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毕业设计（论文）题目:功率因数表 专业:电气系 班级: 08216 学号: 12 姓名: 吕运朋 指导老师: 焦小梦 成都电子机械高等专科学校二七年六月1论 文 摘 要摘要：在对传统的功率因数测量方法分析的基础上，提出了电力系统中的功率因数的基本算法：即基于工频量的功率因数的求取方法。传统的测量方法没有很好的考虑系统的不对称性所造成的谐波以及非周期分量对功率因数测量的准确性的影响，测量精度不够。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,multivibrator33 目录论 文 摘 要IAbstractII第1章技术要求11.1功率因数的定义11.2影响功率因数的主要因素2第2章 功率因素的检测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10电源电路的分析：10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。10电源电路的模拟图：113.2.2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19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23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章技术要求1.1功率因数的定义在交流电路中，电压与电流之间的相位差()的余弦叫做功率因数，用符号cos表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cos=P/S 功率因数的大小与电路的负荷性质有关， 如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大， 从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。 (1) 最基本分析：拿设备作举例。例如：设备功率为100个单位，也就是说，有100个单位的功率输送到设备中。然而，因大部分电器系统存在固有的无功损耗，只能使用70个单位的功率。很不幸，虽然仅仅使用70个单位，却要付100个单位的费用。(我们日常用户的电能表计量的是有功功率，而没有计量无功功率，因此没有说使用70个单位而却要付100个单位的费用的说法，使用了70个单位的有功功率，你付的就是70个单位的消耗)在这个例子中，功率因数是0.7 (如果大部分设备的功率因数小于0.9时，将被罚款)，这种无功损耗主要存在于电机设备中(如鼓风机、抽水机、压缩机等)，又叫感性负载。功率因数是马达效能的计量标准。 (2) 基本分析：每种电机系统均消耗两大功率，分别是真正的有用功(叫千瓦)及电抗性的无用功。功率因数是有用功与总功率间的比率。功率因数越高，有用功与总功率间的比率便越高，系统运行则更有效率。 (3) 高级分析：在感性负载电路中，电流波形峰值在电压波形峰值之后发生。两种波形峰值的分隔可用功率因数表示。功率因数越低，两个波形峰值则分隔越大。1.2影响功率因数的主要因素 (1)大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。据有关的统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了6070；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的6070。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。 (2)变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的1015，它的空载无功功率约为满载时的1/3。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。 (3)供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。 当供电电压高于额定值的10时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110时，一般无功将增加35左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。 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数码管有很多方法，按显示方式分，显示器显示有静态显示和动态显示（扫描）显示，按译码方式可以分硬件译码和软件译码之分。静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再管，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新数据，显示数据稳定，占用很少的CPU时间。动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多。这两种显示方式各有利弊；静态显示虽然数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的硬件较多；动态显示虽然有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。硬件译码就是显示的段码完全由硬件完成，CPU只要送出标准的BCD码即可，硬件接线有一定标准。软件译码就是用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。将3只LEDD 段位都连在一起，它们的公共端则由7447分时选通，这样任何一个时刻，都只有一位LED在点亮，也即动态扫描显示方式，使用串行口进行LED通信，程序编写相当简单，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 时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，该系统采用内部时钟模块，外接晶振方式，振荡频率主要由石英晶振的频率决定。单片机内部具有时钟模块，能实现超低功耗应用。振荡器和系统时钟发生器的主要设计目标是廉价和低功耗。为达到系统廉价，外接器件缩减到只有一个普通晶振。在数字系统中，系统功耗与频率成正比，所以使用低频晶体和和含有倍频器的振荡器可以满足时钟系统速度与低功耗这2个要求。该系统的时钟电路是用一频率为32 768 Hz的晶振来固定整个电路的频率来实现。2.1.3信号调理电路电流互感器的输出，经运算放大器和IV转换器，把电流信号转换成电压信号。电压信号和电流信号转化的电压信号进行放大、施密特整形，把交流信号转化为方波信号，输入到单片机Timer_A的TA1，TA2输入端。这样测信号相移就变成测信号边沿之间的时间宽度问题，单片机很容易实现。 信号相位差的测量运用TI的MSP430F449的捕获功能，捕获2路信号的过零点，记录定时器这一时刻的计算值，计算出它们之间的时间差。TI公司的所有的FLASH型单片机都含有Timer_A，它是程序的核心。Timer_A由1个16位定时器和多路比较捕获通道组成。路信号的相位差=360tTi，其中，t=N2flk，N2为2路信号的上升沿分别触发计数器的差值；Ti为输入信号的周期。由相位差的计算可简化为：2.2功率因素测量的原理2.2.1传统的测量方法利用过零点测量电压、电流之间的相角对于某一正弦信号，周期性地出现过零点。测出过零点的时间即可以测出该信号的相角。由CPU对过零点打上时间标签，这个时间标签准确到2s，在CPU内由时钟建立标准50Hz的信号，并求出被测量信号相对标准50Hz信号的角度，这个角度为绝对角。根据下面的图1，第j个测量点的过零时刻分别为， +1.则在时刻相对于标准50Hz信号的过零时刻i*20ms的绝对值为： = （）相对参考点的角度为其中，j表示第j个测量点，表示ti时刻参考点相对于i*20ms的角度，ti的单位为。 相角测量原理图 采用上面的方法分别测出电压和电流的相角，可以求出电压超前于电流的相角。然后，即可以求出系统的功率因数。2.2.2利用求出电压和电流的相角差来求取功率因数主要原理如下：设电压信号为：u=sin（+）电流信号为：=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 由最基本的电路理论知识可以知道，功率因数是指正弦信号的电压超前于电流的相角的余弦值。方法1的测量方法中，只是考虑到电压、电流的过零点来测量相位差。事实上，电力系统并不是一个完全的正弦系统。由于电力系统的各个元件并不是完全对称的，三相的负荷又并不是完全对称的。所以，测量到的电压、电流信号中，会含有一定的非周期分量及各次谐波。这些谐波信号影响电压、电流过零点的测量精度，直接影响到功率因数的测量精度。方法2采用傅氏滤波的方法求取电压、电流各自的相位角，理论上完全考虑了系统的不对称性所造成的各次谐波对测量精度的影响。但是，傅氏滤波能够完全滤除各次谐波的条件但是却对于无限长的信号；而采用的全周傅氏滤波方法。并不能滤除高次谐波以及非周期分量。所以，也无法精确测量系统的功率因数。 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单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。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，大部分为单字节指令 21个专用寄存器 2个可编程定时/计数器5个中断源，2个优先级（52有6个） 一个全双工串行通信口 外部数据存储器寻址空间为64kB 外部程序存储器寻址空间为64kB 逻辑操作位寻址功能双列直插40PinDIP封装 单一+5V电源供电 CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器； RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据； ROM：用以存放程序、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； 一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信； 片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。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。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 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换成100V或更低等级的标准二次电压，并将其输入到过零比较器的正想输入端1。同时，使用电压互感器可以将高电压与电气工作人员隔离。电压互感器虽然也是按照电磁感应原理工作的设备，但它的电磁结构关系与电流互感器相比正好相反。电压互感器二次回路是高阻抗回路，二次电流的大小由回路的阻抗决定。当二次负载阻抗减小时，二次电流增大，使得一次电流自动增大一个分量来满足一、二次侧之间的电磁平衡关系。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。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。滤波、整形电路的原理图： 3.2.4相位差的信息提取电路相位差的信息提取电路的分析： 该部分主要由双D触发器CD4013完成，经由D触发器CD4013 组成的0 360相位检测电后得到一组互补的相位信号,如下图所示,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, 即的大小;+大小对大小对应于2,故有=2+，因此,只要测得,就可以计算出的值.相位差的信息提取电路原理图：.波形图： 3.2.5 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：3.2.6 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：3.2.7测量部分的总体电路图总体设计原理图：3.2.8 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：电压互感器实际上是一个带铁心的变压器。它主要由一、二次线圈、铁心和绝缘组成。当在一次绕组上施加一个电压U1时，在铁心中就产生一个磁通，根据电磁感应定律，则在二次绕组中就产生一个二次电压U2。改变一次或二次绕组的匝数，可以产生不同的一次电压与二次电压比，这就可组成不同比的电压互感器。电压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，供保护、计量、仪表装置使用。同时，使用电压互感器可以将高电压与电气工作人员隔离。电压互感器虽然也是按照电磁感应原理工作的设备，但它的电磁结构关系与电流互感器相比正好相反。电压互感器二次回路是高阻抗回路，二次电流的大小由回路的阻抗决定。当二次负载阻抗减小时，二次电流增大，使得一次电流自动增大一个分量来满足一、二次侧之间的电磁平衡关系。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。本设计中电压互感器主要用于将强电的电压信号的幅值降低到一定的程度，以便于之后对电压信号的提取。电流互感器： 在测量交变电流的大电流时,为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流（我国规定电流互感器的二次额定为5A），另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器就起到变流和电气隔离作用，电流互感器就是升压(降流)变压器. 它是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，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，二次侧接测量仪表、继电保护等。1次侧只有1到几匝，导线截面积大，串入被测电路。2次侧匝数多,导线细,与阻抗较小的仪表(电流表/功率表的电流线圈)构成闭路。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为双电压比较器，LM393系列有两个电压指标抵达2.0的独立精密电压比较器构成。LM393产品采用单电源操作设计，且使用电压范围广。LM393产品也可采用分离式电源，低电耗不受电源电压值影响。LM393还有一个特点是，即使是在单电源操作时，其输入共模电压范围也包括接地。LM393系列可直接与TTL以及成 CMOS逻辑电路接口。无论是正电源还是负电源操作，当低电耗比标准比较器的优势明显时，LM393系列便于标准CMOS逻辑电路直接接口。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的阴极连在一起即为共阴式，而将多只led的阳极连在一起即为共阳式。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，数码管显示将显示数字“1”。而将a、b、d、e和g段都接上正电源，其它引脚悬空，此时数码管将显示“2”。3.3功率因数表控制电路设计3.31控制模块的总体电路图该部分主要是通过GLC电路中，改变电容的大小，从而得到不同的阻抗，并联到电网中，是电网中的电流与电压的相位关系发生相应的改变，从得达到控制功率因数的目的。在本设计中，由于考虑到实际的一些问题，本设计中的控制部分只是达到显示当要求达到一定的功率因数值时所需要并入电网中的电容的大小。接入电网中的示意电路图如下：该部分主要用到电容，电阻，电感，四个电容之间是8421倍数关系，这样就可以产生115单位量的电容。此处所用的器件因为要介入强电电网中，所以都应该选择耐压值很高的大功率器件。第4章软件设计4.1 流程图及其功能主程序流程图 数据处理流程图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。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 张培仁 于C语言编程MCS-51单片机原理与应用。 北京：清华大学出版社，20032 王水平 PWM控制与驱动器使用指南及应用电路 西安：电子科技大学出版社，20043 吕广平 ，徐笑貌 集成电路500例 北京：人民邮电出版社，1988 4李广弟等.单片机基础M.北京航空航天出版社，2001.5王东峰等.单片机C语言应用100例M.电子工业出版社，2009.6陈海宴.51单片机原理及应用M.北京航空航天大学出版社，2010.7刘守义等.单片机技术基础M.西安电子科技大学出版社，2007.8钟富昭等.8051单片机典型模块设计与应用M.人民邮电出版社，2007.9李平等.单片机入门与开发M.机械工业出版社，2008. 10 张贤达，保铮非平稳信号分析与处理M北京：国防工业出版社，1998.79-112. 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