摘要：本文介紹了交流采樣的沒量原理，通過AT89C51來實現對交流電的電壓、電流、功率、功率因素等電參數的智能測量，給出了整個系統的軟、硬件設計框圖。

關鍵詞：交流采樣 智能測量 單片機

在微機應用初期，電力系統的參數普遍采用直流采樣，即對經過直流整流后的直流量進行采樣測量。此方法軟件設計簡單，計算方便，對采樣值只需做比例變換即可得到被測量的數值。但直流采樣方法存在一些問題：測量精確度直接受整流電路的影響；整流電路參數調整困難，受波形因素影響大等。而交流采樣是按一定規律對被沒信號的瞬時值進行采樣，再用一定的數值算法求得被測量的值。交流采樣法主要取決于兩個因素：測量精度和測量速蝶戀花。交流采樣相當于用一條階梯曲線代替一條光滑的正弦曲線，其原理性誤差主要有兩項：一項是用時間上的離散數據近似代替時間上的連續數據所產生的誤差，這主要取決于A/D的轉換速度和CPU的處理速度；另一項是將連續的電壓和電流進行量化而產生的量化誤差，這主要取決于A/D轉換器的位數。隨著電子技術的飛速發展，如今的微機、單片機的處理速率大大提高，同時也出現了種類繁多而且性能價格比很好的A/D轉換器，如AD574、MAC197等，為交流采樣奠定了堅實的基礎。

一、 交流采樣法的測量原理

若將電壓有效值公式

離散化，以一個周期內有限個采樣電壓數字量來代替一個周期內的連續變化的電壓函數值，則

式中：△Tn——相鄰兩次采樣的時間間隔。

Un——第n-1個時間間隔的電壓采樣瞬時值。

N——一個周期內的采樣點數。

一般認為相鄰兩次時間相等，即△Tn為常數△T，考慮到N=T/△T

這就是根據一個周期內各采樣瞬時值及采樣點數來計算電壓信號有效值的公式。

同理，有電流有效值計算公式

計算一相有功功率的離散化公式為：

同理，三相有功功率為：

視在功率：

Ps=UI （7）

式中in,un——為同一時刻的電流，電壓采樣值

功率因素為：COSθ=PP/PS (8)

顯然，A/D轉換精度、分辨率及速度越高，對信號的采樣頻率和精度就越高，則由離散公式求得的電力參數精度就越高。由AT89C51控制的AD574完全能滿足實用要求。

二、 系統硬件設計

系統硬件框圖如圖1，硬件電路由數據采集部分、單片機系統及接口部分組成。

三相電壓和電流信號加到取樣電路的輸入端，信號按比例變換為峰值小于±5V的交流電壓信號，再經阻抗變換，經16選一多路模擬開關，LF398采樣保持電路加到AD574的輸入端。本設計中單片機采用美國ATMEL公司的AT89C51，內帶4K片內ROM，AD574可輸入±5V或±10V交流電壓信號，12位轉換，轉換最大時間為25μs，完全滿足測量精度要求。

在測量功率時，必須同時對電壓和電流信號進行采樣，考慮電源頻率一般不高（50Hz），根據實際情況，本系統采用單片機對電壓，電流信號進行交替采樣，且電流信號要經過I/U變換，轉換成小于±5V的電壓信號后，再送到輸入端。這樣不僅可以簡化硬件電路，而且減小了由于兩路數據采集和處理電路不對稱所帶來的誤差和校準困難。

三、 系統軟件設計

根據離散化公式可知，在一個周期內不同時刻的電壓、電流的采樣值及每周期采樣點數可計算出電壓、電流、有功功率等值。工頻交流電標準頻率為50Hz，周期為20ms。根據89C51的12MHz主頻和AD574的25μs的轉換速度，并考慮到電力參數析實用精度要求，采樣周期定為400μs，即一個周期內采50個點。實踐證明，每周期采50個點，用12位A/D轉換器，分辨率可達1/4096.

整個系統的應用軟件用C51編寫，由于篇幅所限，只給出程序流程圖（圖2）。

四、 結語

該測試儀用交流采樣方法代替直流采樣減少了非線性環節，降低了硬件成本，提高了采樣精度，并可同進測量多種電力參數，所有結果可用LED顯示，也可安裝相應軟件，在計算機上顯示。該測試儀具有使用方便、可靠，測試范圍廣的特點。可用于微電機行業，節能燈行業、、空調行業、變壓器行業等，為生產線測試提供了保障，提高了交流電檢測的自動化和智能化水平。另外，由于可以與計算機通訊，可以很容易加入計算機的統一生產管理中，具有很好的應用前景。