【文章內(nèi)容簡介】 得出補償前后系統(tǒng)的特性。 第 9 頁 共 65 頁 3 系統(tǒng)硬件電路設計 如圖 1所示中，本設計硬件電路設計包括 6 大部分電路。 功率因數(shù)測量電路 功率因數(shù)測量原理 本設計中采用 51 單片機的 INT0 和 INT1 接收的信號的時間差來測量功率因數(shù)，下面介紹功率因數(shù)測量的原理。 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。在我國，電網(wǎng)的交流信號的頻率 f 和周期 T 都是知道得，所以功率因數(shù)可以根據(jù) 電壓，電流之間相位差對應的時間差 t 計算求得。其計算公式為： 周期 fT 1? （ 1） 相位差 ?? 2??Tt （ 2） 功率因數(shù) ?cos? （ 3） 交流電頻率為 50Hz，則周期為 20ms。由于功率因數(shù)的大小在零到一之間，因此 t 會在 0 到 5ms。當 1T 大于 5ms，假設時間差為 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 確定負載特性。當計數(shù)值 T小于 10ms，電壓信號超前電流信號，負載呈感性；當計數(shù)值 T 大于 10ms，電壓信號滯后電流信號，負載呈容性。 基于單片機的測量原理分析 本設計中利用測量方法如圖 2所示。在改系統(tǒng)中主要由單片機電路，顯示電路，兩個 第 10 頁 共 65 頁 過零比較電路構(gòu)成。 圖 2 系統(tǒng)硬件電路組成框圖 在本次設計中，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)。 在得到系統(tǒng)的功率因素時，使用系統(tǒng)的顯示液晶 1602 可以輕松的講功率因數(shù)顯示在相應的系統(tǒng)中。 在本設計中外部中斷都采用下降沿來開啟中斷，進入中斷后一個外部中斷用來開啟定時器，另一個用來管段定時器，計算出這個時間差就完成了功 率因數(shù)的測量。 圖 3 外部中斷的時序圖 基于單片機的無功功率因數(shù)測量電路設計 在本系統(tǒng)中，采用電流傳感器和電壓傳感器將單相交流信號上的電壓信號和電流信號采集出來，經(jīng)過由運放組成的過零比較器，將電壓型號和電流信號分別變換成同頻率的方波。 第 11 頁 共 65 頁 過零比較器的工作原理是當信號在 0之上的時候，高電平就是它的輸出，而當信號的值在 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。 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。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的外部中端口 0使用。如圖 4所示。 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。然后經(jīng)過 LM339 組成的過零比較器器將此交流電流信號轉(zhuǎn)換成同相位方波信號，供給單片機的外部中端口 1 使用。如圖 5所示。 第 12 頁 共 65 頁 T11Trans814321U4ALM339D100pFC22GNDVCC100pFC3359KR221KR33GNDIP33100R27IGND 圖 5電流號測量相位電路圖 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設 計 交流信號的峰值檢測電路有很多種，它的作用是將交流信號的峰值通過檢測電路將交流信號變換成為一個直流信號，直流信號的電壓值為交流信號的峰值。詳細的電路設計如圖 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匦裕媒涣餍盘柌粩嗟慕o后級電容充電，當交流信號的電壓大于電容的電壓時，二極管導通，給電容充電，電容的電壓不斷升高，當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。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，當交流信號的峰值變化時，電路反應時間很慢，甚至電容兩端電壓在相當長的時間內(nèi)保持在原來的值上，從而不便于信號值的測量。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。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖 7所示，為了充分的利用控制器 I\O端口資源，本社就選用通用串 第 13 頁 共 65 頁 行 ADC0832 作為本設計的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖中的兩個 ADC 分別是測量電壓和電流的信號，具體控制信號詳見途中的網(wǎng)絡標號。 如圖 7所示， CS端口接 P30 是控制 ADC0832 的使能的，當為高電平時， ADC0832 不工作，當為低電平的時候， 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，用來向單片機輸出采樣的結(jié)果，由于本次設計中采用的是STC89C52，它的 I/O 口既可以讀也可以寫，所以當端口不夠 用的時候可以將 DI和 DO用一個引腳控制。 CS1CH02CH13GND4VCC8CLK7DI6DO5*adc0832VCCGNDP13CH1 P14P15P16CS1CH02CH13GND4VCC8CLK7DI6DO5*1adc0832VCCGNDP30CH0 P31P34P35 圖 7 ADC0832 采樣電路電路 在完成圖 6的信號處理后，將輸出的信號送給 ADC0832 來采樣，通過前級的信號調(diào)理電路中信號處理，將輸入給 ADC0832 的信號轉(zhuǎn)換成 05V 的直流電壓信號。經(jīng)過 ADC 的采樣便可以求得電壓電流信號的峰值。 ADC0832 是國家半導體公司生產(chǎn)的一款經(jīng)典的 8 位單通道 ADC 芯片。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。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。 如圖 7 所示， ADC0832 中使用的電壓參考源和 電源共用一只腳 VCC，在本設計中，使用兩個 ADC0832 分別對電壓電流進行采樣，采樣得到的值是 0255 的數(shù)值。經(jīng)過前面分析，電壓電流通過互感器得到的變比分別為 k1=60,電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號的變比 k2=100,而通過圖 6變換的來的電壓信號是峰值 mU ，這里給定的是有效值 U。則由變換公式 UU 3m?可以求得交流信號的有效值 U。假設測量得到的電壓對應數(shù)據(jù)位 Aun,n 。則由以下公式可以求得電壓和電流的值分別為： 3/*)*256n(1kU u ?? （ 4） 3/*)*256n(2kI I ?? （ 5） 第 14 頁 共 65 頁 上面公式的簡述：由 ADC0832 的硬件設施，我們可以知道它的量程為 256，而工作電壓是 5V，所以可以根據(jù) 5/256/ Un ? 算出 U，這個 U 就是峰值檢測電路的輸出電壓，這個電壓加上二極管的壓降 ，則為電壓電流傳感器輸出電壓： U1=U+，則 U1 乘以變比就為測量信號的峰值， 除以 3 就為所測信號的有效值 通過式（ 4）（ 5）中的關系，可以在程序編寫中通過化簡后得到相應的計算，從而簡化單片機運行的時間。 使用兩片 ADC0832 分別來對電壓信號和電流信號進行采樣，可以有效的避免他們之間的相互干擾，可以方便快捷的測得每時每刻電壓電流信號。 單片機控制單元設計 本設計中的控制系統(tǒng)包括單片機最小系統(tǒng)，和液晶顯示電路兩部分。單片機采用宏晶公司生產(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。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。 單片機的介紹 單片機是單片機微型計算機的簡稱，因為它在控制領域的靈活和便利，所以又叫微控制器。一般來說，一個個的集成電路芯片組成了單片機，里面含有一些基本部件：比如CPU； MEMORY； I/O 接口電路等等。所以只要一些合適的硬件設備加上軟件，讓它們跟單片機組合起來，這樣就可以變?yōu)橐粋€單片機的控制系統(tǒng)。 （ 1） STC89C52 介紹： STC89C52 是 51系列單片機的典 型產(chǎn)品，在它的內(nèi)部含有 CentralProcessingUnit 、RAM、 ROM、 Timer/counter、并行 /串行接口和中斷系統(tǒng)的幾個組成部件還有控制 control、數(shù)據(jù) imformation、地址 add 等 3 大總線。中央處理器 (CPU)在整個單片機中的身份是一位“核心成員” ,這個處理器的數(shù)據(jù)寬度是八位的 ,所以對于 8位二進制代碼來說，處理起來得心應手，在整個單元系統(tǒng)中，負責調(diào)度和管理的元件就是 CPU，并且讓它們工作在合適的位置 ,完成了運算和 I/O 控制和其他的一些操作。 在本次設計中我們選的是 STC89C52 單片機，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。這種單片機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計的單片機的輸出口等等都是兼容的。所以在本次設計中， 我們選的 第 15 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)濟的方案。 如圖 8所示是常用的一種單片機，型號為 STC89C52。 圖 8 STC89C52 管腳分布 ● VCC：是為單片機運行提供電壓的， ● GND：為了安全，所以需要有接地。 ● P0 口：這些口其實是八位的漏級輸入 /輸出口。如果在 P1口輸入高電平的時候，那么我們可以確定為高電阻輸入。當進行程序編譯的時候，它可以當做原碼的輸入，當運行的時候，它就當做原碼的輸出，這個時候它的外部就需要拉高。 ● P1 口：是一個八位的雙向輸入 /輸出口，并且可以提供上拉電阻。 ● P2 口： P2口跟 P1 口差不多。但是當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，當作為外面存儲器進行工作的時候，它就會輸出其存儲的內(nèi)容。 ● P3 口： P3口的基本物理性質(zhì)跟 P1和 P2 差不多。當它被輸入 1之后，就可以上拉成高電平信號，而且可以作為輸入 P3 口也可作為 STC89C52 的一些特殊功能口。 （ 2）振蕩器特性： XTAL1