基于单片机的三相电网功率因数角测量设计
基于单片机的三相电网功率因数角测量设计[20200410140440]
摘 要
随着现代化的进程的加快，现代社会，对于电能的需求量在逐步增大，对于电能的质量要求也越来越高。大量新技术下的电力电子设备投入到日常生产生活中，当然这其中的许多电力电子设备也会使得电网中的无功功率的增加，从而使得电网的功率因数下降，导致电网供电的品质的降低。
要求对电网中的功率因数进行必要检测，采用STC89C52单片机的功率因数角测量电路为检测提供了方便。本设计便采用STC89C52单片机为控制核心，利用计数器进行电压与电流的相位差的测量，从而计算出电网中的功率因数角。在设计过程中，发现在检测电网中功率因数角的同时还可以检测出电网中的频率。
通过实践证明，所设计的测量方法简单可靠，精度高，且易于实现。实时的将检测结果显示出来，也便于实时监测。
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关键字:STC89C52单片机功率因数角频率实时监测
目录
1.绪论 8
1.1 研究背景 8
1.2 研究内容及发展趋势 8
1.3 研究的主要内容 10
1.4本章小结 11
2. 方案论证 12
2.1 方案说明 12
2.1.1方案一 12
2.1.2方案二 12
2.1.3方案三 13
2.2 本章小结 14
3.硬件电路设计 15
3.1 系统总的结构框图 15
3.2单片机最小系统 15
3.3 信号采集与输入信号整形电路 15
3.3.1 LM339构成的过零比较器 16
3.3.2 信号采集与信号整形 17
3.4 相位检测电路 18
3.4.1触发器74LS74 18
3.4.2 电路的工作原理 19
3.5显示电路设计 20
3.5.1 1602LCD液晶介绍 20
3.5.2 1602LCD显示电路设计 21
3.6电路总图 21
3.7 本章小结 21
4．软件设计与电路工作流程 22
4.1应用软件介绍 22
4.1.1 仿真软件——Proteus 22
4.1.2 程序编译软件——Keil4 22
4.2系统软件总流程图 23
4.3信号的采集与整形 24
4.4 频率测量电路 25
4.5功率因数测量电路 25
4.6 本章小结 26
5.性能分析与系统调试 27
5.1系统性能分析 27
5.1.1对于本系统的测量精度的分析 27
5.1.1对于本设计的实时性检测的性能分析 27
5.2 系统的仿真调试与实际调试结果 28
5.2.1 仿真调试步骤 28
5.2.2实际调试步骤 30
5.3 结果分析与效果展示 32
5.4 本章小结 34
6.总结与展望 35
6.1 总结 35
6.2 展望 35
参考文献 36
附录 37
附录一 系统原理图 37
附录二 系统PCB制板图 38
附录三 实物电路图 39
附录四 仿真电路图 40
附录五 单片机程序 41
致谢 48
1.绪论
1.1 研究背景
时下，电能的需求很广泛，而且日益增长，电能的使用程度是一个国家发展水平的重要衡量标志。中国作为最大的发展中国家，世界第二大经济体，随着我国经济的飞速发展，城乡对电能需求的日益增长，社会对电能的质量要求也越来越高。在这样的背景下，对于电网运行的稳定性要求便越来越严格，电网的实时监控也就显得十分必要，而且电网供电品质也受到各行各业及电力部门的越来越多的关注。
在电力监控系统里，考虑到电网的安全可靠及稳定性得到保障，就必须保证电网中的各项电参数保持稳定。采集各种电参量并保证电网的稳定性就变成了亟需解决的问题。随着我国现代化进程的快速发展，各行各业及城市对电力的需求日益增长，制约了我国经济社会的健康可持续发展。这一问题已经引起了我国相关部门的高度重视并颁布了相关标准及措施，电力系统的正常、安全、高效运行对于国民经济和社会的健康协调可持续发展有着非常重要的意义。在这样的背景下，能做到合理有效地绿色环保地利用有限的电力资源，为我国的城市化进程排除障碍，这就需要对电力参数进行准确、实时地监测，从而对电网状况进行合理的调整，保证电网的供电品质与稳定。
显而易见，在日常生活和工业生产中，电能的品质及保障对社会和个人有着非常密切的关系和极其重要的意义，因为各项电参数的不稳定，都能对电器设备的使用的功能及设备的寿命产生严重的影响，在某些情况下，还会对我们的身体健康造成危害。于是对电网中的各项电力参数（比如说电压、电流、功率因数和频率等）准确、快速地检测、并对电网的运行状态进行及时调整，这将对于发现电网中出现的故障以及可能含有的隐患的排除起到很大的作用，这将会节省大量的人力物力。所以实时监控电网就显得十分重要。
1.2 研究内容及发展趋势
近年来，随着电力电子技术在社会发展中起到越来越重要的作用，在电力传送、冶金、化工、铁道各行各业，家庭日用电器中的非线性负荷的使日益增多，尤其是大功率整流设备和电弧炉等的大量应用，在电力系统中产生大量的谐波，由此引发电压、电流波形畸变，电力谐波不仅会严重危害供用电设备和电气仪表，而且会导致电质量的不断降低，影响计量设备的测量控制等功能，缩短设备的使用寿命，不能有效的反应电力设备运行状况，危害用户利益，对电力系统本身有负面影响。在很长一段时间里，我们缺乏对电力系统监控的重视，缺少完备的电力监控系统设备，关心的是供电的量而不是质，检测设备陈旧，有些地方还采用有几百年历史的动圈式仪表，和交流互感器等电工仪表，这些仪表只能测得模拟值和有效值，误差较大，不能满足实际测量的需求，在这样的情况下，对电力参数的精确实时有效的测量成为了亟需解决的问题。
随着电力系统的不断发展和人们的需求的日益增大，这就对电能的量和质提出了更高的要求。然而，虽然很多电力电子设备的使用本质上是人们对新技术的应用，但同时，他们也是导致电能质量恶化的罪魁祸首。有目共睹的是，电能质量恶化问题迫切需要的解决的。
供电质量问题之所以有其重要性，是因为这不仅会影响大型企业的正常运作，而且对重大活动，政治活动安全供电影响也较大。在最近的几十年中，全球共发生了20多起由于电能质量导致的大型电力事故。据统计，因此造成的损失达到了每年300亿美元，因此造成的环境污染更是严重。
电能质量两大最关键因素分别是电力系统动态和稳态因素，针对这两大因素，可以通过制定完备的制度及采集相关的数据为预防和减少电能质量引起的事故。目前，针对这两大因素以及有关电能质量控制的研究，国外一直领先于我们，说明我国在这方面做得还不够，还需要努力以达到世界先进水平。对比国外，我国致力于电力发展的企业很多，但针对电网中参数的监测以及对电网中供电质量的评估的设备与企业较少。许多对电网性能的检测仅仅限于监测电网中电压的合格与否，无法做到实时监测而是采用人工抄表方式来进行，这就导致在统计方面的不足以及和世界的差距。针对所发现的这些问题，一方面需要政府提供相关的政策支持，提高对电网的性能与供电质量的要求与投入，引进先进的科学技术来弥补目前存在的不足，为国民经济的健康发展提供最优质的电能动力。
从市场的角度来看，大多数用户有时需要结合多功能的电力系统产品，因此制造商需要有丰富的经验和行业知识，满足不同用户的不同配电系统需求，因此，目前的产品标准仍不能很好的满足设计与生产，这就需要对电能表的发展提出更高的要求。
目前,对于电网状态参数的检测设备将朝着下面的几个方向不断发展与创新：
(l)、检测设备的体积将朝着小型化（如手持式）、功能的多样化（检测更多的电网状态参数）、体现节能与环保理念尽可能减小功耗（方法如降低检测设备需要的维持电流）、提高检测设备的可靠性以及改善人机交互界面（数据显示更为直观与鲜明）。
摘 要
随着现代化的进程的加快，现代社会，对于电能的需求量在逐步增大，对于电能的质量要求也越来越高。大量新技术下的电力电子设备投入到日常生产生活中，当然这其中的许多电力电子设备也会使得电网中的无功功率的增加，从而使得电网的功率因数下降，导致电网供电的品质的降低。
要求对电网中的功率因数进行必要检测，采用STC89C52单片机的功率因数角测量电路为检测提供了方便。本设计便采用STC89C52单片机为控制核心，利用计数器进行电压与电流的相位差的测量，从而计算出电网中的功率因数角。在设计过程中，发现在检测电网中功率因数角的同时还可以检测出电网中的频率。
通过实践证明，所设计的测量方法简单可靠，精度高，且易于实现。实时的将检测结果显示出来，也便于实时监测。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:STC89C52单片机功率因数角频率实时监测
目录
1.绪论 8
1.1 研究背景 8
1.2 研究内容及发展趋势 8
1.3 研究的主要内容 10
1.4本章小结 11
2. 方案论证 12
2.1 方案说明 12
2.1.1方案一 12
2.1.2方案二 12
2.1.3方案三 13
2.2 本章小结 14
3.硬件电路设计 15
3.1 系统总的结构框图 15
3.2单片机最小系统 15
3.3 信号采集与输入信号整形电路 15
3.3.1 LM339构成的过零比较器 16
3.3.2 信号采集与信号整形 17
3.4 相位检测电路 18
3.4.1触发器74LS74 18
3.4.2 电路的工作原理 19
3.5显示电路设计 20
3.5.1 1602LCD液晶介绍 20
3.5.2 1602LCD显示电路设计 21
3.6电路总图 21
3.7 本章小结 21
4．软件设计与电路工作流程 22
4.1应用软件介绍 22
4.1.1 仿真软件——Proteus 22
4.1.2 程序编译软件——Keil4 22
4.2系统软件总流程图 23
4.3信号的采集与整形 24
4.4 频率测量电路 25
4.5功率因数测量电路 25
4.6 本章小结 26
5.性能分析与系统调试 27
5.1系统性能分析 27
5.1.1对于本系统的测量精度的分析 27
5.1.1对于本设计的实时性检测的性能分析 27
5.2 系统的仿真调试与实际调试结果 28
5.2.1 仿真调试步骤 28
5.2.2实际调试步骤 30
5.3 结果分析与效果展示 32
5.4 本章小结 34
6.总结与展望 35
6.1 总结 35
6.2 展望 35
参考文献 36
附录 37
附录一 系统原理图 37
附录二 系统PCB制板图 38
附录三 实物电路图 39
附录四 仿真电路图 40
附录五 单片机程序 41
致谢 48
1.绪论
1.1 研究背景
时下，电能的需求很广泛，而且日益增长，电能的使用程度是一个国家发展水平的重要衡量标志。中国作为最大的发展中国家，世界第二大经济体，随着我国经济的飞速发展，城乡对电能需求的日益增长，社会对电能的质量要求也越来越高。在这样的背景下，对于电网运行的稳定性要求便越来越严格，电网的实时监控也就显得十分必要，而且电网供电品质也受到各行各业及电力部门的越来越多的关注。
在电力监控系统里，考虑到电网的安全可靠及稳定性得到保障，就必须保证电网中的各项电参数保持稳定。采集各种电参量并保证电网的稳定性就变成了亟需解决的问题。随着我国现代化进程的快速发展，各行各业及城市对电力的需求日益增长，制约了我国经济社会的健康可持续发展。这一问题已经引起了我国相关部门的高度重视并颁布了相关标准及措施，电力系统的正常、安全、高效运行对于国民经济和社会的健康协调可持续发展有着非常重要的意义。在这样的背景下，能做到合理有效地绿色环保地利用有限的电力资源，为我国的城市化进程排除障碍，这就需要对电力参数进行准确、实时地监测，从而对电网状况进行合理的调整，保证电网的供电品质与稳定。
显而易见，在日常生活和工业生产中，电能的品质及保障对社会和个人有着非常密切的关系和极其重要的意义，因为各项电参数的不稳定，都能对电器设备的使用的功能及设备的寿命产生严重的影响，在某些情况下，还会对我们的身体健康造成危害。于是对电网中的各项电力参数（比如说电压、电流、功率因数和频率等）准确、快速地检测、并对电网的运行状态进行及时调整，这将对于发现电网中出现的故障以及可能含有的隐患的排除起到很大的作用，这将会节省大量的人力物力。所以实时监控电网就显得十分重要。
1.2 研究内容及发展趋势
近年来，随着电力电子技术在社会发展中起到越来越重要的作用，在电力传送、冶金、化工、铁道各行各业，家庭日用电器中的非线性负荷的使日益增多，尤其是大功率整流设备和电弧炉等的大量应用，在电力系统中产生大量的谐波，由此引发电压、电流波形畸变，电力谐波不仅会严重危害供用电设备和电气仪表，而且会导致电质量的不断降低，影响计量设备的测量控制等功能，缩短设备的使用寿命，不能有效的反应电力设备运行状况，危害用户利益，对电力系统本身有负面影响。在很长一段时间里，我们缺乏对电力系统监控的重视，缺少完备的电力监控系统设备，关心的是供电的量而不是质，检测设备陈旧，有些地方还采用有几百年历史的动圈式仪表，和交流互感器等电工仪表，这些仪表只能测得模拟值和有效值，误差较大，不能满足实际测量的需求，在这样的情况下，对电力参数的精确实时有效的测量成为了亟需解决的问题。
随着电力系统的不断发展和人们的需求的日益增大，这就对电能的量和质提出了更高的要求。然而，虽然很多电力电子设备的使用本质上是人们对新技术的应用，但同时，他们也是导致电能质量恶化的罪魁祸首。有目共睹的是，电能质量恶化问题迫切需要的解决的。
供电质量问题之所以有其重要性，是因为这不仅会影响大型企业的正常运作，而且对重大活动，政治活动安全供电影响也较大。在最近的几十年中，全球共发生了20多起由于电能质量导致的大型电力事故。据统计，因此造成的损失达到了每年300亿美元，因此造成的环境污染更是严重。
电能质量两大最关键因素分别是电力系统动态和稳态因素，针对这两大因素，可以通过制定完备的制度及采集相关的数据为预防和减少电能质量引起的事故。目前，针对这两大因素以及有关电能质量控制的研究，国外一直领先于我们，说明我国在这方面做得还不够，还需要努力以达到世界先进水平。对比国外，我国致力于电力发展的企业很多，但针对电网中参数的监测以及对电网中供电质量的评估的设备与企业较少。许多对电网性能的检测仅仅限于监测电网中电压的合格与否，无法做到实时监测而是采用人工抄表方式来进行，这就导致在统计方面的不足以及和世界的差距。针对所发现的这些问题，一方面需要政府提供相关的政策支持，提高对电网的性能与供电质量的要求与投入，引进先进的科学技术来弥补目前存在的不足，为国民经济的健康发展提供最优质的电能动力。
从市场的角度来看，大多数用户有时需要结合多功能的电力系统产品，因此制造商需要有丰富的经验和行业知识，满足不同用户的不同配电系统需求，因此，目前的产品标准仍不能很好的满足设计与生产，这就需要对电能表的发展提出更高的要求。
目前,对于电网状态参数的检测设备将朝着下面的几个方向不断发展与创新：
(l)、检测设备的体积将朝着小型化（如手持式）、功能的多样化（检测更多的电网状态参数）、体现节能与环保理念尽可能减小功耗（方法如降低检测设备需要的维持电流）、提高检测设备的可靠性以及改善人机交互界面（数据显示更为直观与鲜明）。
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