数字功率因数变送器的设计与实现

SJ005-1CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 设 计 说 明 书题目：数字功率因数变送器的设计与实现 二级学院： 电子信息与电气工程学院 专 业： 自动化 班级： 10自 二 学生姓名： 梁军帅 学号： 10020617 指导教师： 王雁平 职称： 副教授 评阅教师： 职称： 2014 年 6 月1论 文 摘 要摘要：在对传统功率的因数测量方法分析的基础上，提出了电力系统中功率因数的基本算法：即基于工频量功率因数的求取方法。传统测量的方法没有很好的考虑系统不对称性而造成谐波以及非周期的分量对功率因数的测量的准确性的影响，测量的精度不够。如果采用单片机为控制核心来测量交流量，可以大大提高精确度和可靠性，也会使测试设备的体积变小，重量减轻。本文介绍的是利用8051单片机进行电机功率因数测量的方法，具有硬件简单、测量快速、实现方便的特点。关键词：单片机 单相电路 MSC-51 功率因数 检测AbstractIntelligent power factor control device consists mainly of power factor and power factor control measure of a kind of electronic products. CeLiangBu group should include the voltage and current signal extraction, filtering, plastic and the phase information of extraction, processing, display circuit, mainly use voltage, current transformer, the comparator, flip-flop, 51 devices such as control core, Control section is mainly composed of resistance and inductance and capacitance four series and parallel into GLC multiples of capacitance 8421 circuit and 51 core control components. Digital circuit should be refreshed and range data clew etc. Function. Measurement part can measure the grid of power factor and displayed in the digital control part of the tube, is through the use of the power button for regulating needs, and then based on single-chip numerical algorithm of software will need conduction of capacitance and the size of the relay to the corresponding GLC circuits and capacitance value corresponding capacitance by conduction. To control requirements.Key words: coder,encoder,flip-latch,counter,multivibrator48目录论 文 摘 要IAbstractII第1章 功率因素表简介11.1课题来源11.2功率因素表发展状况2 1.3本章小结2第2章 功率因的检测32.1元件及作用32.1.1显示32.1.2时钟电路32.2功率因素测量的原理42.2.1传统的测量方法42.2.3目前测量方法62.2.4测量原理72.3本章小结7第3章 设计方案93.1 总体设计方案93.11功率因数表测量方案93.1.2功率因数表控制方案103.2单元模块设计103.2.1电源电路103.2.2电压和电流的信号提取电路113.2.3滤波、整形电路113.2.5 相位差的信息处理、控制电路133.2.6 数显、按键电路143.2.7测量部分的总体电路图163.2.8 测量模块主要元器件介绍163.3功率因数表控制电路设计193.31控制模块的总体电路图193.4本章小结2第4章软件设计214.1 流程图及其功能214.2 部分程序清单（见附录）234.3 系统功能234.4本章小结2第5章 总结24第6章 参考文献25参考文献25第7章 感谢26附录29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MSC51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，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。只用一个按钮，此表就可以显示各支路的功率因数。第1章功率因素表简介1.1课题来源近年来，随着电子技术、计算机技术和半导体技术的飞度发展，给电力系统测量也带来了巨大的革命。提高电能测量技术-改机械式功率表为智能型数字功率表已成为时代的要求。电力测量系统的智能型数字表通常是以单片机为核心，配置一定的外围电路和软件，能够实现多种功能。在软件和硬件的设计中，系统的抗干扰性和系统的实时性与准确度成了解决数字表的关键所在。单片机具有成本低、可靠性高、应用灵活的特点。由各具体行业的业内人士使用单片机来开发或改造一般仪表是一条可行的道路。在电气和电子技术的应用，往往测得的功率。它是在磁场中旋转的扭矩计电气线圈形成在其他采用电流通过可动线圈和所述的工作，这是一个缺点显著结构复杂，过载保护穷本身消耗功率大，并且容易受到外部磁场的影响，但所以一般都是多量程功率表，并且在测量过程中需要有电压表和电流表与所选择的电压和电流的范围内，不同的电压和电流范围的选择，并且在表盘上的每个划分代表不同的瓦数，读出的数需要的细胞，以转换为获得权力的测量，得到的测量是非常方便的。另外，在功率测量，功率因数通常是在该电路的情况下，根据测试中遇到低，这时必须采用专门的低功率因数功率表。基于功率表是电工仪表中最常用的一种仪表，目前常用的是指针式电动系功率表。而为了更为精确的显示测量结果，数字功率因素表的设计成为了必然。1.2功率因素表发展状况经过二十多年的探索和发展，同步采样算法，准同步采样算法，非同步采样算法，窗函数法，补偿法，双速率采样，非均匀采样方法的出现，在深入研究，随机抽样的方法，数模混合采样法，小波函数法等。在实践中这些抽样测量方法，一些发展得比较成熟的声音，有些是在发展和探索阶段。然而，抽样测量理论在电力电能计量仪表及相关设备的开发和应用，并起到了举足轻重的作用，是电流测量的一个重要发展方向。采样测量采样测量方法的研究历史和发展状况，也被称为数字采样测量（数字采样测量）的英文缩写DSM法律，它是七十年代初的诞生。 1974年，当美国NBS （国家标准局）的第一次，在电力测量，数值积分方法来测量功率计算中使用RSTurgel博士数字采样技术。 RSTurgel根据这一原则帝斯曼开发出第一个数字功率计。因为使用一个锁相频率跟踪技术RSTurgel采样信号，在一个采样周期的整数除法所测量的信号时，采样周期是完全与信号周期同步的，所以用于RSTurgel信号锁相采样频率的方法被称为同步采样方法SSM （ SYNCHRONUS抽样测量） 。在频率范围从直流到1KHz的电功率的NBS标准功率表进行比较，测量的不一致性，两种方法的结果是小于0.02。 1975年，英国NPL （国家物理实验室）的DDM技术应用设计的抽样数显功率表和功率传输标准。在该方法中， SSM ，约翰 J希尔和赫尔大学的发展做出聂电力公司WEAlderson SSM软件锁相倍频的方法，并制定了频率范围1KHz ，功率计精度0.5 ，两位学者指出在电力系统监控和电机保护等领域SSM方法，会有相当大的实际意义。在英国，帝斯曼功率测量技术与仪器发展， CHDIX发挥了重要作用， CHDIX发表于1982年，首次澄清问题SSM功率测量误差的正弦和非正弦信号的条件，并指出，根据正弦信号采样点n ，在所测量的信号m周期进行采样，只要2米/ n不为整数时，功率测量误差为零。虽然当时帝斯曼错误的学习很简单，但标志着帝斯曼功率测量方法研究了跨越式发展。帝斯曼八十年代功率的测量方法是增长最快的时期。 1982年，使用DSM MFMatouka美国通用电气研究实验室（通用汽车研究实验室）设计的数字功率计和用于测试电气和交流电机车辆驱动系统，取得了成功。1.3本章小结 本章主要介绍课题的来源与意义所在。也让我了解了功率因素的发展历史。对我的知识扩充有很大的帮助。第2章 功率因素的检测2.1元件及作用2.1.1显示 在单片机应用系统中，驱动LED数码管有很多的方法，按显示的方式分，显示器显示有静态的显示和动态显示（扫描）显示，根据译码的方式可以分硬件译码和软件译码之分。静态显示是具有输出锁存功能的显示驱动电路，微控制器会发出较长的管子后要显示的数据，直到下一次需要更新发送数据之前的显示，当新数据，显示数据稳定，占用很少的CPU时间。所需要的数据显示CPU的实时动态显示刷新显示的数据指示灯闪烁，并且更多的CPU时间。两者都有优点和缺点显示;静态显示虽然数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个需要单独的显示单元，用于显示驱动电路，使用更多的硬件;动态显示闪烁虽然，占用CPU时间较多，但使用较少的硬件，节省了电路板空间。硬件的译码是显示的段码都完全由硬件来完成，CPU送出了标准的BCD码即可，硬件的接线有一定的标准。软件的译码就是由软件来完成硬件的功能，硬件简单，接线灵活，显示段码完全由软件来处理，是目前常用的显示驱动方式。本次设计只有查看数据才需显示，所以显示时间很短，此表采用动态扫描的方法显示和软件译码。3只LEDD 段位被连在一起，把它们的公共端用7447分时选通，这样任何一个时刻，都仅有一位LED在点亮，也即动态的扫描显示的方式，使用串行口进行LED的通信，程序的编写相当的简单，用户只需要将显示的数据直接送串口发送缓冲器，的单串行中断即可。数码显示采用3个LED显示器组成，单片机处理后送出的显示数据一般为BCD码，由外扩的BCD码到7段显示码的硬件译码器，对BCD码进行译码后得到LED显示码，送给显示器显示所需的字符，这里采用的硬件译码器件是CD4051,3位LED动态扫描显示电路。2.1.2时钟电路 用于产生所需的工作时钟信号单片机的时钟电路，该系统采用一个内部时钟模块，外部晶体振荡器模式，振荡频率主要由石英振荡器的频率来确定。 MCU内部有一个时钟模块，实现超低功耗应用。主要设计目标振荡器和系统时钟发生器是便宜和低功耗。以实现系统的成本，减少到只有一个外部设备的普通晶体。在数字系统中，系统的功耗正比于频率，所以使用低频晶体振荡器包含倍频和时钟系统，以满足速度和低功耗这两个要求。系统时钟电路具有32768赫兹晶体振荡器到整个电路来实现的固定频率的频率。2.1.3信号调理电路通过一个运算放大器和I / V转换器的电流信号转换成电压信号的输出电流的变压器。电压信号和电流信号转换成电压信号被放大，施密特整形， AC信号变成方波信号输入到微控制器定时器A的TA1，TA2输入。测量的信号的时间宽度，例如相移变成被测信号边缘之间的一个问题，是单片机很容易实现。测量所述相位差信号使用捕捉功能TI公司的MSP430F449的捕获两个零交叉信号，计算定时录制的价值这一刻，计算它们之间的时间差。所有TI的MCU FLASH包含定时器A ，这是该方案的核心。多通道16位定时器的定时器A与比较/捕获通道。相位差信号 = 360 T /钛，其中， T = N2/flk ， N2上升沿触发两个信号是计数器之间的差异; Ti是输入信号的周期。相位差计算可以简化为：2.2功率因素测量的原理2.2.1传统的测量方法通过零点测量电压、电流之间的相角对于一个正弦信号，过零点发生周期性。测量过零点的时间，即相位角可以被测量的信号。 过零标记由CPU时间的标签上，这样时间戳精确到2s的，由时钟的CPU中建立的标准50Hz的信号，并且通过测量角度相对标准50Hz的信号所得到的信号，该角度是绝对角度。根据下面的图1，第j个测量点的过零时间，+1相对于标准的时候我*20ms的零时间50Hz的信号绝对值： &= （）相对参考点角度为其中，j表示第j个测量点，表示ti时刻的参考点相对于i*20ms的角度，ti的单位为。 相角测量原理图使用电压和电流之间的相位角的上述方法进行测定，可以将电压超前电流的相位角的确定。然后，该系统的功率因数可以计算出来。2.2.2利用求出的电压与电流相角差来求出功率因数主要的原理如下：设电压的信号为：u=sin（+）电流的信号为：=sin利用傅立叶算法来计算出50Hz的基波分量，电流、电压的实、虚部分分别为：=，=，= 根据电流的实、虚部的值，可以求出电压的相对相角，再考虑由于顺序采样引起的电压相角的滞后;实际的电压，电流之间的相位差为：=-；功率因数为。传统测量方法的缺点基本理论知识知道，电路的功率因数是超前的串电流相位角的余弦值电压校正信号。测定方法1 ，但考虑到在电压和电流的过零点来测量相位差。事实上，电力系统不是一个完整的正弦波系统。由于电力系统中的每个元素是不完全对称的，并且在三相负载不是完全对称的。因此，测得的电压和电流信号，包含各次谐波的非周期分量。这些谐波信号的影响的电压和电流的测量精度比为零时，直接影响功率因数的测量精度。方法2用傅里叶滤波方法击电压和各相角的电流，理论上充分考虑各造成的测量精度的系统的不对称谐波的影响。但傅立叶过滤器可以完全过滤掉所有的谐波，但对于一个无限长的信号的条件;而采用全周傅里叶滤波方法。不会过滤掉高次谐波以及非周期分量。因此，该系统不能准确地测量功率因数。 2.2.3目前测量方法 背景随着微机技术的迅速发展，电网参数的测量由传统的模拟仪表将逐步被数字化智能仪表所替代。本文介绍MCS51系列单片机实现的对电网功率因数的测量方法，并可判定负载的性质。此方法结构简单、成本低、易于实现，测量精度高。 MCS-51单片机简介 目前，单片机作为微计算机的一个很重要的分支，应用范围非常广泛，发展迅速，由于其具有集成度高，处理能力强，可靠性高，价格低廉，体积小等特点，以被广泛地应用于工业控制、智能仪表、电子通讯、机电一体化等各方面。对于电子、电气以及非电子高职高专学生未来的工程技术人员来说，了解和掌握单片机的应用是非常必要的。 51单片机对目前的所有的兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列的单片机始祖是Intel的8031单片机。随着Flash rom的技术的发展，8031单片机取得长足的发展，成为最广泛使用的8位单片机，它代表了公司的模式之一是ATMEL公司AT89系列，其中广泛用于工业测量与控制系统。目前，很多企业都在现在和未来的很长一段时间推出的51系列兼容模式将占据相当大的市场。图51是一个单片微控制器为基础的条目，或者使用最广泛的之一。需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。 当前常用的51系列单片机主要产品有： *Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等； *ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等； *Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的许多产品MCS-51单片机的主要功能8位CPU4kbytes 程序存储器(ROM) (52为8K) 256bytes的数据存储器(RAM) （52有384bytes的RAM） 32条I/O口线111条指令，大部分是单字节的指令 21个专用的寄存器 2个可编程定时/计数器5个中断源，2个优先级（52有6个） 一个全双工的串行通信口 外部的数据存储器的寻址空间为64kB 外部的程序存储器寻址的空间为64kB 逻辑操作位寻址的功能双列直插40PinDIP封装 单一+5V电源供电 CPU：不仅由运算与控制逻辑组成，而且还包含中断系统与部分外部的特殊功能的寄存器； RAM：用来存放可以读写的数据，如计算的中间结果、最终的结果还有将要显示的数据； ROM：用来存放程序、一些原始数据和表格； I/O口：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出； T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式； 五个中断源的中断控制系统； 全双工UART（通用异步收发器），微控制器之间或微控制器和微处理器之间的串行通信串行I/ O端口; 片内的振荡器与时钟所产生电路，石英晶体与微调电容需要外接。最高振荡频率为12M。 2.2.4测量原理在电力调度、电力保护系统中，功率因数测量是一个重要问题，解决的方法，一般是使用脉冲电度表，另一种方法是直接进行测量，我们采取后者，直接测量的困难是角以测得，有功功率就无从计算。从物理上讲， 角就是交流电路中电压超前电度或电流超前电压的角度，若能知道电流和电压过零点的时间，就可知道角，我们设计了一种简单电路，用于在交流电路的测量系统中，将正弦波变为方波，然后按照方波出现的先后顺序来算出角的大小电路如图1所示。图中是电力系统中二次回路经过再一次变换后的电压输入。 当、为有相位差的正弦波时，经比较器就可以转换为方波。在使用时，注意调整和的幅度，使LM33任一输入端不低于-0.3v即可。图2是电路输出的实测波形。是电压与电流的时间差，与测得的整个正弦波周期T相比，可得角=/T360角度频率就是方波两次正跳或者负跳变之间所用时间T的倒数。2.3本章小结本章介绍功率因素的检测、原理与计算。并且给出各部分的原理图。第3章 设计方案3.1 总体设计方案3.11功率因数表测量方案 电压电流信号提取电路电压滤波电路信号整形电路相位差的信号提取单片机显示部分按键部分测量部分的工作原理为： 测量部分主体由信号处理部分、核心控制部分、显示部分和按键部分这四部分组成。其中信号处理部分又包括电压和电流的信号提取、滤波、整形和相位差的信息提取、处理电路。一旦整个电路被导通，电压电流互感器把高电压按比例关系变换成100V或更低等级的标准二次电压，通过比较器将信号整形为方波，通过方波触发双D触发器，从而得到与相位差有对应关系的Q和非Q的信息波形，将波形送入单片机通过处理得到相位差的值和COS得值、并将其值显示在数显器上。3.1.2功率因数表控制方案单片机相位差的信号提取信号整形电路显示部分电压电流信号提取电路滤波电路电网按键部分GLC功率因素调节电路继电器控制部分的工作原理为： 控制部分主要是由GLC功率因数调节电路和核心控制电路组成。GLC功率因数调节电路主要由电阻和电感串联，然后并联四个电容成8421倍数的电容的电路。控制部分是通过使用按键调节需要得到的功率因数值，然后单片机将根据软件的算法得到需要导通的电容值的大小从而导通相应的继电器使并联与电网中的GLC电路中与电容值相对应的电容被导通。达到控制的要求。3.2单元模块设计3.2.1电源电路电源电路的分析：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130250V或250500V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。电源电路的模拟图： 3.2.2电压和电流的信号提取电路电压和电流的信号提取电路的分析： 该部分主要由电压互感器和电流互感器构成，通过电压互感器将电网中的电压信号按比例关系变成100V或者更低的等级标准二次电压，并输入到过零比较器输入1去。此外，您还可以使用电压互感器高压电力工人隔离。同时，该设备是根据电磁感应的电压变压器的工作原理，但其具有相反的电磁结构相比，电流互感器关系。电压互感器二次回路是高阻抗电路，该次级电流的大小是由电路的阻抗决定的。当次级负载阻抗减小时，二次电流增大，从而使初级电流的组件自动增加，以满足初级和次级侧之间的电磁平衡。可以说，电压互感器是一个被限定结构和使用形式的特殊变压器；通过电流互感器将高电流按比例转换成低电流，电流互感器一次侧接在一次系统，二次侧接到过零比较器的正向输入端2。电压提取信号原理图电流提取信号原理图3.2.3滤波、整形电路滤波、整形电路的分析： 该部分主要由LM393及其外围电路组成，其功能是将电压，电流信号通过电容的滤波作用滤掉谐波，然后将滤波后的信号送入LM393双比较器，通过过零比较将交流信号转变为方波信号，达到整形的目的。在电力变配电系统中有采用滤波器装置,因为供电网落理论上是三相正弦波,每秒50赫兹的频率,但在实际使用中,它的正弦波都会奇变,而用电设备对电网要求比较高的情况下,就很难使用,如,三相整流设备,晶闸管,可控管等他们都是有一定标准,一般供电网落的谐波分一次,二次.最高可大十几次,这说明供电质量很差,现在大部分是采用阻容吸收装置,其中,阻:是电感,限流作用,容:是电容,滤波,加起来就是阻容吸收装置,它还可以起到功率因数补偿作用,但是要进行合理匹配,而且还有多种接法。在LM393的输入和输出都加有稳压管，目的将输入和输出LM393的信号限制幅值，这样的处理既保护了LM393，又保护了触发器，和MCU。 3.2.4 相位差的信息处理、控制电路相位差的信息处理、控制电路的分析：该部分主要有核心控制器89C51及其外围电路构成，其功能是对数据进行处理算计功率因数。利用8051 单片机的T0 ,T1分别测出,将它们置于工作方1 (16 位定时器) ,门控位GATEo 和GATE1 置1. 当U过零变正时,由INT0 和INT1 控制计数器T0 ,T1 对,进行计时,通过检测INT0 端的状态来保证计数器与相位信号同步工作。为了提高检测精度,又不使计数器溢出,设置计数器连续对m 个周期中的,进行计数,并设计数器T0 的计数值为N ,计数器T1 的计数值为M ,则有 =2+=N 2/N + M ,从而求得功率因数cos 。 相位差的信息处理、控制电路原理图：3.2.5 数显、按键电路数显、按键电路的分析：由两个数码管显示功率因数COS的值，此表采用动态扫描的方法显示LED，第一位显示各路的功率因数的符号，第二，三，四位显示其值。功率因数测量时按下KEY1,显示电网中的功率因数值；功率因数控制是，按下KEY2进入控制状态，通过KEY3和KEY4调节将要调节为的功率因数的值，然后按下KEY1将显示需要接入电网中的GLC电路中的电容值。按键电路原理图及数显电路原理图：3.2.6测量部分的总体电路图总体设计原理图：3.2.7 测量模块主要元器件介绍 该部分主要元器件有电压互感器，电流互感器，LM393，双D触发器CD4013，89C51，4位LED数显管。以及相关电容电阻。电压互感器：实际上是一个电压互感器与变压器铁芯。它主要由一个二次线圈，铁芯和绝缘组合物。当在该芯上的绕组施加电压U1产生磁通 ，根据电磁感应定律，在次级绕组产生的次级电压U2 。改变一次或二次绕组的匝数，可以产生不同的初级电压和次级电压的比值，它可以不同的比例的电压互感器组成。根据高电压之间的比率电压互感器被转换成标准的100V或为保护，测量仪器的设备比次级电压电平。此外，您还可以使用电压互感器高压电力工人隔离。同时，该设备是根据电磁感应的电压变压器的工作原理，但其具有相反的电磁结构相比，电流互感器关系。电压互感器二次回路是高阻抗电路，该次级电流的大小是由电路的阻抗决定的。当次级负载阻抗减小时，二次电流增大，从而使初级电流的组件自动增加，以满足初级和次级侧之间的电磁平衡。也可以说，是一个电压互感器被限制在结构和特殊的变压器的形式来使用。电压互感器的设计主要是用于降低电电压的信号强度到一定程度的幅度，使得电压信号的提取之后。电流互感器： 测量大电流交变电流时，方便需要二次仪表的测量转换为更均匀的电流（电流互感器二次额定为5A的规定） ，就行了另一个电压比较高，如直接测量是非常危险的。电流互感器的反相器和电隔离的电流互感器中发挥了作用上是一个升压（降流）变压器，这是电力系统的测量仪器，电气保护，如一个辅助设备来获取信息的环路电流传感器，电流高电流互感器按比例转换成低电流，电流互感器的一次侧连接到主系统中，在次级侧连接的测量仪器，保护等。 1侧只有几个轮流串入被测电路的大导线截面积。二次匝数，细导线，较小的阻抗计（仪/功率表电流线圈）构成一个闭合回路。电流互感器的运行情况相当于2次侧短路的变压器，一般选择很低的磁密(0.08-0.1T),并忽略励磁电流，则I1/I2=N2/N1=k。电流互感器一次绕组电流I1与二次绕组I2的电流比，叫实际电流比。本设计中电流互感器主要用于将大电流信号的按比例转换成地一定幅值的电流降，以便于之后对电流信号的提取。LM393： LM393双电压比较器LM393系列有两个电压指标到达2.0构成独立的精密电压比较器。 LM393产品是专为单电源供电和宽工作电压范围。 LM393的产品也可以是单独的电源，耗电低，而不影响电源电压的值。 LM393还有一个特点，即使在单电源供电，输入共模电压范围包括地面。 LM393系列可直接与TTL和CMOS逻辑电路集成到界面。相比，标准比较明显的优点无论是正或负电源操作，功耗低，LM393系列的标准CMOS逻辑电路，以促进直接接口。LM393工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：236V，双电源:118V；消耗电流小，Icc=0.8mA；输入失调电压小，VIO=2mV；共模输入电压范围宽，Vic=0Vcc-1.5V；输出与TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门；本设计中，采用LM393构成一个过零比较器，将交流电压信号，交流电流信号的波形通过过零比较器后达到整形的目的，得到便于处理的方波信号。双D触发器CD4013： 触发器可用来储存一位的数据。通过将若干个触发器连接在一起可储存多位元的数据，它们可用来表示时序器的状态、计数器的值、电脑记忆体中的ASCII码或其他资料。CD4013是双上升沿D触发器，对于上升沿触发D触发器来说，其输出Q只在CLOCK由L到H的转换时刻才会跟随输入D的状态而变化，其他时候Q则维持不变。图1显示了上升沿触发D触发器的时序图，表1则是其真值表。上升沿触发D触发器的时序图D触发器的真值表在本设计中，经由D触发器CD4013 组成的0 360相位检测电路后,得到一组互补的相位信号,且输出的脉冲信号不受输入信号幅度的影响. 输出信号Q 的宽度反映了两信号U和I之间的相位差,总结89C51: 89C5单片机是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，89C51单片机与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51单片机是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。89C51单片机主要特性：与MCS-51 兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路本设计中使用89C51作为核心控制器，,可利用8031 单片机的T0 ,T1分别测出,T0 用于计Q 为高电平的脉冲时间,T1 用于计Q为高电平的脉冲时间,为测量准确起见,连计m 个脉宽,取其平均值;将它们置于工作方式1 (16 位定时器) ,门控位GATEo 和GATE1 置1. 当U过零变正时,由INT0 和INT1 控制计数器T0 ,T1 对,进行计数,通过检测INT0 端的状态来保证计数器与相位信号同步工作。为测量准确起见,连计m 个脉宽,取其平均值;INT0 为计数工作方式,初值赋m . 测量时,当m 个脉冲来完以后,OUT2 输出高电平经非门送至8031 中断端子INT1 ,此时由8031 分别读出T0 和T1 的值N 和M ,=2/+=N 2/N + M,从而求得功率因数cos的值3位LED数码管： 是一种数码显示器件，可以显示09和一些字符。led数码管根据led的接法不同分为共阴和共阳两类，了解led的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。将多只led的阴极都连在一起就是共阴式，而将多只led阳极都连在一起就是共阳式。以共阴式为例，如把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。当然，led的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。假如我们将b和c段接上正电源，其它端接地或悬空，那么b和c段发光，此时，数码管上显示将会显示数字“1”。而将a、b、d、e和g段全部接在正电源上，其它的引脚都悬空，此时的数码管将要显示“2”。3.3本章小结本章主要介绍实物图的各版块原理与功能。并且对个别元器件加以介绍。通过本章可以更加了解事物的布置与功能。第4章软件设计4.1 流程图及其功能主程序流程图 数据处理流程4.2 部分程序清单（见附录）4.3 系统功能（1）测试单相交流电的电压和电流的相位差的大小，测试相位差的范围为：-90 +90。 （2）将测得的结果相位差、或功率因数cos保存供系统处理；试二相交流电的电压和电流的相位差的大小的同时，有当前电压相位超前、或滞后电流相位的测试标致。 （3）并同时用数码管显示测量结果。 （4）显示要求达到某一值的功率因数时需要并入电网中的电容的大小。4.4本章小结本章介绍实物的软件部分，从而更加清晰的了解其运作原理与功能。第5章 总结 经过2个月的课程设计，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，须要有耐心，而且还要有细心。首先应具备一定的理论基础。弄清整个系统应该怎么入手，学会查大量资料。其次在设计的过程中，要考虑到系统的兼容性，同时要有一定的电子知识，对所设计的电路器件熟悉，对画图软件有一定得了解。更重要的一点是要有团队合作的精神，集大家之所长，补大家之所短，在实现一个电路后大家能学到一定的知识。本产品能对单相交流电的功率因数cos进行实时跟踪测量，能显示测量出功率因数cos的值，还能对功率因数较低的电路实现调控补偿。本次设计并不奢望一定能成功，但一定要对已学的各种电子知识能有一定的运用能力，我做设计的目的是希望能检查下对所学知识的运用能力的好坏，并且开始慢慢走上创造的道路，这是非常可贵的一点。第6章 参考文献参考文献1电子技术基础模拟部分（第四版） 康华光 主编 高等教育出版社 19962康华光，数字电子技术. 3汇编语言程序设计(修订版) 罗万钧 田立炎 冯子纲 冯世蔚 编著 西安电子科技大学出版社 1998 4微型计算机系统原理及应用(第四版) 周明德 主编 清华大学出版社 20045 C程序设计（第二版） 谭浩强 编著清华大学出版社1999 6 数字电子技术基础（第四版） 阎石 主编高等教育出版社 1998. 7 模拟集成电路应用王秀杰 张畴先 主编西北工业大学出版社1994. 8 Protel电路设计教程 江思敏 姚鹏翼 胡荣 等编著 清华大学出版社 2002 9 电路(第四版) 邱关源 主编 高等教育出版社 1999. 10 电路理论基础(上、下册)，汪建主编，华中科技大学出版社，2002 11 模拟电子技术基础（部分）（第三版），童诗白、华成英主编，高等教育出版社，2001 12 MCS-96系列单片机原理及应用技术，汪建主编，华中科技大学出版社，第2版2004 13Integrated Circuits DatabookM. Norwood: Analog Device Inc.,1990-1994. 14数字电路与逻辑设计（第四版），曹汉房主编，华中科技大学出版社，200415 微电子器件与IC设计，刘刚、何笑明、陈涛编著，科学出版社，2005 16 C语言程序设计教程（第二版），秦友淑、曹化工编著，华中科技大学出版社，200217 单片机原理与应用 -电子科技大学出版社1995. 第7章 感谢经过两个多月的努力我的毕业设计终于完成了,但是现在回想起来做毕业设计的整个过程，颇有心得，其中有苦也有甜，艰辛同时又充满乐趣,不过乐趣尽在其中！通过本次毕业设计，没有接受任务以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。这 次毕业设计要求设计基于单片机的单相交流功率因数表测量系统，自行设计这对我将来踏上工作岗位是非常有帮助的。尽管上一届的同学已经完成的非常出色，但是我仍然希望通过 自己的努力完成设计并希望有所突破。这也是我对自己的考验。于是本次设计过程中我完全按照软件设计步骤的要求来进行，从课题分析开始，再进行总体设计、详 细设计,最后到系统实现。每一步都让我将理论学习的知识应用到实践中去。也使我掌握了一整套规范的设计操作流程。 在课题分析阶段，由于本次是设计一个单片机控制系统，所以对其中的单片机的工作分析尤为重要。对指导老师提供的资料必须要吃透。这是关键，从查阅资料、提出问题，到慢慢一一解决问题，老师给了我很大的帮助。 在总体设计阶段，由于课题分析做的比较全面，很快就对系统的功能，控制机制有了充分的认识，形成了自动控制流程图. 详细设计阶段，首先考虑各电路模块的主要功能及软件的设计，而且还要检测是否能实现功能。 最 后，系统运行环节。对已完成的程序和硬件系统相结合。调试时，由于控制逻辑上出现了一点问题，使得硬件和软件不能完全统一。当时我心里是非常焦急的，这一 出错也意味着前功尽弃。然而，在指导老师的分析与鼓励下，我重新纠错找到了错误并改正。使我意识到今后不论遇到什么情况都要分析原因，列出可能的情况后， 沉着应对，必然能“化险为夷”。 下面我对整个毕业设计的过程做一下简单的总结。第一，接到任务以后进行选题。选题是毕业设计的开端，选择恰当的、感兴趣的题目.第二，题目确定后就是找资料了。查资料是做毕业设计的前期准备工作，到图书馆、书店、资料室去虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。 第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。 第四，有了研究方向，就要动手实现。编写源代码的时候最好是编写一个小模块就进行调试，这样可以避免设计的最后出现太多的错误而乱成一团糟。一步步地做下去之后，你会发现要做出来并不难，只不过每每做一会儿会发现一处错误要修改，就这样在不断的修改调试，再修改再调试。 第五, 写论文能提升以下几个方面的能力:1、文字表述:论文里的语言非常讲究，这方面需要继续加强。2、交流、讨论:文章的大致内容写完后，一定要和老师、其他同学多交流，让他们多提点建议。一些计量软件使用方法，可以向学长们请教。3、细心:模型公式编辑、标点符号、文章各段格式等，都需要细心。4、搜索:需要搜索很多资料，如何在短时间找到你想要得资料，得在搜索关键词上有所设置才行。一些好的统计数据网站，需要随时记录下来，以便日后继续使用。我的心得也就这么多了，总之，这次毕业设计让我学习到很多。虽然结束了，但这只能是一个开始。今后作为技术员，要学习的规范，程序设计语言还有很多。怎样使自己完能够胜任接下来的工作要学的实在太多，仅大学生涯所学实在有限。我们只有对自己有了更高的要求，才能作为动力不断取得新的成绩! 不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。 在 此要感谢我的指导老师焦小梦老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使 自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会 对今后的学习工作生活