所需的兩個(gè)模擬信號(hào)，A／D的輸入通道地址選用了兩路?！?/p>

在A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，最大信號(hào)變化幅度應(yīng)小于A／D轉(zhuǎn)換器的量化誤差，當(dāng)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)，不影響轉(zhuǎn)換精度所允許的信號(hào)其最高頻率就越低，這將大大限制A／D轉(zhuǎn)換器的工作頻率范圍〔4〕。因此，在滿足轉(zhuǎn)換精度的條件下提高模擬信號(hào)允許的工作頻率，在A／D轉(zhuǎn)換器之前采用了采樣保持器LF398。LF398具有采樣速度高、保持電壓下降率低的特點(diǎn)。當(dāng)外接保持電容選用0．01μF時(shí)，其輸出電壓下降率為3mV／s〔4〕。作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的ADC0809屬CMOS工藝逐次逼近型、可與微處理器兼容的8通路8位A／D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)模擬輸入電壓范圍為0～5V時(shí)，可使用單一的＋5V電源。本設(shè)計(jì)中將ADC0809的正參考端Ref（＋）與電源VCC一起接到了基準(zhǔn)電壓5．12V上，Ref（－）接到了地端GND上，最低位可表示的輸入電壓值為于 A／D 轉(zhuǎn)換程序里先采樣電流后采樣電壓，若要采集同一時(shí)刻里的電流和電壓值，就要在電壓采樣通道里增設(shè)一個(gè)延時(shí)電路。從電壓、電流互感器得到的兩路信號(hào)要先轉(zhuǎn)換為±2．5V的交流電壓，再經(jīng)50Hz帶通濾波和電平移位電路，保證A／D轉(zhuǎn)換器的輸入為0～5V的模擬電壓。開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)，ADC0809的EOC端為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束變?yōu)楦唠娖剑蓸颖３制鞯目刂贫嗽诟唠娖綍r(shí)采樣、低電平時(shí)保持，因此，將ADC0809的EOC作為L(zhǎng)F398的控制端，ADC0809 的控制信號(hào)來(lái)自單片機(jī)（圖2）。

4　軟件設(shè)計(jì)

4．1　采樣次數(shù)N的確定

為使采樣到的離散信號(hào)可與原模擬信號(hào)一致，根據(jù)采樣定理，采樣頻率f應(yīng)不小于信號(hào)頻率的5～10倍。在一個(gè)周期Ts內(nèi)均勻采樣N個(gè)模擬量點(diǎn)，則采樣周期為。單片機(jī)80C51的振蕩頻率設(shè)為6MHz，則，ALE輸出是1MHz，二分頻后作為ADC0809的時(shí)鐘CLK（500kHz），一次轉(zhuǎn)換需要28μs〔4〕。由下面的程序可以看到，每次同時(shí)采樣兩路，需時(shí)約260μs，每路一個(gè)周期（20ms）里最多可采樣76．9個(gè)點(diǎn)?？紤]到采樣周期太短會(huì)對(duì)整體電路的速度要求較高、太長(zhǎng)又會(huì)影響cosθ1的精度，兼顧這兩方面，在一個(gè)工頻周期里每隔5°采樣一次。N值設(shè)為72，則對(duì)兩路信號(hào)的采樣頻率是3．6kHz。
 

4．2　程序流程圖

程序流程圖如圖3所示。

4．3　A／D轉(zhuǎn)換主程序

由圖2可見(jiàn)，80C51的 ALE作為ADC0809的時(shí)鐘CLK，A／D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)信號(hào)START和8路模擬輸入地址允許信號(hào)ALE由單片機(jī)的寫信號(hào)WR及地址譯碼輸出信號(hào)邏輯提供。ADC0809當(dāng)作80C51的一個(gè)I／O擴(kuò)展口，取P2．6低電平有效作為片選信號(hào)，則IN0～I(xiàn)N1這2 個(gè)地址通道號(hào)分別為BFF8H和BFF9H。因本設(shè)計(jì)中有兩路輸入，所以，B和C接地。每執(zhí)行一條輸出指令，選通一個(gè)通道啟動(dòng)一次A／D轉(zhuǎn)換。單片機(jī)啟動(dòng) A／D轉(zhuǎn)換后，延時(shí)等待128μs，再到ADC0809中讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換程序如下：

    MOVX＠DPTR，A；啟動(dòng)IN1輸入
    ACALL WAIT；轉(zhuǎn)延時(shí)子程序
    MOVX A，＠DPTR；讀入電壓數(shù)據(jù)
    MOV＠R1，A；存入緩沖器
    INCR1；修改A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果存放地址
　　DJNZR2 LOOP1；若A／D全部采樣完畢，順序向下執(zhí)行，否則轉(zhuǎn)向LOOP1
    ：
    ：
    ；延時(shí)子程序
    WAIT：MOV R3，＃3EH；延時(shí)128μsDELAY：DJNZR3，DELAY
　　RET

5　結(jié)束語(yǔ)

基于此，在偉福（Wave）仿真器上進(jìn)行了在線仿真測(cè)試。電流互感器、電壓互感器的匝比、50Hz帶通濾波電路的放大倍數(shù)均在求解電壓、電流有效值的程序設(shè)

計(jì)里給予考慮，cosθ1值提前存放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)里。要確保采樣到一個(gè)周期里的電流電壓值，需不斷修正延時(shí)程序的時(shí)間設(shè)置。為驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果，分別在開(kāi)關(guān)電源純阻性和感性負(fù)載的條件下，在50Hz帶通濾波之后接入CA8020（20MHz）雙蹤示波器和EM2172交流電壓表監(jiān)測(cè)其相位差和有效值。結(jié)果表明，所測(cè)數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確、快捷，具有較高的性價(jià)比，可作為實(shí)驗(yàn)室數(shù)字功率表推廣使用。

參考文獻(xiàn)
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