2.3 功率因數(shù)測量電路設(shè)計

采用相位差測量法。利用電壓電流互感器分別對電壓、電流信號進行提取， 然后用精密儀表放大器INA118 對電壓電流進行放大至飽和，經(jīng)TLC372 整形后，測出相位差，相位差Φ 的計算原理是利用輸入2 路信號過零點的時間差，以及信號的頻率來計算2 路信號的相位差，首先測量單路輸入信號頻率，方法是記錄1 路方波信號2 次連續(xù)上升沿觸發(fā)的定時器計數(shù)值N1和N2,計算出2 次上升沿計數(shù)器差值ΔN1=N1-N2, 以定時器工作頻率fclk為參考， 求出輸入信號的頻率為Fin= fclk ΔN1 .運用TI 低功耗單片機MSP430F449 的捕獲功能，捕獲2 路信號的過零點，記錄定時器這一時刻的計算值，計算出它們之間的時間差。TI 公司的所有的FLASH 型單片機都含有Timer_B,它是程序的核心，Timer_B 由1 個16 位定時器和多路比較/ 捕獲通道組成，2 路信號的相位差，Δ=360°×Δt Ti其中，ΔN2為2 路信號的上升沿分別觸發(fā)計數(shù)器的差值；Ti為輸入信號的周期。由相位差的計算可簡化為：ΔΦ=360°×Δt ΔN1 =360°×ΔN2 ΔN1×fclk , 為防止計數(shù)器溢出，參考時鐘設(shè)置為1 MHz,測相時最大計數(shù)值為1000 000/50=20 0002∧16-1=65 535;且每次測相前都對計數(shù)器B 清零。最后經(jīng)余弦運算即可測得功率因數(shù)。負載端輸出電壓、電流經(jīng)采樣可算出系統(tǒng)視在功率。根據(jù)公式P=S×cosθ，Q=分別計算出電源的有功功率、無功功率。該方法操作簡單、可達到很高的精度。電路如圖3 所示。

圖3 功率因數(shù)測量

2.4 過流保護電路的設(shè)計

通過單片機實時采樣輸出電流，當電流過大時單片機控制繼電器模塊使其斷開，系統(tǒng)斷電；當故障排除后測得電流值小于預(yù)設(shè)定值時單片機再次發(fā)指令使繼電器閉合。電路重新正常工作。電路如圖4 所示。

圖4 過流保護

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)選用MSP430F449 低功耗單片機， 負責電壓電流的相位檢測、功率因數(shù)及電壓電流峰值的顯示、以及相應(yīng)外部請求對電壓值進行調(diào)整。相位檢測用MSP430 定時器的捕獲功能實現(xiàn)。首先對一路電壓信號測頻，外部信號的上升沿到來時觸發(fā)中斷，記錄當前定時器計數(shù)器的數(shù)值，由兩次定時器數(shù)值的差值，計算出信號的頻率。然后測兩路信號相位差，開始啟動電壓信號的捕獲功能；當捕獲到該路信號的上升沿并進入中斷后，立刻啟動定時器計數(shù)，開啟電流信號的捕獲功能，禁能電壓信號的捕獲功能。當捕獲到電流信號的上升沿并進入中斷后，記錄當前定時器計數(shù)器的數(shù)值，由此便可計算出電壓、電流的相位差，從而算出功率因數(shù)。程序中，TimerA 的外部引腳用于按鍵檢測，故用TimerB 的捕獲比較器實現(xiàn)[6].用MSP430 自帶的AD 對電壓、電流信號采樣，采樣模式為序列通道多次轉(zhuǎn)換， 以便實時顯示當前的電壓、電流值。當檢測到輸出電流超過2.5 A 時，控制繼電器的關(guān)斷和電路的復(fù)位。流程如圖5 所示。

圖5 軟件流程圖