摘 要

本课题研究了数字功率因数表硬件电路及软件设计。其中数字功率因数表硬件电路包括前端信号调理变换电路、单片机最小系统和数字显示电路三大模块。首先由过零比较器将正弦电压信号和正弦电流信号调理为两路方波信号，再通过异或门对两路信号进行逻辑运算，从而得到电压、电流信号的相位差，最后通过单片机测量相位差并显示。软件程序部分主要实现对相位差的测量、功率因数计算和显示。首先，设计对相位差信号的测量程序，然后求取相位差，最后计算功率因数。本论文在分析功率因数测量方法的基础上，介绍了以单片机为主控制器的功率因数测量仪表的设计，具有硬件简单、测量快速、成本低的特点，提高了功率因数测量的精确性和可靠性。

关键词：单片机；相位差；功率因数

Design of digital power factor meter

ABSTRACT

The design of digital power factor meter hardware circuit and software was researched. Where in the digital power factor meter circuit includes a front-end signal conditioning hardware conversion circuit, microcontroller minimum system and digital display circuit three modules. Firstly, by the zero-crossing comparator sinusoidal voltage signal and sinusoidal current signal conditioning for the two square-wave signal, and then through XOR gate of a logic operation two signals to obtain phase voltage and current signals, and finally through the MCU to measure and displayed. Software program some of the major measurement of the phase difference, the power factor is calculated and displayed. First, the design of the phase difference signal measurement procedures, then strike phase, the final calculation of the power factor. In this paper, based on the analysis of power factor measurement methods, introduces the single-chip-based controller power factor measurement instrumentation design, hardware simple, rapid, low cost, improve the accuracy and reliability of the power factor measurement.

Key words：MCU;Phase difference；The power factor

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

目 录 III

1 绪论 - 1 -

1.1 设计背景 - 1 -

1.1.1 概述 - 1 -

1.1.2 国内外同类研究概况 - 2 -

1.2 研究的目的及意义 - 2 -

1.3 本章小结 - 3 -

2 功率因数测量方案 - 4 -

2.1 方案比较 - 4 -

2.1.1 测量全阻抗法 - 4 -

2.1.2 直读法 - 4 -

2.1.3 相位差法 - 4 -

2.1.4 直流分量法 - 8 -

2.1.5 冲击系数法 - 10 -

2.2 系统测量方案 - 11 -

2.3 本章小结 - 12 -

3 硬件电路设计 - 13 -

3.1 设计工具简介 - 13 -

3.2 前端信号调理电路 - 13 -

3.2.1 电压、电流信号源 - 13 -

3.2.2 信号整形电路 - 14 -

3.2.3 取相位差电路 - 17 -

3.3 单片机最小系统 - 18 -

3.3.1 单片机的选择 - 18 -

3.3.2 复位电路 - 19 -

3.3.3 时钟电路 - 20 -

3.4 液晶显示电路 - 22 -

3.5 本章小结 - 23 -

4 数字功率因数表的软件设计 - 24 -

4.1 程序设计软件 - 24 -

4.1.1 Keil软件简介 - 24 -

4.1.2 keil软件运用 - 24 -

4.2 主程序设计 - 25 -

4.3 液晶初始化 - 26 -

4.4 功率因数测量与计算 - 26 -

4.5 LCD1602写数据 - 27 -

4.6 本章小结 - 28 -

5 系统调试 - 29 -

5.1 相位差模块调试 - 29 -

5.2 程序模块调试 - 30 -

5.3 软、硬件联合调试 - 30 -

5.4 测量误差分析 - 31 -

5.5 本章小结 - 32 -

结 论 - 33 -

致 谢 - 34 -

参考文献 - 35 -

附录A 程序清单 - 36 -

附录B 仿真电路原理图 - 45 -

附录C 元器件明细表 - 46 -

1 绪论

1.1 设计背景

1.1.1 概述

功率因数（Power Factor）的大小是与电路的负荷性质有关的，一般情况下，如果电路具有电感或电容性负载，那么它的功率因数是小于1的。功率因数可以用来衡量电气设备效率的高低，是电力系统的一个重要的技术数据。每种电机系统都包含真正的有用功和电抗性的无用功，而功率因数就是有用功与电机系统的总功率之间的比值。功率因数低，则说明该电路用于交变磁场装换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，使线路供电损失加大。所以，一般来说供电部门对每个用电单位的功率因数都会有一定的要求。

在当今社会，世界能源日益减少，节约能源和提高能源的利用率显得尤为重要。提高电机系统的有用功功率使功率因数增大，能有效的提高能源的利用率。功率因数低的根本原因是电感性负载的存在。从功率三角形及其相互关系式中不难看出，在视在功率不变的情况下，功率因数越低（角越大），有功功率就越小，同时无功功率却越大。这种使供电设备的容量不能得到充分利用，例如容量为1000kVA的变压器，如果=1,即能送出1000kW的有功功率；而在=0.7时，则只能送出700kW的有功功率。功率因数低不但降低了供电设备的有效输出，而且加大了供电设备及线路中的损耗，因此，必须有效的措施，以提高功率因数。

为了更有效的提高功率因数，首先要能够精确的测量功率因数。功率因数表便是指测量功率因数的仪表，常见的功率因数表有电动系、铁磁电动系和变换器等几种。在以往的功率因数测量中，往往采用的都是指针式的仪表，这种仪表测量精度不是很高，且不便于观察其测量值的大小，在一定程度上会造成较大误差。随着科学技术的突飞猛进，电子工业和电力工业的迅猛发展，数字仪表也就应运而生。电力电测数字表是近些年涌现出来的新型而通用的电工数字仪表，它更是大规模集成电路与数字显示技术相结合的产物。本文设计的便是一种基于单片机的一款简单、快速、方便的数字式功率因数测量仪表。

1.1.2 国内外同类研究概况

在20世纪中期，微电子和信息技术产业的发展，大力支持了功率因数表的革新，高精度电子式标准表的发明，也大大满足了校准技术的要求。目前，数字电测仪表广泛应用于各行各业，以其优越的性能深受国内外各行各业的工作者的喜爱，成为仪表中的佼佼者。其原因在于它具有以下显著的特点：（1）数字显示，一目了然；（2）测量精度比模拟仪表高；（3）数字显示的数目多；（4）高分辨率；（5）数字电测仪表的测量范围广泛；（6）数字电表功能扩展；（7）测量速度快速；（8）高输入阻抗，低功耗，高绝缘性；（9）抗干扰能力强；（10）安装接线方便；（11）可以实现多个仪器和主机进行通信，易于保留必要的数据。