【正文】 在本次設(shè)計中我們選的是 STC89C52 單片機(jī)，它是一種微處理器，既可以編程又可以去除的高性能存儲器。一般來說，一個個的集成電路芯片組成了單片機(jī)，里面含有一些基本部件：比如CPU； MEMORY； I/O 接口電路等等。 單片機(jī)控制單元設(shè)計 本設(shè)計中的控制系統(tǒng)包括單片機(jī)最小系統(tǒng)，和液晶顯示電路兩部分。則由變換公式 UU 3m?可以求得交流信號的有效值 U。該芯片采用電壓逐次比較的方式將模擬信號量化為數(shù)字信號。 如圖 7所示， CS端口接 P30 是控制 ADC0832 的使能的，當(dāng)為高電平時， ADC0832 不工作，當(dāng)為低電平的時候， ADC0832 開始工作； CLK端口接 P31 為它的時鐘，為數(shù)據(jù)讀寫提供時鐘源； DI 端口接 P34為它的寫輸入口，用來通過單片機(jī)向它寫入一些控制命令； DO端口接 P35 為輸出端口，用來向單片機(jī)輸出采樣的結(jié)果，由于本次設(shè)計中采用的是STC89C52，它的 I/O 口既可以讀也可以寫，所以當(dāng)端口不夠 用的時候可以將 DI 和 DO 用一個引腳控制。詳細(xì)的電路設(shè)計如圖 6 所示： D10C11GND100MR28U1 CH0D11C12GND100MR29I1 CH1 圖 6 峰值檢測電路 在圖 6所示電路中所示，此電路原理是通過二極管的單向?qū)ㄌ匦?，用交流信號不斷的給后級電容充電，當(dāng)交流信號的電壓大于電容的電壓時，二極管導(dǎo)通，給電容充電，電容的電壓不斷升高，當(dāng)交流信號的電壓小于電容電壓的時候，二極管的截止，電容電壓保持在前一刻值，最終使電容電壓保持在交流信號的峰值。 T12Trans814321U4BALM339D100pFC24GNDVCC100pFC359KR231KR24GNDIP32100R26UGND 圖 4 電壓信號測量相位電路圖 在電流互感器中，電流互感器測量過程中將電流互感器串聯(lián)到單相交流電源的負(fù)載中在電壓互感器的次級端串接兩個分壓電阻 R22和 R33，大小分別為 9k和 1k,采樣比為 1/10, 并且電流互感器的變比 K=10，則將電流信號通過次級的電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號后可以將系統(tǒng)的 0100A 的電流信號 I1轉(zhuǎn)換成 05V的電壓小信號 U2。 第 11 頁 共 65 頁 過零比較器的工作原理是當(dāng)信號在 0 之上的時候，高電平就是它的輸出，而當(dāng)信號的值在 0之下的時候，低電平就是它的輸出了，這樣輸入的信號就可以轉(zhuǎn)換成原來頻率的方波信號。 圖 2 系統(tǒng)硬件電路組成框圖 在本次設(shè)計中，模塊采用兩個比較器使交流小信號變換成同相位的方波信號， 在信號中，利用兩個外部中斷的中斷函數(shù)來控制定時器 1或者 2 的的啟動或者停止，因為變換來的方波信號和原來的交流小信號具有相同的相位和周期，都是 50Hz 的信號，通過運用定時器來計算出兩個交流信號下降沿的的時間差，就可以計算出兩個信號的相位差，通過公式（ 1）（ 2）（ 3）可以換算得到系統(tǒng)的功率因數(shù)。當(dāng) 1T 大于 5ms，假設(shè)時間差為 t? ，則處理方法為： 1Tt?? ? ?msTms 50 1 ?? 110 Tmst ??? ? ?msTms 105 1 ?? ms101Tt?? ? ?msTms 1510 1 ?? 120 Tmst ??? ? ?msTms 2020 1 ?? 可以根據(jù)計數(shù)值 T 確定負(fù)載特性。 功率因數(shù)是交流電路中電壓與電流之間的相位差 ? 的余弦。 第 8 頁 共 65 頁 另外在系統(tǒng)中，還對系統(tǒng)的電壓電流進(jìn)行了測量，利用幅值檢測電路將正弦波信號幅值檢測出來，通過利用 AD0832 分別測量電網(wǎng)電壓以及電流值，并且計算出當(dāng)前電網(wǎng)的有功功率和武功功率。 第 7 頁 共 65 頁 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成 51單片機(jī)液 晶 顯 示器鍵 盤電 壓 互 感器 電 路電 流 互 感器 電 路過 零 比 較器 電 路過 零 比 較器 電 路電 網(wǎng) 電 壓電 流 信 號信 號 調(diào) 理電 路 電 路A D 模 數(shù) 轉(zhuǎn)換 電 路電 容 投 切 電 路數(shù) 據(jù) 存 儲 電 路功 率 因 數(shù) 測 量電 壓 電 流 測 量人 及 交 互 電 路中 斷 0中 斷 1 圖 1 系統(tǒng)框圖 通過 節(jié)方案選擇，本文已經(jīng)確定了系統(tǒng)總體的方案設(shè)計。在過勵磁運行時，它想讓系統(tǒng)供給感性無功功率而起無功電源作用，能夠提供系統(tǒng)電壓；在欠勵運行時，它想讓系統(tǒng)提供感性無功功率而用來起到無功負(fù)荷作用，可降低系統(tǒng)電壓。我們可以根據(jù)這個原理來簡單的實現(xiàn)我們這個設(shè)計的需求。 方案一：并聯(lián)電容器進(jìn)行無功功率補(bǔ)償方案。 第 6 頁 共 65 頁 該方案結(jié)構(gòu)簡單，測量精度很高。但是由于在電路中擁有大量的計算，包括平方運算，開方運 算以及復(fù)數(shù)運算，對于單片機(jī)的要求比較高，并且擁有大量的要數(shù)據(jù)存儲，明顯提升了電路成本以及軟件開發(fā)難度。在一個周期內(nèi)所采集的兩個數(shù)據(jù)需要保證在 5ms 的間隔。 方案二：利用 AD0809 測量方案。 基于單片機(jī)的功率因數(shù)檢測方案選擇 方案一：利用單片機(jī)外部中斷測量。 ⑶還可以降低線路損耗，由公式 %1 0 0)c o s/c o s1( 21 ???? ??P 得出前后的功率因數(shù)， 1cos? 為補(bǔ)償前的系統(tǒng)的原有功率因數(shù)，而 2cos? 為補(bǔ)償后的系統(tǒng)功率。所以在電路中可以使電感和電容的電流相互抵消，使電 壓和電流的矢量之間的夾角縮小，要實現(xiàn)這些就可以在電路中安裝一些電容元件進(jìn)行投切到電網(wǎng)中。該系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)為： 1） 該電路能實現(xiàn)電網(wǎng)電壓電流測量； 2） 該電路能實現(xiàn)無功功率因數(shù)檢測，電容組自動投切功能； 3） 該電路要求有友好的人機(jī)交互界面，能方便顯示當(dāng)前電路的電壓電流值，以及當(dāng)前的無功功率因數(shù)值，以及需要補(bǔ)償電容值和實際補(bǔ)償電容值。 第四部分，完成系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計。 （ 7）完成該電路的系統(tǒng)仿真已驗證所設(shè)計產(chǎn)品是否滿足以上要求 第 3 頁 共 65 頁 論文的內(nèi)容和論文的結(jié)構(gòu)安排 1）通過任務(wù)要求分析，本文主要完成如下幾個設(shè)計內(nèi)容： A 設(shè)計出基于電壓電流互感器的功率因數(shù)測量電路； B 設(shè)計出信號調(diào)理電路以及 AD轉(zhuǎn)換電路； C 設(shè)計出電容組投切控制電路以及控制電路； D 設(shè)計出人機(jī)交互電路； E 設(shè)計出滿足整個任務(wù)要求的系統(tǒng)的軟件開發(fā)； F 設(shè)計出基于 PROTUSE 的控制系統(tǒng) 仿真電路。其中控制系統(tǒng)采用 STC89C52 作為核心控制器。 無 功補(bǔ) 償 控 制器 己 由 基 于 SCR 的 靜 止 無功 補(bǔ) 償 器（ Static Var CompensatorSVC）、晶閘管控制串聯(lián)電容補(bǔ)償器（ Thyristor Controlled Series CompensatorTCSC）發(fā)展到基于 GTO 的靜止無功發(fā)生器（ Static Var GeneratorSVG）、靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（ StaticSynchoronous Series CompensatorSSSC）。在實際的工作中，如果我們需要一些大小不同的感性或者容性的無功功率的時候，我們 可以通過這個同步電動機(jī)的勵磁來調(diào)節(jié)，這個調(diào)節(jié)并不難，只要讓它工作在欠勵磁或者過勵磁的狀態(tài)就可以了。 電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)元件的阻抗元件主要是電感性的，因為電感性的本身特性，所以，為了提供有效的有功功率，就會需要傳輸端和電氣終端的電壓有一個相 位差，它可以實現(xiàn)在較寬的范圍里面，為了提供無功功率，則需要它們兩端的電壓有 1 個幅值差，但是這只可以實現(xiàn)在一個非常窄的范圍里面。但是大多數(shù)電力電子裝置在運行的時候的功率因數(shù)都比較低、他們消耗大部分了的無功功率，并且這些功 率在電力系統(tǒng)占了很大的比例。針對于現(xiàn)有裝置的缺點，本文介紹的基于單片機(jī)的的無功功率補(bǔ)償裝置克服了以上缺點，具有準(zhǔn)確度高，能迅速投切，符合需要的經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點。 附錄 2：系統(tǒng)仿真圖 ...................................... 錯誤 !未定義書簽。 STC89C52 iii 目 錄 1. 引言 ..................................................................... 1 選題背景 ........................................................... 1 本設(shè) 計的要求 ...................................................... 2 論文的內(nèi)容和論文的結(jié)構(gòu)安排 ........................................ 3 2 系統(tǒng)方案總體設(shè)計 .......................................................... 4 系統(tǒng)需求分析 ........................................................ 4 無 功功率裝置原理 .................................................... 4 無功補(bǔ)償?shù)囊饬x ................................................ 4 系統(tǒng)方案選擇 ........................................................ 5 基于單片機(jī)的功率因數(shù)檢測方案選擇 .............................. 5 無功功率補(bǔ)償方案選擇 .......................................... 6 系統(tǒng)總體設(shè)計 ........................................................ 7 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成 .............................................. 7 系統(tǒng)原理 ...................................................... 7 3 系統(tǒng)硬 件電路設(shè)計 .......................................................... 9 功率因數(shù)測量電路 .................................................... 9 功率因數(shù)測量原理 .............................................. 9 基于單片機(jī)的測量原理分析 ...................................... 9 基于單片機(jī)的無功功率因數(shù)測量電路設(shè)計 ......................... 10 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 ................................................... 12 單片機(jī)控制單元設(shè)計 ................................................. 14 單片機(jī)的介紹 ............................................... 14 中斷系統(tǒng) ................................................... 16 定時器 ...................................................... 16 顯示部分 .................................................... 17 控制系統(tǒng)電路設(shè)計 ............................................. 17 存儲電路設(shè)計 ................................................. 19 電容投切電路設(shè)計 ................................................... 19 電容投切原理 ................................................. 19 iv 電容投切電路設(shè)計 ............................................. 20 電源電路設(shè)計 ....................................................... 21 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 ............................................................. 23