2024年_B题：单相功率分析仪

一、任务

基于 TI 公司的微控制器(MCU)芯片，设计并制作图 1 所示针对单相交 流供电系统的单相功率分析仪，图中的 PA 为市售功率分析仪，用于标定和比 对本自制系统;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，系统由电池供电。

二、要求

1. 基于安全要求，电流测量、电压测量采用电流互感器和电压互感器的传感方法或其他强弱电隔离的传感方式,其中的交流电流互感能用原方多匝缠绕的方法提高其灵敏度，并能在系统中设置匝数比，电流量程为有效值 4A，电压量程为有效值 250V。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%。(20 分)
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%。(25 分）
3. 实现用电插座上负载的电流总谐波系数 (THD) 和谐波电流的测量和显示，谐波至少测量至 10 次，与 PA 读数相比，相对误差绝对值2%。(40 分)
4. 自制系统采用低功耗电路并进行功耗管理设计，系统工作时 (非休眠状态)系统功耗≤50mw。(10 分)
5. 其他。(5 分)
6. 设计报告。(20 分)

三、说明

1. 若本题需使用MCU(单片机)，必须选用TI公司的MCU 作主控单元型号不限；可以使用内含其他厂商 MCU 的一体化的液晶屏；不得使用现成(非自制)的电表电路或功率分析仪电路板。
2. 本系统因为涉及交流 220V 供电电路，系统设计和制作必须符合电气规范，强电部分电路做好绝缘处理，操作必须符合安全规范，确保人身安全；电压和电流传感测量方案必须选用隔离的方案。
3. PA 采用市售三相或单相功率分析仪或带谐波系数测量功能的数字功率计作为标定和比对仪器。
4. 所谓电流传感多币缠终是指电流传感时，原方被测电流的导线以多匝(n匝)通过传感器以提高测量灵敏度；自制系统制作时考虑原方导线多匝缠绕操作的便利性。
5. 本系统由电池供电，需在其电路中提供直流电流表和直流电压表测量接口，用于测量自制系统的功耗；电池不封装在作品中，测试时随身携带。
6. 自制系统时，测试负载限定总视在功率在 500VA 以内，尽量选择实验室现成负载；也可以自制，自制负载时注意用电安全。