【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 得出補(bǔ)償前后系統(tǒng)的特性。 第 9 頁(yè) 共 65 頁(yè) 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 如圖 1所示中，本設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)包括 6 大部分電路。 功率因數(shù)測(cè)量電路 功率因數(shù)測(cè)量原理 本設(shè)計(jì)中采用 51 單片機(jī)的 INT0 和 INT1 接收的信號(hào)的時(shí)間差來(lái)測(cè)量功率因數(shù)，下面介紹功率因數(shù)測(cè)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(guó)，電網(wǎng)的交流信號(hào)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(duì)應(yīng)的時(shí)間差 t 計(jì)算求得。其計(jì)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(huì)在 0 到 5ms。當(dāng) 1T 大于 5ms，假設(shè)時(shí)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(jì)數(shù)值 T 確定負(fù)載特性。當(dāng)計(jì)數(shù)值 T小于 10ms，電壓信號(hào)超前電流信號(hào)，負(fù)載呈感性；當(dāng)計(jì)數(shù)值 T 大于 10ms，電壓信號(hào)滯后電流信號(hào)，負(fù)載呈容性。 基于單片機(jī)的測(cè)量原理分析 本設(shè)計(jì)中利用測(cè)量方法如圖 2所示。在改系統(tǒng)中主要由單片機(jī)電路，顯示電路，兩個(gè) 第 10 頁(yè) 共 65 頁(yè) 過(guò)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(shè)計(jì)中，模塊采用兩個(gè)比較器使交流小信號(hào)變換成同相位的方波信號(hào)， 在信號(hào)中，利用兩個(gè)外部中斷的中斷函數(shù)來(lái)控制定時(shí)器 1 或者 2的的啟動(dòng)或者停止，因?yàn)樽儞Q來(lái)的方波信號(hào)和原來(lái)的交流小信號(hào)具有相同的相位和周期，都是 50Hz 的信號(hào)，通過(guò)運(yùn)用定時(shí)器來(lái)計(jì)算出兩個(gè)交流信號(hào)下降沿的的時(shí)間差，就可以計(jì)算出兩個(gè)信號(hào)的相位差，通過(guò)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(shí)，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(yīng)的系統(tǒng)中。 在本設(shè)計(jì)中外部中斷都采用下降沿來(lái)開(kāi)啟中斷，進(jìn)入中斷后一個(gè)外部中斷用來(lái)開(kāi)啟定時(shí)器，另一個(gè)用來(lái)管段定時(shí)器，計(jì)算出這個(gè)時(shí)間差就完成了功 率因數(shù)的測(cè)量。 圖 3 外部中斷的時(shí)序圖 基于單片機(jī)的無(wú)功功率因數(shù)測(cè)量電路設(shè)計(jì) 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(hào)上的電壓信號(hào)和電流信號(hào)采集出來(lái)，經(jīng)過(guò)由運(yùn)放組成的過(guò)零比較器，將電壓型號(hào)和電流信號(hào)分別變換成同頻率的方波。 第 11 頁(yè) 共 65 頁(yè) 過(guò)零比較器的工作原理是當(dāng)信號(hào)在 0之上的時(shí)候，高電平就是它的輸出，而當(dāng)信號(hào)的值在 0之下的時(shí)候，低電平就是它的輸出了，這樣輸入的信號(hào)就可以轉(zhuǎn)換成原來(lái)頻率的方波信號(hào)。 在電壓互感器中，電壓互感器測(cè)量過(guò)程中將電壓互感器并聯(lián)到單相交流電源的兩端，由于運(yùn)放供電的電壓不是很高 ，所以在輸入給運(yùn)放的電壓不易過(guò)高，由于整個(gè)系統(tǒng)需用的是 5V 電壓作為供電電源，所以在本設(shè)計(jì)中選取電壓互感器的次級(jí)端串接兩個(gè)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(hào) U1變換得到 的交流電壓小信號(hào) 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(guò)過(guò)零比較器器把交流電壓信號(hào)變換同相位，同頻率的方波信號(hào)，并且把這個(gè)方波信號(hào)提供單片機(jī)的外部中端口 0使用。如圖 4所示。 T12Trans814321U4BALM339D100pFC24GNDVCC100pFC359KR231KR24GNDIP32100R26UGND 圖 4 電壓信號(hào)測(cè)量相位電路圖 在電流互感器中，電流互感器測(cè)量過(guò)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(jí)端串接兩個(gè)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(hào)通過(guò)次級(jí)的電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后可以將系統(tǒng)的 0100A 的電流信號(hào) I1轉(zhuǎn)換成 05V的電壓小信號(hào) U2。然后經(jīng)過(guò) LM339 組成的過(guò)零比較器器將此交流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成同相位方波信號(hào)，供給單片機(jī)的外部中端口 1 使用。如圖 5所示。 第 12 頁(yè) 共 65 頁(yè) T11Trans814321U4ALM339D100pFC22GNDVCC100pFC3359KR221KR33GNDIP33100R27IGND 圖 5電流號(hào)測(cè)量相位電路圖 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè) 計(jì) 交流信號(hào)的峰值檢測(cè)電路有很多種，它的作用是將交流信號(hào)的峰值通過(guò)檢測(cè)電路將交流信號(hào)變換成為一個(gè)直流信號(hào)，直流信號(hào)的電壓值為交流信號(hào)的峰值。詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)如圖 6 所示： D10C11GND100MR28U1 CH0D11C12GND100MR29I1 CH1 圖 6 峰值檢測(cè)電路 在圖 6所示電路中所示，此電路原理是通過(guò)二極管的單向?qū)ㄌ匦?，用交流信?hào)不斷的給后級(jí)電容充電，當(dāng)交流信號(hào)的電壓大于電容的電壓時(shí)，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(hào)的電壓小于電容電壓的時(shí)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(hào)的峰值。電容 兩側(cè)并聯(lián) 100M 電阻的作用是，在交流信號(hào)峰值變化時(shí)，可以使用這個(gè)旁路將電容的電放掉，但是這個(gè)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(gè)三角波；太大，電容放電太慢，當(dāng)交流信號(hào)的峰值變化時(shí)，電路反應(yīng)時(shí)間很慢，甚至電容兩端電壓在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持在原來(lái)的值上，從而不便于信號(hào)值的測(cè)量。而這一個(gè)電路中由于二極管的壓降為 ，所以利用這個(gè)原理使電容兩側(cè)電壓始終保持為交流信號(hào)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(yè) 共 65 頁(yè) 行 ADC0832 作為本設(shè)計(jì)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖中的兩個(gè) ADC 分別是測(cè)量電壓和電流的信號(hào)，具體控制信號(hào)詳見(jiàn)途中的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)。 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(shí)， ADC0832 不工作，當(dāng)為低電平的時(shí)候， ADC0832 開(kāi)始工作； CLK 端口接 P31為它的時(shí)鐘，為數(shù)據(jù)讀寫(xiě)提供時(shí)鐘源； DI 端口接 P34 為它的寫(xiě)輸入口，用來(lái)通過(guò)單片機(jī)向它寫(xiě)入一些控制命令； DO端口接 P35 為輸出端口，用來(lái)向單片機(jī)輸出采樣的結(jié)果，由于本次設(shè)計(jì)中采用的是STC89C52，它的 I/O 口既可以讀也可以寫(xiě)，所以當(dāng)端口不夠 用的時(shí)候可以將 DI和 DO用一個(gè)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(hào)處理后，將輸出的信號(hào)送給 ADC0832 來(lái)采樣，通過(guò)前級(jí)的信號(hào)調(diào)理電路中信號(hào)處理，將輸入給 ADC0832 的信號(hào)轉(zhuǎn)換成 05V 的直流電壓信號(hào)。經(jīng)過(guò) ADC 的采樣便可以求得電壓電流信號(hào)的峰值。 ADC0832 是國(guó)家半導(dǎo)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(hào)量化為數(shù)字信號(hào)。并通過(guò)三條串行總線(xiàn)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(shè)計(jì)中，使用兩個(gè) ADC0832 分別對(duì)電壓電流進(jìn)行采樣，采樣得到的值是 0255 的數(shù)值。經(jīng)過(guò)前面分析，電壓電流通過(guò)互感器得到的變比分別為 k1=60,電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的變比 k2=100,而通過(guò)圖 6變換的來(lái)的電壓信號(hào)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(hào)的有效值 U。假設(shè)測(cè)量得到的電壓對(duì)應(yīng)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(yè) 共 65 頁(yè) 上面公式的簡(jiǎn)述：由 ADC0832 的硬件設(shè)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(gè) U 就是峰值檢測(cè)電路的輸出電壓，這個(gè)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(cè)量信號(hào)的峰值， 除以 3 就為所測(cè)信號(hào)的有效值 通過(guò)式（ 4）（ 5）中的關(guān)系，可以在程序編寫(xiě)中通過(guò)化簡(jiǎn)后得到相應(yīng)的計(jì)算，從而簡(jiǎn)化單片機(jī)運(yùn)行的時(shí)間。 使用兩片 ADC0832 分別來(lái)對(duì)電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)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(cè)得每時(shí)每刻電壓電流信號(hào)。 單片機(jī)控制單元設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)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。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。顯示電路采用的是成本低廉的 LCD1602 來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)碼管顯示。 單片機(jī)的介紹 單片機(jī)是單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱(chēng)，因?yàn)樗诳刂祁I(lǐng)域的靈活和便利，所以又叫微控制器。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)個(gè)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。所以只要一些合適的硬件設(shè)備加上軟件，讓它們跟單片機(jī)組合起來(lái)，這樣就可以變?yōu)橐粋€(gè)單片機(jī)的控制系統(tǒng)。 （ 1） STC89C52 介紹： STC89C52 是 51系列單片機(jī)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(gè)組成部件還有控制 control、數(shù)據(jù) imformation、地址 add 等 3 大總線(xiàn)。中央處理器 (CPU)在整個(gè)單片機(jī)中的身份是一位“核心成員” ,這個(gè)處理器的數(shù)據(jù)寬度是八位的 ,所以對(duì)于 8位二進(jìn)制代碼來(lái)說(shuō)，處理起來(lái)得心應(yīng)手，在整個(gè)單元系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)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(yùn)算和 I/O 控制和其他的一些操作。 在本次設(shè)計(jì)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(chǔ)器。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(lái)設(shè)計(jì)的單片機(jī)的輸出口等等都是兼容的。所以在本次設(shè)計(jì)中， 我們選的 第 15 頁(yè) 共 65 頁(yè) STC89C52 是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，并且這是一種很方便，有很經(jīng)濟(jì)的方案。 如圖 8所示是常用的一種單片機(jī)，型號(hào)為 STC89C52。 圖 8 STC89C52 管腳分布 ● VCC：是為單片機(jī)運(yùn)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(shí)是八位的漏級(jí)輸入 /輸出口。如果在 P1口輸入高電平的時(shí)候，那么我們可以確定為高電阻輸入。當(dāng)進(jìn)行程序編譯的時(shí)候，它可以當(dāng)做原碼的輸入，當(dāng)運(yùn)行的時(shí)候，它就當(dāng)做原碼的輸出，這個(gè)時(shí)候它的外部就需要拉高。 ● P1 口：是一個(gè)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(dāng)它作為外面存儲(chǔ)器的時(shí)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(chǔ)器進(jìn)行工作的時(shí)候，它就會(huì)輸出其存儲(chǔ)的內(nèi)容。 ● P3 口： P3口的基本物理性質(zhì)跟 P1和 P2 差不多。當(dāng)它被輸入 1之后，就可以上拉成高電平信號(hào)，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