【正文】 后，因為單片機(jī)的定時周期是 ?1T 1 m? ，而工頻電壓電流信號的周期為 ST ? ,所以可以通過以下算式算出相位差 ? ： ?? 2**time21T T? (5) 例如：當(dāng)電感取用 5mH 的時候，此時可以通過仿真然間求得補(bǔ)償前的功率 因數(shù)為 ， 第 31 頁 共 65 頁 補(bǔ)償完成后的功率因數(shù)為： 而此系統(tǒng)的電流為 100A，電壓為 220V，則系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)碾娙轂椋? FUPC u1120)2tan1tan( 2 ??? ? ?? 而在仿真中，我們選擇 1200uF 進(jìn)行投切，防止一些誤差。 進(jìn) 入 外 部 中 斷 0定 時 器 1 清 零啟 動 定 時 器 1使 中 斷 指 示 燈 閃 爍跳 出 中 斷進(jìn) 入 外 部 中 斷 1關(guān) 閉 定 時 器 1轉(zhuǎn) 換 計 數(shù) 值測 量 電 壓 電 流跳 出 中 斷 圖 16 外部中斷流程圖 為了方便運算，本設(shè)計中定時器工作于方式 1，采用 16 位定時的方式。此時 ADC 開始實時電壓電流的數(shù)據(jù)，并將電壓電流數(shù)據(jù)顯示到液晶顯示器上。 軟件總體設(shè)計 本設(shè)計的軟 件設(shè)計主要分為主程序設(shè)計和中斷程序設(shè)計兩大部分。 第 27 頁 共 65 頁 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件開發(fā)環(huán)境介紹 本設(shè)計中選用德國 KEIL 公司推出的 uVision4 集成開發(fā)環(huán)境作為主機(jī)程序設(shè)計的編譯器。在本次設(shè)計中選取 8路此種電容投切電路并聯(lián)，由于電容并聯(lián)是相當(dāng)于容值相加，所以選取不同容值到投切到電路中，可以組成一系列的電容值，可以方便的程序的控制。 SSR50DA 的控制 電壓大概是 3到 32 伏特的直流電壓 ,因此，要讓它正常的運行，那么需要在輸入端加上 1個 TTL 信號。 GNDVCCGNDP36P37VCC10KR3010KR31A01A12A23VSS4SDA5SCL6WP7VDD8FM24C64 圖 11 存儲電路圖 在本次設(shè)計中，采用工業(yè)上傳統(tǒng)的二線接口，通過 I2C 協(xié)議進(jìn)行通信，由于本次設(shè)計中擁有大量的需要單片機(jī)控制的電路，所以使用此種存儲器可以有效的解決單片機(jī) I/O口不夠用的情況。同時液晶顯示顯得更人性化。配合兩個起振電容 C2,C3。 26 個字母、 10 個數(shù)字、還有不同的符號等這些都能被它顯示出來。并且由外部中斷的原理來說，外部中斷在我們想讓它不發(fā)生的時候可以不發(fā)生，所以，我們可以運用一種中斷管理器來控制中斷。 （ 3） STC89C52 的特點和應(yīng)用 它有如下一些特點： 1）、它能跟其他的 51 系列元件很好的組合； 2）、它的 flash memory 是可以多次編程的； 第 20 頁 共 65 頁 3）、它的工作電壓很低，只有 ； 4）、可以在靜態(tài)的狀態(tài)下面工作； 5）、它的 memory 有鎖定的功能，可以防止篡改； 6）、它的輸入 /輸出數(shù)據(jù)線有 15 條之多； 7）、 Timer/Counter 都是 16 位的，并且每樣都有 2個； 8）、為了工作方便，中斷源也有 6個； 9）、它有 3個電壓比較器，且都是準(zhǔn)確度很高的高精度； 10）、它還有直接可以讓 LCD 動作的接口。 ● P2 口： P2 口跟 P1口差不多。這種單片機(jī)采用了高保密的技術(shù)制造，而且不容易丟失程序，罪重要的是它跟原來設(shè)計的單片機(jī)的輸出口等等都是兼容的。單片機(jī)采用宏晶公司生產(chǎn)的 STC89C52，該芯片是基于 51 核，馮諾依曼架構(gòu)的一款 8 位微處理器。并通過三條串行總線將量化后的 8位數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器。電容兩側(cè)并聯(lián) 100M 電阻的作用是，在交流信號峰值變化時，可以使用這個旁路將電容的電放掉，但是這個電阻不能夠取的太小，太小電容放電太快，電容兩端的電壓不穩(wěn)定，輸出的直流電壓將是一個三角波；太大，電容放電太慢，當(dāng)交流信號的峰值變化時，電路反應(yīng)時間很慢，甚至電容兩端電壓在相當(dāng)長的時間內(nèi)保持在原來的值上，從而不便于信號值的測量。 在電壓互感器中，電壓互感器測量過程中將電壓互感器并聯(lián)到單相交流電源的兩端，由于運放供電的電壓不是很高，所以在輸入給運放的電壓不易過高，由于整個系統(tǒng)需用的是 5V電壓作為供電電源，所以在本設(shè)計中選取電壓互感器的次級端串接兩個分壓電阻 R23和 R24，大小分別為 59k和 1k，采樣比為 1/60,這樣將 0220V電壓信號 U1變換得到 的交流電壓小信號 U2，用變比公式為 60/ 21 ?UU 可以求得上 面的變化比。當(dāng)計數(shù)值 T 小于 10ms，電壓信號超前電流信號，負(fù)載呈感性；當(dāng)計數(shù)值 T大于 10ms，電壓信號滯后電流信號，負(fù)載呈容性。 系統(tǒng)還設(shè)置了包括以液晶 LCD1602 和鍵盤構(gòu)成的人及交互電路，在人機(jī)交互電路中，利用指示燈指示系統(tǒng)功率因數(shù)的測量是否在正確的運行，利用液晶 1602 來顯示電網(wǎng)的電壓，電流以及功率因數(shù)等參數(shù)，也可以顯示對比補(bǔ)償前后的功率因數(shù)的變化，用于這些測量可以方便的得出補(bǔ)償前后系統(tǒng)的特性。 在本次設(shè)計中，在欠勵運行的時候，系統(tǒng)發(fā)出感性的無功功率給它吸收而起到了無功負(fù)荷的作用，可降低系統(tǒng)電壓。靜止電容器供給的無功 功率 fQ 與所在借點的電壓 V的平方成正比。 方案三：專業(yè)的芯片 ADE7763 測量方案。該方案中利用 AD0809 多通道并行采樣的特點，測量采集實時 電壓電流的信號，采用兩點乘積算法對各信號進(jìn)行計算。則：12 coscos ?? ? ，所以只要將功率因數(shù)提升后，不止能減少容量大小的設(shè)計，減少了花費，在同時還能減少它的線路損耗，這樣就可以提高電網(wǎng)中發(fā) 電設(shè)備對負(fù)荷輸送的有功功率比例。 通過建模仿真驗證該系統(tǒng)的可靠性和實用性。 2） 論文結(jié)構(gòu)安排如下： 第一部分，介紹本設(shè)計的背景，分析無功功率補(bǔ)償裝置電路背景及實用意義，同時闡明本文的機(jī)構(gòu)安排。 針對以上背景，以及現(xiàn)有產(chǎn)品的一些缺陷，本文提出一種新型簡單的技術(shù)方案以實現(xiàn)基于 51 單片機(jī)無功功率補(bǔ)償裝置，以 51 單片機(jī)為主控芯片，控制繼電器組控制補(bǔ)償電容的大小，然后通過功率因數(shù)檢測電路，電壓電流檢測模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，液晶顯示電路，鍵盤控制電路，數(shù)據(jù)儲存電路構(gòu)成的補(bǔ)償裝置，實現(xiàn)電網(wǎng)的功率因數(shù)補(bǔ)償，這種補(bǔ)償具有簡單，靈活，不容易引起電網(wǎng)的震蕩。并且不止大多數(shù)的元件需要消耗無功功率，大多數(shù)的負(fù)載同樣也需要消耗無功功率，因此，最大的不合理的地方就是這么多的無功功率如果都讓發(fā)電設(shè)備供給并讓它長距離的輸送，而且通常這種情況也不大可能。在本章中還詳細(xì)介紹了本課題的任務(wù)要求以及論文結(jié)構(gòu)的安排。 文參考獻(xiàn) .................................................... 錯誤 !未定義書簽。 針對這種情況，本課題設(shè)計了一種全自動無功補(bǔ)償裝置。主要采用 ST89C52 單片機(jī)進(jìn)行自動控制。 附錄 ........................................................ 錯誤 !未定義書簽。 選題背景 隨著持續(xù)增長的中國國民經(jīng)濟(jì) GDP(中國人民生產(chǎn)總值 ),在這個過程中，我國的電力工業(yè)取得了很大的進(jìn)步，這個進(jìn)步在平常的生活中是顯而易注的。 很多人都知道以前的無功功率補(bǔ)償裝置為并聯(lián)電容 器和同步調(diào)相機(jī)。 本設(shè)計的要求 本次設(shè)計所需要做的工作是：在無功功率補(bǔ)償裝置要求和電網(wǎng)（ 220,100A）情況下， 設(shè)計了基于 51 單片機(jī)的無功功率補(bǔ)償裝置。 第二部分，分析基于單片機(jī)無功功率補(bǔ)償?shù)脑恚λ每刂破餍酒M(jìn)行介紹。 無功功率裝置原理 電網(wǎng)的輸出功率由兩部分組成；一個是有功功率 ,一 個是無功功率。還有供電行業(yè)的運行效益主要是被線路損耗的大小所影響著。具體方法是用電氣角度2/? 為采樣間隔的樣本去采集一個周期循環(huán)內(nèi)的兩個數(shù)據(jù)，所以它所要求的數(shù)據(jù)窗寬度是四分之一個周期。利用多功能計量芯片 ADE7763 來實現(xiàn)功率因數(shù)的測量。 靜止電容器的的結(jié)構(gòu)還是比較簡單的，因為它就是由幾個部件組成的，而裝機(jī)的體積可以大點也可以根據(jù)情況搞小一點，而且又可以一起使用或者分開裝來實現(xiàn)就地補(bǔ)償無功功率。該方案因為在運行中的實際需要還有 穩(wěn)定性的要求，過勵磁的最大容量的一半左右才是欠勵磁的最大容量。 第 13 頁 共 65 頁 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 如圖 1所示中，本設(shè)計硬件電路設(shè)計包括 6大部分電路。 基于單片機(jī)的測量原理分析 本設(shè)計中利用測量方法如圖 2所示。然后經(jīng)過過零比較器器把交流電壓信號變換同相位，同頻率的方波信號，并且把這個方波信號提供單片機(jī)的外部中端口 0使用。而這一個電路中由于二極管的壓降為 ，所以利用這個原理使電容兩側(cè)電壓始終保 持為交流信號的峰值減去二極管的壓降。 如圖 7 所示， ADC0832 中使用的電壓參考源和電源共用一只腳 VCC，在本設(shè)計中，使用兩個 ADC0832 分別對電壓電流進(jìn)行采樣，采樣得到的值是 0255 的數(shù)值。顯示電路采用的是成本低廉的 LCD1602 來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)碼管顯示。所以在本次設(shè)計中， 我們選的 第 19 頁 共 65 頁 STC89C52 是一個不錯的選擇，并且這是一種很方便，有很經(jīng)濟(jì)的方案。但是當(dāng)它作為外面存儲器 的時候，在輸出地址 1，它就可以用里面的上拉電阻，當(dāng)作為外面存儲器進(jìn)行工作的時候，它就會輸出其存儲的內(nèi)容。 根據(jù)上面的介紹，我們知道，單片機(jī)有很多的好處比如體積不大，消耗的能量小，很容易和其他的設(shè)備組合起來，所以如果能跟各種傳輸設(shè)備連接，可以對各種需要進(jìn)行測量的進(jìn)行測量，比如電壓，功率等等。 定時器 在單片機(jī)的定時器里面有兩個十六位的 Timer/counter，在它們里面有些特殊的寄存器，用來存儲數(shù)據(jù)，它們都是可以被編程的，所以，我們可以通過編程用來控制這些寄存器，這樣就可以讓單片機(jī)工作在我們想要的狀態(tài)。很多個 5x1 之類的 點陣 位構(gòu)成了 1602，而每一個要顯示的東西都能被這些點陣位顯示出來，而且這些位里面無論是橫著的位還是豎之間的位都有一定的距離，這樣就有了了字符之間的行間距的用處，但是也正因為是這樣的，所以顯示出來的圖形的效果就不是很好了（用自定義 CGRAM，顯示效果也不好）。形成晶體諧振電路為單片機(jī)提供一個 12MHz 的穩(wěn)定的時鐘源。加上現(xiàn)在液晶成本低廉，在本設(shè)計中是一個很好的選 擇。在本次電路中，將單片機(jī)的 P36 和 P37 分別用來讀寫 FM24C64，可以充分利用單片機(jī)資源，先使用 I2C 協(xié)議將此款存儲器的讀寫函數(shù)寫出 來，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要存儲的時候，調(diào)用寫命令，將數(shù)據(jù)寫入到指定的存儲單元，當(dāng)要讀存儲器的數(shù)值的時候，調(diào)用讀命令將對應(yīng)存儲單元的數(shù)值賦給一個變量即可，另外在本設(shè)計中使用此款存儲電路用來存儲前一次的功率因數(shù)，并且在數(shù)據(jù)顯示的過程中，將存儲的功率因數(shù)顯示到屏幕中去。而且為了實現(xiàn)這次設(shè)計，在單片機(jī)的輸出投切信號的端口要跟 1個三極管相連，所以三極管和繼電器可以進(jìn)行同時的導(dǎo)通和斷開。 本設(shè)計中系統(tǒng)供電電源為 5V，由于運放和外部存儲單元以及 ADC 電路都屬對電源的紋波要求較高，所以系統(tǒng)供電采用線性電源。在這個軟件中，我們可以用 C語言編寫程序，生成 HEX 文件用在其他的 仿真軟件中進(jìn)行仿真。其中主程序主要完成電容的投切，數(shù)據(jù)的存儲以及顯示，中斷程序為兩個外部中斷，分別用于 ADC0832 測量系統(tǒng)的電壓以及電流，最主要的是測量電壓信號和電流信號的相位差。同時實時檢測系統(tǒng)的功率因數(shù)，并且將系統(tǒng)的功率因數(shù)校正到 以上。計數(shù)最大值為65535。 所以 ，在仿真中我們需要補(bǔ)償?shù)碾娙萑缦卤? 表 1 需求補(bǔ)償電容值 電感 (mH) 5 7 9 11 13 15功率因數(shù)補(bǔ)償前 補(bǔ)償后 需求電容值 1200uF 800uF 550uF 400uF 300uF 200uF 第 32 頁 共 65 頁 5 系統(tǒng)建模 與仿真結(jié)果分析 通過第 3 章和第 4 章設(shè)計，本文完成了系統(tǒng)硬件電路和軟件系統(tǒng)的設(shè)計。 在系統(tǒng)中，在節(jié)點 HH 處，補(bǔ)償電容 C1，實際中 C1 是電容投切電路，通過改變電容大小可以方便測量出系統(tǒng)的功率因數(shù)，由于系統(tǒng)的要求電壓為 220V，電 流為 100A，所以在系統(tǒng)中，由于要求系統(tǒng)電流為 100A，所以當(dāng)補(bǔ)償完成后，系統(tǒng)的相當(dāng)于阻性負(fù)載 RUI /? ,則可以取電阻為 ? ，而功率因數(shù)通過計算，當(dāng)系統(tǒng)的電感為 5mH 時，系統(tǒng)的功率因數(shù)為 ，當(dāng)系統(tǒng)的電感為 15mH 時，系統(tǒng)的功率因數(shù)為 ,滿足系統(tǒng)的從功率因素 補(bǔ)償?shù)? 的要求。 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析 通過上一節(jié)的分析可以知道，通過液晶可以輕松的知道，當(dāng)前的運行狀況，通過不斷的改變系統(tǒng)中的電感值，可以很方便的看到系統(tǒng)當(dāng)前的運行狀態(tài)，以及系統(tǒng)的工作情況。如下圖 19，圖 20，圖 21，圖 22，圖 23，圖 24，圖 25。詳細(xì)的仿真圖見圖 17 中所示，電壓電流均用變壓器來采取，然后通過換算得到系統(tǒng)的功率因數(shù)腳。完成本設(shè)計的系統(tǒng)調(diào)試，已驗證本設(shè)計軟硬件設(shè)計是否滿足設(shè)計要求。當(dāng)通 過外