交流電智能測試儀的設計

摘要：本文介紹了交流采樣的沒量原理，通過AT89C51來實現(xiàn)對交流電的電壓、電流、功率、功率因素等電參數(shù)的智能測量，給出了整個系統(tǒng)的軟、硬件設計框圖。

關鍵詞：交流采樣 智能測量 單片機

在微機應用初期，電力系統(tǒng)的參數(shù)普遍采用直流采樣，即對經(jīng)過直流整流后的直流量進行采樣測量。此方法軟件設計簡單，計算方便，對采樣值只需做比例變換即可得到被測量的數(shù)值。但直流采樣方法存在一些問題：測量精確度直接受整流電路的影響；整流電路參數(shù)調(diào)整困難，受波形因素影響大等。而交流采樣是按一定規(guī)律對被沒信號的瞬時值進行采樣，再用一定的數(shù)值算法求得被測量的值。交流采樣法主要取決于兩個因素：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代替一條光滑的正弦曲線，其原理性誤差主要有兩項：一項是用時間上的離散數(shù)據(jù)近似代替時間上的連續(xù)數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的誤差，這主要取決于A/D的轉換速度和CPU的處理速度；另一項是將連續(xù)的電壓和電流進行量化而產(chǎn)生的量化誤差，這主要取決于A/D轉換器的位數(shù)。隨著電子技術的飛速發(fā)展，如今的微機、單片機的處理速率大大提高，同時也出現(xiàn)了種類繁多而且性能價格比很好的A/D轉換器，如AD574、MAC197等，為交流采樣奠定了堅實的基礎。

一、 交流采樣法的測量原理

若將電壓有效值公式

離散化，以一個周期內(nèi)有限個采樣電壓數(shù)字量來代替一個周期內(nèi)的連續(xù)變化的電壓函數(shù)值，則

式中：△Tn——相鄰兩次采樣的時間間隔。

Un——第n-1個時間間隔的電壓采樣瞬時值。

N——一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)。

一般認為相鄰兩次時間相等，即△Tn為常數(shù)△T，考慮到N=T/△T

這就是根據(jù)一個周期內(nèi)各采樣瞬時值及采樣點數(shù)來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(shù)精度就越高。由AT89C51控制的AD574完全能滿足實用要求。

二、 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件框圖如圖1，硬件電路由數(shù)據(jù)采集部分、單片機系統(tǒng)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選一多路模擬開關，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(nèi)帶4K片內(nèi)ROM，AD574可輸入±5V或±10V交流電壓信號，12位轉換，轉換最大時間為25μs，完全滿足測量精度要求。

在測量功率時，必須同時對電壓和電流信號進行采樣，考慮電源頻率一般不高（50Hz），根據(jù)實際情況，本系統(tǒng)采用單片機對電壓，電流信號進行交替采樣，且電流信號要經(jīng)過I/U變換，轉換成小于±5V的電壓信號后，再送到輸入端。這樣不僅可以簡化硬件電路，而且減小了由于兩路數(shù)據(jù)采集和處理電路不對稱所帶來的誤差和校準困難。

三、 系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)離散化公式可知，在一個周期內(nèi)不同時刻的電壓、電流的采樣值及每周期采樣點數(shù)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(jù)89C51的12MHz主頻和AD574的25μs的轉換速度，并考慮到電力參數(shù)析實用精度要求，采樣周期定為400μs，即一個周期內(nèi)采50個點。實踐證明，每周期采50個點，用12位A/D轉換器，分辨率可達1/4096.

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

四、 結語

該測試儀用交流采樣方法代替直流采樣減少了非線性環(huán)節(jié)，降低了硬件成本，提高了采樣精度，并可同進測量多種電力參數(shù)，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?？捎糜谖㈦姍C行業(yè)，節(jié)能燈行業(yè)、、空調(diào)行業(yè)、變壓器行業(yè)等，為生產(chǎn)線測試提供了保障，提高了交流電檢測的自動化和智能化水平。另外，由于可以與計算機通訊，可以很容易加入計算機的統(tǒng)一生產(chǎn)管理中，具有很好的應用前景。