交流电智能测试仪的设计

    摘要：本文介绍了交流采样的没量原理，通过AT89C51来实现对交流电的电压、电流、功率、功率因素等电参数的智能测量，给出了整个系统的软、硬件设计框图。

    关键词：交流采样 智能测量 单片机

在微机应用初期，电力系统的参数普遍采用直流采样，即对经过直流整流后的直流量进行采样测量。此方法软件设计简单，计算方便，对采样值只需做比例变换即可得到被测量的数值。但直流采样方法存在一些问题：测量精确度直接受整流电路的影响；整流电路参数调整困难，受波形因素影响大等。而交流采样是按一定规律对被没信号的瞬时值进行采样，再用一定的数值算法求得被测量的值。交流采样法主要取决于两个因素：测量精度和测量速蝶恋花。交流采样相当于用一条阶梯曲线代替一条光滑的正弦曲线，其原理性误差主要有两项：一项是用时间上的离散数据近似代替时间上的连续数据所产生的误差，这主要取决于A/D的转换速度和CPU的处理速度；另一项是将连续的电压和电流进行量化而产生的量化误差，这主要取决于A/D转换器的位数。随着电子技术的飞速发展，如今的微机、单片机的处理速率大大提高，同时也出现了种类繁多而且性能价格比很好的A/D转换器，如AD574、MAC197等，为交流采样奠定了坚实的基础。

一、 交流采样法的测量原理

若将电压有效值公式

   离散化，以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期内的连续变化的电压函数值，则

   式中：△Tn——相邻两次采样的时间间隔。

Un——第n-1个时间间隔的电压采样瞬时值。

N——一个周期内的采样点数。

一般认为相邻两次时间相等，即△Tn为常数△T，考虑到N=T/△T

   这就是根据一个周期内各采样瞬时值及采样点数来计算电压信号有效值的公式。

同理，有电流有效值计算公式

   计算一相有功功率的离散化公式为：

   同理，三相有功功率为：

   视在功率：

Ps=UI   （7）

式中in,un——为同一时刻的电流，电压采样值

功率因素为：COSθ=PP/PS    (8)

显然，A/D转换精度、分辨率及速度越高，对信号的采样频率和精度就越高，则由离散公式求得的电力参数精度就越高。由AT89C51控制的AD574完全能满足实用要求。

二、 系统硬件设计

系统硬件框图如图1，硬件电路由数据采集部分、单片机系统及接口部分组成。

三相电压和电流信号加到取样电路的输入端，信号按比例变换为峰值小于±5V的交流电压信号，再经阻抗变换，经16选一多路模拟开关，LF398采样保持电路加到AD574的输入端。本设计中单片机采用美国ATMEL公司的AT89C51，内带4K片内ROM，AD574可输入±5V或±10V交流电压信号，12位转换，转换最大时间为25μs，完全满足测量精度要求。

在测量功率时，必须同时对电压和电流信号进行采样，考虑电源频率一般不高（50Hz），根据实际情况，本系统采用单片机对电压，电流信号进行交替采样，且电流信号要经过I/U变换，转换成小于±5V的电压信号后，再送到输入端。这样不仅可以简化硬件电路，而且减小了由于两路数据采集和处理电路不对称所带来的误差和校准困难。

三、 系统软件设计

根据离散化公式可知，在一个周期内不同时刻的电压、电流的采样值及每周期采样点数可计算出电压、电流、有功功率等值。工频交流电标准频率为50Hz，周期为20ms。根据89C51的12MHz主频和AD574的25μs的转换速度，并考虑到电力参数析实用精度要求，采样周期定为400μs，即一个周期内采50个点。实践证明，每周期采50个点，用12位A/D转换器，分辨率可达1/4096.

整个系统的应用软件用C51编写，由于篇幅所限，只给出程序流程图（图2）。

四、 结语

该测试仪用交流采样方法代替直流采样减少了非线性环节，降低了硬件成本，提高了采样精度，并可同进测量多种电力参数，所有结果可用LED显示，也可安装相应软件，在计算机上显示。该测试仪具有使用方便、可靠，测试范围广的特点。可用于微电机行业，节能灯行业、、空调行业、变压器行业等，为生产线测试提供了保障，提高了交流电检测的自动化和智能化水平。另外，由于可以与计算机通讯，可以很容易加入计算机的统一生产管理中，具有很好的应用前景。