2024年全国大学生电子设计竞赛赛区赛暨模拟电子系统设计专题赛（TI杯）初赛——单相功率分析仪（B题）（设计报告）

单相功率分析仪（B题）

摘  要

       本系统是以MSP430F5529为主控芯片的单片机控制系统，设计并制作针对单相交流供电系统的单相功率分析仪，系统实现测量用电插座上的负载的电流、电压、有功功率、功率因数、电流谐波系数（THD）、电流基波及其 2—10 次谐波分量的有效值等参数，系统由充电宝供电。系统主要包括电源电路、单片机主控模块、交流电参数采集电路、电池供电参数采集电路、显示电路等。电流、电压信号经采集电路后直接输入芯片进行AD采样。MCU通过与HT7036芯片SPI通信，读取相关参数，即可方便地完成设计要求参数的测量。得出处理信号信息并将其反映在液晶显示屏上。经测试，本系统可以有效的利用MSP430F5529单片机的运算处理能力，实现相应模块的优化配置，达到资源利用最大化。

方案论证

        随着电力需求的增长和电力系统的复杂化，传统的电力测量方法和仪器往往难以满足现代电力系统的需求。现代电力系统不仅包含各种电力设备，还涉及各种负载和非线性负载，这些都对功率测量提出了更高的要求。随着全球对能源效率和节能的关注增加，精确测量电力系统的功率和功率因数变得越来越重要。功率分析仪可以帮助识别和优化能源使用，降低能源浪费，提高系统的能效。电力质量问题（如谐波失真、功率因数偏离）会导致设备故障、能效下降和电力损耗。研究和改进功率分析仪有助于实时监测和分析电力质量，及时采取措施以改善电力系统的稳定性和可靠性。

（一）总体方案的选择

方案一： 利用单片机采样信号并且计算得出相应参数

        通过电流互感器和电压互感器将高电压、大电流的交流电信号转换为适合测量仪器、安全设备和保护装置使用的低电压、小电流信号。调整为ADC可以采样的电压，然后用两个AD转换器在一个信号的周期内采样固定的点，采样时钟由锁相倍频电路提供。将采样的得到的数据进运算，得出相应的电能参数。

        这种方案是通常的信号分析与处理的方法，可以方便地得出题目所要求的电流、电压、有功、无功等参数。但是采用这种方案要求MCU进行大量的数学运算，且单片机的截断误差影响较大，使得最终的结果不会很精确。此外，数学运算会占用大量的MCU时间，使得我们很难去完成其他的附加功能。而且该方案使用了较多的硬件模块，不仅不便于调试，而且成本较高。

方案二： 采用高精度三相电能专用计量芯片HT7036

        本系统以高精度三相电能专用计量芯片HT7036为计量核心，以TI公司的MSP430F5529单片机为控制核心，并辅以必要的外围电路，可以精确地测量用电插座上的负载的电流、电压、有功功率、功率因数、电流谐波系数（THD）、电流基波及其 2~10 次谐波分量的有效值等参数。

       系统主要包括电源电路、单片机主控模块、交流电参数采集电路、电池供电参数采集电路、显示电路、按键电路等。电流、电压信号经调理电路后直接输入HT7036集成芯片中。MCU通过对HT7036进行操作，即可方便地完成要求参数的测量。这样大大地减轻了单片机的负担，从而可以节省出指令周期来完成一些其他的更加实用的功能。而且外部的调理可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。与方案一相比，大大的降低了信号调理的难度和复杂度。从稳定性方面考虑，集成芯片的性能往往更为可靠。系统框图如图1所示。

（二）具体方案论证

1、计量芯片HT7036

HT7036系列多功能高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。HT7036集成了6路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数及频率测量的数字信号处理等电路，能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求。如图2所示。

2.单片机主控电路

MSP430 系列单片机是美国德州仪器(TI)1996 年开始推向市场的一种 16 位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Pocessor)。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。但由于其卓越的性能，在短短几年时间里发展极为迅速，应用也日趋广泛。MSP430系列单片机针对各种不同应用，包括一系列不同型号的器件。主要特点有：1．超低功耗 2．强大的处理能力3．高性能模拟技术及丰富的片上外围模块4．系统工作稳定5.方便高效的开发环境。MSP430 系列单片机不仅可以应用于许多传统的单片机应用领域，如仪器仪表、自动控制以及消费品领域，更适合用于一些电池供电的低功耗产品，如能量表(水表、电表、气表等)、手持式设备、智能传感器等，以及需要较高运算性能的智能仪器设备。如图4所示。

3、OLED显示模块

本系统采用0.96 寸OLED 显示模块，该模块显示亮度高，低功耗的OLED屏，显示颜色纯正，在阳光下有很好的可视效果。模块供电可以是3.3V也可以是5V，不需要修改模块电路，同时兼容3种通信方式：4线SPI、3线SPI、IIC，通信模式的选择可以根据提供的BOM表进行跳选。该模块一共有三种颜色：蓝色、白色、黄蓝双色。OLED 屏具有多个控制指令，可以控制OLED的亮度、对比度、开关升压电路等指令。操作方便，功能丰富。

二.理论分析与计算

根据题目要求（1）实现对用电插座上负载的电流和电压的测量，与 PA 读数

相比，相对误差绝对值≤1%。（2）实现用电插座上负载的有功功率、功率因数测量，与 PA 读数相比，相对误差绝对值≤1%。

交流电压、电流有效值（RMS）的测量、数字有功功率、功率因数测量以及谐波系数测量都是电力系统中非常重要的参数。

（1）交流电压、电流有效值的数字测量方法及理论计算

①理论计算

有效值（RMS）是交流电压或电流的一个度量，用于表示一个等效的直流电压或电流。对于一个周期性信号 x(t)，其有效值可以通过以下公式计算：

②数字测量方法

1. 采样：使用高精度ADC（模拟数字转换器）对交流信号进行采样，获取一组离散的电压或电流值x[n]。

2. 平方：对每个采样点的值进行平方计算。

3. 平均：对所有平方后的值求平均。

4. 开方：对平均值开平方，得到有效值。

具体步骤如下：

1.对于采样得到的N个数据点x[0], x[1], ..., x[N-1]：

（2）交流电有功功率、功率因数测量方法及理论计算

• 理论计算