基于P89V51RD2的功率因數測量儀設計
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3．1 信號預處理電路
電壓預處理電路由電壓轉換電路和過零比較器組成。實驗發現，采用隔離變壓器進行電壓信號轉換會造成相位偏移，且相位偏移不夠穩定。因此，電壓轉換電路采用光電隔離器構成，由于發光管發光具有一定的滯后特性，因此由光電隔離器構成的電壓轉換電路除具有無相位偏移的特點外，還具有很高的過零點檢測的穩定性和可靠性。
電流預處理電路由低通濾波器和過零比較器組成。電力系統中通常有電力設備開關和控制造成的突發脈沖、高次諧波和噪聲等因素的干擾，這些干擾頻率通常高于工頻，且主要體現在電流中。為了濾除或降低干擾，在電流預處理電路中設置由U21構成的二階Butterworth低通濾波器。其傳遞函數為：
式中，ωo為電路固有角頻率，即低通濾波器的截止頻率；ζ為電路阻尼系數。
當R21=R22=R，C11=C21=C時，為電路最佳阻尼系數，此時，低通濾波器的截止頻率為：
電流門限檢測電路由VD31和C31構成的半橋濾波器和比較器U31構成，只有當電流達到一定值時，比較器輸出為高電平。單片機通過檢測到P3．7引腳的狀態為1，才開始功率因數檢測。圖3中U13和U22分別構成兩個過零比較器，由于比較器采用單5 V供電，滿足TTL電平要求。過零比較器輸出端的是與輸入信號頻率相同的方波。
3．2 相位檢測電路
由于電力系統中電壓與電流的相位差大于-90°，且小于90°。因此，可直接對電壓信號預處理輸出的方波信號和電流信號預處理的方波信號進行異或運算。得到一串脈寬與相位成正比的脈沖波。
3．3 顯示及單片機小系統電路
為實現高精度相位檢測和顯示，采用具有SoftICE和ISP功能的高集成度增強型P89V51RD2單片機。其電路原理圖如圖4所示。顯示電路由七段碼集成電路74LS47、3-8譯碼器74LS138和6位共陽極七段碼組成。其中：1位(D31)顯示±，1位(D32)顯示0或1和小數點，其余4位(D33)顯示小數點后的4位有效數據。
單片機小系統除振蕩電路和復位電路外。還有RS-232通信接口，這是因為P89V51RD2單片機具有SoftICE功能和ISP功能。
通過FlashMagic軟件可激活P89V51RD2的SoftICE功能，則該單片機就具有本系統的自調試功能。通過串口通信電纜將本系統硬件連接到PC，在Vision單片機軟件集成開發環境中進行程序在線調試。當系統程序調試完成后，可通過FlashMagic軟件將調試通過的程序下載到單片機中，然后，按復位按鈕或重新上電，系統正常工作。因此，采用P89V51RD2單片機設計時，無需仿真器和編程器就可完成整個系統設計。
4 系統軟件設計
硬件電路為檢測相位角提供高精度脈沖信號。利用P89V51RD2內部的T1定時／計數器，可精確求出△t值。將定時器T1設置成定時器方式，工作在工作方式1狀態(即16位計數器)。
選用24 MHz的晶體振蕩器，因此，時標脈沖周期為0．5μs。設定TR1和GATE1=1，則T1是否計數取決于信號：當由0→1時，T1開始計數；當由1→0時，T1停止計數。
設定IE=81H，IT0=1，當由1→0時，觸發中斷，在中斷程序中，首先，關總中斷，置TR1=0停止計數，讀取定時器1的16位計數值，其中：高8位在TH1中，低8位在TL1中；然后，置定時器1的16位計數值為O；最后，開總中斷，置TR1=1定時器1準備計數。因此，只要將△t信號施加至和上，就可求出以μs為單位△t的數值，即：
采用這種方法測量△t，分辨力和最大絕對誤差均為0．5μs。系統軟件程序流程如圖5所示。電流信號預處理電路具有一定時間延遲，雖然其在被測相位上造成誤差，但由于延遲時間固定，因此，只需由單片機讀出相位值放入內存，采用軟件修正測量結果，就可消除由此造成的通道相位誤差，提高相位差的測量精度。
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