【文章內(nèi)容簡介】 容器組 相位檢測 共 9 組 圖 11 控制器總體結(jié)構(gòu) 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件設(shè)計(jì) ８ 2. 硬件設(shè)計(jì) 對(duì)于硬件部分的設(shè)計(jì)，我本著簡單可靠的思想來設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)的對(duì)象是針對(duì)一個(gè)電力系統(tǒng)，一切當(dāng)然以穩(wěn)定安全為前提。在設(shè)計(jì)中我盡量精簡所需的單片機(jī) I/O口，這樣使我的設(shè)計(jì)中所用芯片的 數(shù)目得到減少，大大的增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)更加安全可靠。 控制面板 對(duì)于整個(gè)無功補(bǔ)償裝置對(duì)其控制的方式有兩種，一種是利用通訊模塊將單片機(jī)與上位機(jī)相連，通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無功補(bǔ)償裝置的控制，另一種是利用控制面板來實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的控制，也就是對(duì)無功補(bǔ)償裝置的控制。面板控制是利用其他與單片機(jī)的匹配的輸入設(shè)備直接對(duì)單片機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)無功補(bǔ)償裝置的控制， 要使它功能齊全，操作方便，同時(shí)又不繁復(fù)，對(duì)于面板的設(shè)計(jì)就顯得猶為重要了 。 以下是我設(shè)計(jì)的控制面板： 1 2 3 5 6 4 7 8 9 10 2 3 4 5 6 7 圖 21 控制面板外觀圖 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件設(shè)計(jì) ９ 根據(jù)設(shè)計(jì)的功能需要它大體需要有以下幾個(gè)功能： 1. 對(duì)當(dāng)前電流電壓及功率因數(shù)的顯示 2. 對(duì)當(dāng)前投切狀態(tài)的顯示。 3. 對(duì)理想功率因數(shù)的范圍設(shè)置。 圖中各編號(hào)功能如下： 1. 電網(wǎng)狀態(tài) LED 顯示：用于顯示當(dāng)前電壓值，當(dāng)前電流值，當(dāng)前功率因數(shù)值。 2. 外殼：控制面板主容器。 3. 投切狀態(tài) LED 顯示：用于顯示當(dāng)前的投切狀態(tài)，每一級(jí)電容的投切對(duì)應(yīng)一節(jié)二極管發(fā)光。 4. 按鍵 1：改變電網(wǎng)狀態(tài) LED 的顯示狀態(tài)?？墒癸@示狀態(tài)在當(dāng)前電壓值，當(dāng)前電流值，當(dāng)前功率因數(shù)之間切換。 5. 按鍵 2：切換到預(yù)設(shè)功率因數(shù)模式，并對(duì) 預(yù)設(shè)功率因數(shù)的上限進(jìn)行設(shè)定。 6. 按鍵 3：切換到預(yù)設(shè)功率因數(shù)模式，并對(duì)預(yù)設(shè)功率因數(shù)的下限進(jìn)行設(shè)定。 7. 按鍵 4：用于對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行設(shè)定的操作按鍵，每按鍵一次功率因數(shù)預(yù)設(shè)值加 1。 8. 按鍵 5：用于對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行設(shè)定的操作按鍵，每按鍵一次功率因數(shù)預(yù)設(shè)值減 1。 9. 按鍵 6：用于對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行設(shè)定的操作按鍵，每按鍵一次功率因數(shù)預(yù)設(shè)值加 。 鍵 7：用于對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行設(shè)定的操作按鍵，每按鍵一次功率因數(shù)預(yù)設(shè)值減 。 直流穩(wěn)壓電源電路 在設(shè)計(jì)中我用到的單片機(jī)，運(yùn)算放大器芯片以及各種芯片都需 要 +5V或 5V的直流穩(wěn)壓電源來供應(yīng)電源，而在實(shí)際生產(chǎn)中沒有可以直接利用的直流穩(wěn)壓電源供給，因此我利用 CW7805及 CW7905分別設(shè)計(jì) +5V和 5V兩個(gè)直流穩(wěn)壓電源。 [8] 以上為 +5V 及 5V 的電路圖。其中， CW7805 是 能輸出固定的正電壓的穩(wěn)壓器，CW7805 輸出為 +5V； CW7809 是 能輸出固定的負(fù)電壓的穩(wěn)壓器， CW7905 輸出為 5V。輸圖 22 直流穩(wěn)壓電源電路圖 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件設(shè)計(jì) １０ 入端接電容 C1可以進(jìn)一步濾除紋波，輸出端接電容 C0能改善負(fù)載的瞬態(tài)影響，使電路穩(wěn)定工作。 C C0最好采用漏電流小 的 電容，如果采用電解電容，則電容量要比圖中數(shù)值增加 10 倍 。 電壓電流互感器轉(zhuǎn)換電路 由 于需要采集電流與電壓值用于計(jì)算無功補(bǔ)償量，互感器就是必不可少的了。 互感器與變壓器類似也是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作 ， 變壓器變換的是電壓而電流互感器變換的是電流罷了 。 互感器大致可分為兩類 ： 測量用電流互感器和保護(hù)用電流互感器 。 測量用電流互感器 :測量用電流互感器主要與測量儀表配合，在線路正常工作狀態(tài)下，用來測量電流、電壓、功率等。測量用微型電流互感器主要要求： 絕緣可靠， 足夠高的測量精度， 當(dāng)被測線路發(fā)生故障出現(xiàn)的 過 大電流時(shí)互感器應(yīng)在適當(dāng)?shù)?量程內(nèi)飽和（如 500%的額定電流）以保護(hù)測量儀表。 保護(hù)電流互感器： 保護(hù)用電流互感器主要與繼電裝置配合，在線路發(fā)生短路過載等故障時(shí)，向繼電裝置提供信號(hào)切斷故障電路，以保護(hù)供電系統(tǒng)的安全。保護(hù)用微型電流互感器的工作條件與測量用互感器完全不同，保護(hù)用互感器只是在比正常電流大幾倍幾十倍的電流時(shí)才開始有效的工作。保護(hù)用互感器主要要求： 絕緣可靠， 足夠大的準(zhǔn)確限值系數(shù)， 足夠的熱穩(wěn)定性和動(dòng)穩(wěn)定性。 在本次設(shè)計(jì)中互感器起到了傳感器的作用，即作為測量用的電流電壓互感器，由于此次設(shè)計(jì)互需要用到二次互感，先利用高壓互 感器對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行一次互感，再利用普通的互感器對(duì)一次互感出的電流電壓進(jìn)行二次互感，作為因此在以下的選型中我只對(duì)第二次的互感器 （即直接焊接于電路板的電流電壓互感器）做 介紹。 二次電流互感器我選擇了 CT0630/5。 CT0630/5 型號(hào)定義： CT —— 電流互感器 06 —— 外型序號(hào) 30 —— 額定初級(jí)電流 30A 5 —— 額定次級(jí)電流 5A 1 2 3 V1 V0 地 V1 地 V0 1 2 3 CW7805 CW7905 圖 23 CW7805及 CW7905外觀 圖 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件設(shè)計(jì) １１ 二次電壓互感器我選的是 PT01C2/2。 PT01C2/2 型號(hào)定義： PT —— 電壓互感器 01 —— 外型序號(hào) C —— 電流型 2 —— 額定初級(jí)電流 2mA 2 —— 額定次級(jí)電流 2mA 型 號(hào) I/O 非線性度 相移 RL=0 （補(bǔ)償后） 線性范圍 負(fù)載電阻 PT01C2/2 2mA /2mA ＜ % ＜ 5186。 0～ 10mA ≤ 500Ω 隔離耐壓 使用溫度 貯存溫度 相對(duì)濕度 ＞ 2500Vac 50℃ ～ 65℃ 60℃ ～ 80℃ ＜ 90% 額定輸入電壓 額定輸出電壓 串聯(lián)電阻后 30V～ 1000V 50mV～ 8V（運(yùn)放輸出） (2mA) 型 號(hào) I/O 非線性度 相移 RL=0 （補(bǔ)償后） 線性范圍 負(fù)載電阻 CT0630/5 30A/5mA ＜ % ＜ 5186。 0A～ 50A ≤200Ω 隔離耐壓 使用溫度 貯存溫度 相對(duì)濕度 ＞ 2500Vac 50℃ ～ 85℃ 60℃ ～ 95℃ ＜ 95% 表 21 CT0630/5型電流互感器性能 指標(biāo) 表 22 PT01C2/2型電壓互感器性能指標(biāo) 圖 24 電壓電流互感器轉(zhuǎn)換電路圖 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件設(shè)計(jì) １２ 圖中， R 是限流電阻，需要電流信號(hào)時(shí)，調(diào)整 R 的值，使額定輸入電流接近互感器額定電流，調(diào)整圖中反饋電阻 R1 和 R2 的值可得到所需要的電壓輸出。電容 C 是 400至 1000pF 的小電容，用來耦合和濾波。當(dāng)需要電壓信號(hào)時(shí)，調(diào)整圖中反饋電阻 R1和 R2 的值可得到所需要的電壓輸出。該電流互感器是接在主回路上的電流互感器之后。 主回路的電流互感器的變化視實(shí)際使用中變壓器輸出的電流而定。當(dāng)電流較大時(shí)，可選用較大變比的電流互感器，一般有 60： 1或 100： 1 等系列可供選用。由于互感器的一個(gè)輸出和運(yùn)放的地連在一起，故共模干擾很小。 圖中所用運(yùn)算放大器視精度要求而用，使用性能較好的運(yùn)算放大器較容易達(dá)到較高的精度和較好的穩(wěn)定性。此處選用的是高精度運(yùn)放 OPA2277。它具有以下特點(diǎn)： ①超低失調(diào)電壓： 10μ V； ②超低溫漂：177。 0. 1μ V ； ③超低失調(diào)電流：≤ 1nA； ④高開環(huán)增益： 134dB； ⑤ 寬供電范圍：177。 2 V ～177。 18V； ⑥具有軌至軌的特性。 OPA2277 具有連續(xù)的供電范圍177。 2 V～177。 18V，這使它不像大多數(shù)的 OP 系列運(yùn)放局限于固定的工作電壓。而且軌至軌的特性使其輸出電壓的范圍能跟隨電源工作范圍，這就能在保證輸出電壓的大小的前提下，盡可能的減少工作電壓，達(dá)到節(jié)能的目的。由于 OPA2277 具有內(nèi)部補(bǔ)償失調(diào)電流的電路，故在使用中不需要在輸入腳上接上補(bǔ)償失調(diào)電流的電阻。 互感器的次級(jí)連接是電流轉(zhuǎn)電壓電路，該電路是將互感器的電流輸出信號(hào)變換成電壓信號(hào)，以符合 CPU采樣信號(hào)是電壓信 號(hào)的特性。 整流電路 傳感器輸出的交流電通過 整流電路送入 A/D 轉(zhuǎn)換裝置的輸入端。 整流，就是把交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程。利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷梢园逊较蚝痛笮〗蛔兊碾娏髯儞Q為直流電。 圖 25 整流電路 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件設(shè)計(jì) １３ 整流電路種類很多，它的分類方式也很多。按組成的器 件可分為不可控電路、半控電路、全控電路三種。按電路結(jié)構(gòu)可分為半波 電路和橋式電路。按電網(wǎng)交流輸入相數(shù)分為單相電路、三相電路和多相電路。按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路和雙拍電路。其中所有半波整流電路都是單拍電路，所有全波整流電路都是雙拍電路。按 控制方式可分為相控式電路和斬波式電路。按引出方式的不同分中點(diǎn)引出整流電路，橋式整流電路，帶平衡電抗器整流電路，環(huán)形整流電路，十二相整流電路。在此我選用了簡單常用的單相橋式整流電路。 單 相橋式整流電路如圖所示，圖中 負(fù)載 是要求直流供電的負(fù)載電阻，四只整流二極管 D1～ D4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。 橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⑺膫€(gè)二極管分為兩組，根據(jù)電壓的極性分別導(dǎo)通，將電壓的正極性端與負(fù)載電阻的上端相連，負(fù)極性端與負(fù)載電阻的下端相連，使負(fù)載上始終可以得到一個(gè)單方向的脈動(dòng)電壓。 為簡單 起見，二極管用理想模型來處理，即正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。 [8] 根據(jù)上述分析，通過負(fù)載的電流 I以及電壓 V的波形都是單方向的全波脈動(dòng)波形。橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時(shí)因電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導(dǎo)體整流電路中得到了頗為廣泛的應(yīng)用 。 單片機(jī) AT89C51 主體芯片我用的是 AT89C51 單片機(jī)。它不僅繼承 80C51 單片機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn)，還嫁接了先進(jìn)的 FLASH 技術(shù)，從而 成為一種特殊的內(nèi)部含 FLASH 存儲(chǔ)器的單片機(jī)。它帶有4KB閃速式存儲(chǔ)器， 128B 內(nèi)存，最大工作頻率 24MHz，具有 32條輸入輸出線， 16定時(shí) /計(jì)數(shù)器， 5 中斷源， 1個(gè)串行口該單片機(jī)性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，開發(fā)周期短，且價(jià)格低廉，非常適合于對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行智能化改造 。 AT89C51 4KB 可編程 Flash 存儲(chǔ)器（可擦寫 1000 次） 三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密 靜態(tài)工作頻率 :0Hz24MHz 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 一個(gè)串行通訊口 6 個(gè)中斷源 32 條 I/O 引線 片內(nèi)時(shí)種振蕩器 表 23 AT89C51主要性能表 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件設(shè)計(jì) １４ 引腳圖 ： 引腳介紹： Vcc 電源端 GND 接地端 XTAL1 是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端， XTAL2 則是輸出端，使用外部振蕩器時(shí)，外部振蕩信號(hào)應(yīng)直接加到 XTAL1，而 XTAL2 懸空。內(nèi)部方式時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)振蕩脈沖二分頻。晶振的頻率可以在 1MHz24MHz 內(nèi)選擇。 RST 在振蕩器運(yùn)行時(shí)，有兩個(gè)機(jī)器周期（ 24 個(gè)振蕩周期）以上的高