简易电能质量测试仪设计

辽宁工业大学电子与信息工程学院 赵子龙 李光林 蔡坤良

简易电能质量测试仪设计

辽宁工业大学电子与信息工程学院 赵子龙 李光林 蔡坤良

本简易电能质量测试仪由电源模块、信号采样与处理模块、数据转换模块和单片机模块等构成，能准确的对一路交流工频电的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率和功率因数进行测量。本系统的优点在于成本低廉，硬件简单，扩展性强，电压、电流、功率的测量精度满足要求。

电能质量；工频交流电；单片机；信号采集

1 引言

目前测试有功功率，无功功率等指标要么需要比较昂贵的电子测量仪器，要么测量精度不高，而且不能直接得到需要测量的功率因数等指标。本设计简易电能测试仪采用简单的硬件电路（电压、电流互感器、乘法器）及必要的外围设备，可实现对交流工频电的电压有效值，电流有效值，有功功率，无功功率，功率因数等电能指标的实时测量并显示。该系统具有测量精度高，抗干扰能力强，测量结果直观，可通过编程拓展应用等优点。

2 系统的总体结构

本检测装置主要有主控制器模块、显示模块、按键模块和信号变换与处理模块等组成，系统整体框图如图1所示。

由电压传感器、电流传感器进行输入信号的电压信号、电流信号采集，对输入电压信号的频率进行64倍频，并以倍频后的频率作为A/D的采样频率，则D/A采样间隔会随电压信号频率的变化而相应变化，能够实时采样。采集后的电压信号按照一定的增益转换为0-5V电平，电流信号也转换为相应的电压信号，两路信号送入由AD633组成的乘法器中相乘，采集的电压信号、电流信号以及乘法器输出信号由A/D转换芯片转换为数字信号送给单片机。单片机STC89C52捕捉两路波形计算电压、电流有效值，然后根据有效值和相位计算有功功率、无功功率、视在功率以及功率因数并通过显示模块进行显示。

图1 系统整体框图

3 系统的硬件设计

3.1 信号采集与乘法电路

该电路可实现信号的采集与处理。如图2所示。

3.2 A/D转换单片机接口电路

由MAX197完成A/D转换功能。通过STC89C52的P10～P17与MAX197的D0～D7相。

图2 信号采集与乘法电路原理图

作片选信号，则MAX197的高位地址为7FH。在电路中，AGND和DGND应相互独立。

4 系统测试与误差分析

4.1 测试

采集工频交流电的电压信号和电流电压信号，可由示波器直接观察采集的信号也可由单片机处理并显示，计算出电压、电流有效值、有功功率、无功功率以及功率因数等，如图3所示。4.2 误差产生原因分析