杨狄赛，童向亚
（福建农林大学 机电工程学院，福建 福州 350002）
摘 要：发电机的功率因数是反映其输出有功功率的一项重要指标.作为备用电源，为保证发电机可靠工作，需要对其功率因数进行实时、准确的测量.介绍了基于AT89C52单片机的发电机功率因数测量方法，以及单片机与系统上位机通信并进行数据记录的方法.并通过Proteus仿真软件验证了设计方法的可行性.
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关键词 ：发电机；功率因数；AT89C52；单片机；Proteus仿真；上位机
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2015）01-0040-03
随着能源技术的发展，可通过发电机转化为电能的一次能源种类不断丰富.从火力发电、水力发电及至风能发电、光能发电与生物能源发电技术发展.在不同能源的发电系统中，发电机的工作环境都有显著差异，利用传统的仪器仪表方法对发电系统的功率因数测量已不能满足要求，也难以应用于复杂的工作环境中.微控制器的发展为新的测量手段提供了可能.应用单片机与上位机组成测量核心的功率因数测量系统，可用于各种电力应用场合的功率因数测量，具有广泛的发展前景.
1 功率因数测量系统原理
1.1 功率因数测量原理
在实际的用电系统中，由于接入的负载类型不同，在一定的视在功率S=UI下，电路的有功功率P=Scos渍z存在差异.其中Scos渍z定义为功率因数.当功率因数Scos渍z=1时，系统的用电效率最高.根据系统中负载的三种主要类型所对应的功率因数角 的不同，可以分为如下三种情况：
其中渍z可以通过计算交流电电压、电流的相位差得到[1].在三相系统平衡的情形下，三相交流电机可以输出3个同频的、相位依次滞后120°的等幅值正弦电源.对于其中任意的单相电源的功率因数测量，多采用测量其电流与电压的相位差渍z后，通过公式计算得到功率因数的值.
依据上述原理可进行功率因数测量系统的硬件设计和软件设计.
1.2 系统的工作原理
本系统中，发电机电路的电压、电流通过互感器转变为相位、频率不变且幅值较低的电压信号并分别送入输出限幅的电压比较器，从而得到单片机能够检测的方波信号.单片机通过对输入信号相位的分析，得到相位差值渍z后，一方面通过RS232串口通讯与PC上位机建立连接，并将数据传送至上位机，另外通过显示电路将测量到的数值显示出来，使观测者能够更加直观的对系统功率因数进行监测.整个系统的工作过程[2]如图2所示.
2 硬件设计
硬件部分主要实现电压、电流信号的转换及整形，即由物理信号到数字信号的变换.经互感器、采样电阻得到的电信号，虽然电压幅值被降低至基本满足测量系统的输入要求，但本质上仍然是正弦信号.本系统采用由运算放大器、稳压管组成的输出限幅比较器，将正弦信号经过一定处理转化为能够被单片机识别的方波信号[3].信号由正向输入端 输入，由于放大器工作于开环，其输出电压为：
V0=A(Vi+-Vi-) （1）
式中，A为放大器开环电压增益，Vi-为负向输入电压.
当信号为正电压时，高增益使得输出端输出正向饱和电压，并由稳压管将电压限制于3.3V附近.当信号由负电压接近0V并逐渐升高至正电压时，此时输出端会产生跃变并输出-3.3V.
将得到的方波信号送入电压加法器，用一定值的偏置电压将方波变为0～5V的方波信号.方波信号通过对三极管基极的控制可以在靠近集电极的输出端输出边沿相对陡峭的方波.原理图中串联的两个非门一方面可以提高电路的驱动能力，另一方面也起到了整形电路的作用.本硬件系统中，三极管电路部分也可以用光电耦合器代替，减少电路之间的干扰.
3 软件设计
3.1 测量方法的选择
测量系统中，单片机作为发电机与上位机的过渡单元，需同时完成对信号相位的比较及通讯功能.单片机响应外部信息的方式主要有两种：中断方式与查询方式[4].
在中断方式中，电压、电流方波信号分别接在单片机的外部中断INT0、INT1引脚.当选择下降沿触发中断的方式时，单片机在INT0引脚检测到某一时刻的方波下降沿将自动转入中断打开定时器T2开始计时，INT1引脚下降沿到来后立刻记录T2的值，即为相位差的时间t渍，当INT0引脚再次检测到下降沿时所记录的时间即为正弦波的周期时间T.即可由公式
得到功率因数角.
在查询方式中，单片机按照一定的时间间隔 反复查询输入信号引脚，若发现信号跃变则按上述顺序分别记录相位差的时间t渍及正弦波的周期时间T.
3.2 测量方法的误差分析
两种测量方式在相位差时间记录上都存在一定误差.中断方式中，单片机检测到下降沿到转入中断子程序前需要等待当前执行的指令结束，由于中断发生的时间相对于主程序而言不是固定的，因此当前指令的执行时间也不确定，由此会产生最多约3个机器周期的时间延迟.
查询方式中，若前一次检测过后，单片机引脚立刻发生了跃变，则需要再等待te≤Tp方可检测信号的跳变.一般而言，采用中断方式时，单片机要求方波信号的变化沿至多在1个机器周期内完成才能被单片机的外部中断引脚接受，这就要在电路中加设触发器及整形电路才能满足要求.而查询方式对变化沿的要求并不严格，只需将Tp设置为接近或大于变化沿的时间即可.在本系统中，方波变化沿的时间约为0.1ms，采用查询方式.误差约是中断方式的30倍，在硬件系统中简化了硬件，一定程度上减少了硬件的不可靠性对系统的影响，可用于非精密测量场合.
3.3程序设计
测试系统为多任务系统，通过计时器T0，设置一系列时间标志位，当到达给定时间时通过定时器中断将标志位置1，主程序轮询每一个标志位，当查到标志位为1时执行相应任务[5].
系统中并未采用查表[6]的方式来计算功率因数cos渍z的值，而是将计算任务分配给上位计算机处理.这样做可以避免因查表算法带来的误差，也可以避免单片机由于分配任务过多而造成的系统误差.
3.4 功率因数角的计算
通过分析，已知所测系统的功率因数状态只可能有三种情况：纯阻性、感性、容性.通过以上算法算出的渍z在容性电路时将测得270°≤渍z<360°因此需要进行渍z-360°换算.为了使测量更加准确，将多次测量的相位差、周期取平均值后再得出渍z的值.
3.5 上位机通讯系统
单片机通过RS232串口与计算机进行数据通讯.本系统采用VB6.0编写上位机软件，通过MSComm控件与单片机串口建立连接[7].点击“相位检测”按钮后，上位机以一定时间间隔向单片机发送控制信号.当单片机查询到相应的控制信号后，将返回渍z的值.同时判断电机负载的性质.“功率因数”按钮用于上位机将根据返回值计算cos渍z.
4 仿真结果分析
根据上述系统结构，在Proteus仿真软件中构造实验原理图.用Keilc编写单片机程序，仿真实验中需要单片机与上位机实现串口通讯，用虚拟串口软件构造一对逻辑上连接的串口，并为发电机设置三路不同的负载，切换负载时，示波器上电流与电压的相位发生改变.同时，负载的改变造成相位变化的信息通过单片机反映到上位机软件并通过数码管显示出来.
通过仿真，发现在发电机系统接入纯阻性负载时，依然会有一定的相位差出现.造成这种情况的原因：一方面，由于单片机是按顺序查询电流、电压信号再进行处理，程序按照既定顺序执行时，会造成一定的时差.另一方面，电流、电压从发电机中引出到产生信号的硬件电路是不同的，电路结构的差异会产生不同的延时.
仿真模拟实验中，这一误差是比较稳定，不随时间有大的变动.因此，消除这一误差的方法，可以通过软件系统的改进来实现.在系统中加入补偿时间，使得在纯阻性负载时相位差基本为0，其他负载的情况下也加入相同的补偿值即可.
5 结束语
本文提出了一种基于AT89C52单片机的发电机功率因数测量方法.通过对发电机电压、电流相位的测量反映出其功率因数值，并上传至上位机，从而实现发电机功率因数的实时监测.通过keilc软件与Proteus硬件仿真与VB上位机通讯验证了本系统的可行性.本系统有以下特点：具有数据通讯功能，在一定距离范围内可实现远距离功率因数测量.硬件电路较简单，没有采用过多的抗干扰电路，主要通过软件算法来减少干扰.本系统还需要通过实际应用的进一步检验发现问题.
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参考文献：
〔1〕冯文仙.基于单片机的功率因数检测装置的开发[J].通信电源技术,2011,28(6):64-65.
〔2〕汪建,代仕勇,章育群.发电机功角的微机测量系统[J].仪器与仪表,2001（4）:17-18.
〔3〕邱昌军.单片机在功率因数监控系统中的应用[J].煤炭技术,2009（8）:31-32.
〔4〕刘孝国,袁航.用中断方式实现监控机串口通信[J].微计算机应用,2003（5）：273.
〔5〕吴锤红.MCS-51微机原理与接口技术[M].厦门：厦门大学出版社,2009.151-154.
〔6〕刘新平,李军.单片机在电机功率因数测量中的应用[J].计算机工程与设计,2007,28(2):400-401.
〔7〕姜敏夫.用VB6.0实现串口数据自动接收的2种方法[J].北华大学学报(自然科学版),2004,5 (4):377-378.