MCS－51单片机实现的功率因数表
摘要：热稳定性好，工作电压动态范围宽，成本低的多用户功率因数表，可在相同电压下测量16个支路的功率因数，并可随时动态升级单片机的数据处理程序。本文介绍了这样的多用户功率因数表的设计方案。
关键词：MCS－51单片机；传感器； 数据保护； 现场恢复；动态升级
1. 引言
目前电网中电器的类型越来越多，电网的运转情况越来越复杂，及时了解电网中各支路的功率因数对整个电网的调度日益重要。目前普遍使用的机械式功率因数表只能用于一个支路，并且无法利用计算机集中管理。本设计以MCS－51型MPU为控制核心，在相同电压下，16个不同的电流支路可以合用一个功率因数表﹤1﹥，采用独特的数据采集方法而不再使用电压传感器和专用模数转换器，内含固化的监控程序和可用密码进行动态升级的数据处理程序，配以专门设计的宽动态范围稳压电源，数据处理能力强，工作电压动态范围大，抗脉冲干扰能力强，成本低，温度稳定性好。该功率因数表还配有专用的串行通信口及其相应软件，可以随时动态升级工作软件，为管理电网提供了及时的帮助。只用一个按扭 ，此表就可以显示各支路的功率因数。
2. 电流传感器
电流传感器的电流采样部分可采用精密电阻或电流互感器。使用精密电阻时非线性误差小，精度高，动态范围大，但采样电阻应具有温度补偿；而互感器的过载能力强，安全性高，生产调试简单，但微电流时非线性误差较大，另需相位补偿﹤2﹥。精密电阻上的电压信号经四运放TL084放大后，互感器次级电流在精密可调电阻上产生峰－峰值为0～4.5V的交流电压信号，经八路模拟电子开关4051接至主机的Vi，在4051输入端加两个反接的稳压管可防止过大的冲击电流击穿电子开关；经测试，互感器的相位误差为一个常数，在输出端用一个电容作相位超前补偿，可基本消除传感器引起的相位改变。每个传感器最多可接八个支路，整个主机可配1～2个传感器，适当改变线路结构可适合更多的支路，但配电线路较复杂，可能得不偿失。
3. 电源
功率因数表工作电压范围很宽，所以对稳压电源有特殊要求。一般电网电压在130～250V或250～500V之间，考虑到一定的余量，其电压适应能力至少在3倍以上，此外还要有一定的安全区，在安全区中，功率因数表虽然不能精确工作，但应不会损坏。电源部分可采用专门设计的可控硅式
﹤3﹥或磁饱和式宽动态范围稳压电源。可控硅式电源工作电压动态范围宽，损耗小，性能好，技术要求较高；磁饱和式电源技术要求较低，但总损耗较大，工作电压动态范围也较窄，若利用变压器与电容组成串联谐振电路，并加入单向磁饱和负反馈控制电路，电压动态范围和稳压性能有较大提高。电源输出中Ve用于LED显示；CE和CE用于存储器的选通，CE也可同时用于单片机的掉电检测信号PD；Vdd为5V精密电源，用于传感器及采样信号的调制和放大；V′CC用于精密中点电位；Vcc约为5V，用于MPU及辅助电路；Vpd为存储器的后备电源，可采用3.6V充电电池、锂电池或记忆电容；使用E2PROM保存数据时，不再需要后备电源，Vpd应直接接在Vcc或Vdd上。
4. 显示
只有查看数据时才需显示，所以显示时间很短，此表采用动态扫描的方法显示LED，第一、二位显示支路序号，三至六位显示各路的功率因数。
5. 主机﹤4﹥﹤5﹥
主机可采用CMOS器件以减小功耗，但抗干扰性能稍差一些，可根据实际抗干扰要求设计。Vz为串行通讯口的调制信号输入端；MPU的P
10～P13控制支路通道，P14～P17用于选择输出显示字的BCD码，T0、T1及P24～P27用于选择W1～W6这六个字符的信号；两个中断口用来输入各支路电流和公共电压的调宽方波，供MPU采样用﹤6﹥。K为手动复位开关，通过软件设置，可同时用作显示控制扭。此表的监控软件存放于单片机内的ROM中，采用硬件电路来防止电路对可重写存储器的误写操作，使RAM或E2PROM存储器同时存放数据处理程序和数据结果，甚至同时存放监控程序，使数据处理程序的改变和调试极为方便﹤7﹥，配合通讯口，借助于专用线或电网的电力线载波﹤8﹥，还可进行单片机数据处理程序的受控动态升级 ，而且存放于外部存储器中的数据也因提高了抗干扰性而变得相当可靠。采用E2PROM时，可用软件触发复位来解决写入操作中E2PROM的失控问题﹤7﹥。
6. 软件
主要软件框图如图2所示，由复位检测、显示、循环检测、数值计算、数据保护、自动校正、自动温度补偿、重写条件检测、停电进位保护、程序失控自动复位、自动脱离死循环、2816写期间自动复位、串行口中断检测、通讯及程序动态升级控制等多种功能软件组成，其中固定的监控程序可以存放在单片机内的ROM或受硬件保护的外部RAM或2816中，可以升级的数据处理部分一般存放在受硬件保护的外部RAM或2816中。此表采用巧妙的数据采集和处理方法，使计算误差几乎与此表本身无关﹤6﹥。此表在校验前有一段专门的校验程序，在标准电压下接入标准负载电阻后可根据显示提示进行电路调整并自动记下特定参数，然后自行消除这段校验程序。为简单起见，图2中没有画出各中断程序方框图，软件部分也未作详细介绍。
参考文献
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