【文章內(nèi)容簡介】 ，形成過補(bǔ)狀態(tài)。 由于上述缺點(diǎn)，使得這一類自動(dòng)裝置的應(yīng)用受到很大限制。在 70年代末產(chǎn)生 的 無 功 補(bǔ) 償 方 法 晶 閘 管 投 切 電 容 器 (Thyristor Switching CapacitorTSC)技術(shù)，則可以完全克服這些缺點(diǎn)，做到無過電流、無過電壓、無電弧。同時(shí)，隨著單片機(jī)技術(shù)、液晶顯示技術(shù)的提高，為 TSC技術(shù)的應(yīng)用提供了一種高性能的控制手段，出現(xiàn)了第二代電力電容器自動(dòng)控制產(chǎn)品 單片機(jī)型功率因數(shù)自動(dòng)控制器。該代產(chǎn)品利用晶閘管作中間驅(qū)動(dòng)單元 ； 采用電容器循環(huán)投切方式 ； 動(dòng)作時(shí)間、功率因數(shù)限值可隨時(shí)調(diào)整 ； 能實(shí)時(shí)顯示電網(wǎng)功率因數(shù)值，同時(shí)顯示控制器的工作狀態(tài)、電容器組的投切情況 ； 設(shè)置了過壓、過流鎖定、強(qiáng)切環(huán)節(jié)以保護(hù)電力電容器 ； 具有軟件自診斷功能和手動(dòng) /自動(dòng)轉(zhuǎn)換功 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 49 頁 第 頁 11 能。由于采用了單片機(jī)和晶閘管技術(shù)，使控制器體積減小，性能穩(wěn)定。盡管第二代產(chǎn)品比第一代產(chǎn)品有了很大的進(jìn)步，但依然存在以下諸多問題 ： (1) 電容器的分組、接線形式和控制方式相互結(jié)合起來，形成了諸多的補(bǔ)償方案，而很多控制器不能同時(shí)適用于多 種補(bǔ)償方案。 (2) 由于采取的補(bǔ)償目標(biāo)不合理，補(bǔ)償裝置普遍存在投切振蕩問題。如以功率因數(shù)為補(bǔ)償目標(biāo)就會(huì)產(chǎn)生投切振蕩現(xiàn)象。 (3) 采樣方式不當(dāng)，會(huì)造成無功倒送。有的控制器為了降低成本和提高運(yùn)算速度，只采樣一相電壓電流信號，使得當(dāng)三相負(fù)載不平衡時(shí)，很難準(zhǔn)確測量無功功率，造成有的相過補(bǔ)，有的相欠補(bǔ)。 (4) 沒有考慮到電網(wǎng)諧波對電容器的影響，使得電容器壽命大大縮短，甚至經(jīng)常被燒毀。 (5) 補(bǔ)償速度慢，補(bǔ)償精度差。在采樣三相電壓、三相電流信號，進(jìn)行 FFT變換，計(jì)算出高次諧波電壓、諧波電流的情況下，單片機(jī)一般難 以實(shí)現(xiàn)無功功率的實(shí)時(shí)檢測和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，或者補(bǔ)償精度比較差。在這些問題當(dāng)中，電網(wǎng)諧波對并聯(lián)電容器的運(yùn)行有較大的影響。疊加在電容器的基波電流上的諧波電流，使電容器的運(yùn)行電流有效值增大，溫升增高，甚至引起過熱而降低電容器的使用壽命或使電容器損壞。加在電容器基波電壓上的諧波電壓，不僅使電容器運(yùn)行的電壓的有效值增大，而且可能使峰值電壓增大得多，使電容器在運(yùn)行中發(fā)生的局部放電不能熄滅，這往往是電容器損壞的一個(gè)主要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于諧波而損壞的電氣設(shè)備中，電容器約占 40%，因?yàn)殡娙萜骺梢允闺娋W(wǎng)諧波電流放大，有時(shí)甚至在電網(wǎng)中 產(chǎn)生諧振，使電網(wǎng)中的電氣設(shè)備受到嚴(yán)重?fù)p壞，破壞電網(wǎng)的正常運(yùn)行。電容器對電網(wǎng)諧波電流的放大是一個(gè)不可忽視的問題。電容器對諧波電流一般放大 2到 5倍，諧振時(shí)可達(dá) 30倍以上。因此，在討論諧波與電容器的相互影響時(shí)，一方面要認(rèn)識諧波對電容器的影響和電容器承受諧波的能力 ； 另一方面是要認(rèn)識電容器對諧波電流的放大作用，合理地配置電容器和電抗器，避免電氣參數(shù)匹配發(fā)生諧振。所以在用電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，必須實(shí)時(shí)監(jiān)測線路中諧波電壓和諧波電流的含量，以保證電容器的安全運(yùn)行。同時(shí)，為保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行和了解電網(wǎng)運(yùn)行的狀況，需要對電網(wǎng)的 各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并能根據(jù)需要及時(shí)地將各種測量參數(shù)送往調(diào)度監(jiān)控中心，因此在目前低壓配電網(wǎng)中，電量檢測儀得到了廣泛的應(yīng)用。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 49 頁 第 頁 12 電容投切控制器和電量檢測儀兩套裝置在低壓配電網(wǎng)中并列運(yùn)行，無論是在成本上還是在管理上都是個(gè)問題，所以本論文采用了了一種將二者合二為一的設(shè)計(jì)方法，使得裝置在投入成本上大大降低，在管理上更加靈活方便。采用單片機(jī)（ single chip Computer） 處理器，既可實(shí)現(xiàn)電量檢測儀的功能，又可實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償控制器的功能 . 本論文的主要工作 合，提出了基于單片機(jī)處理器的功率因數(shù)智能控制器整體設(shè)計(jì)方案。 ，對補(bǔ)償電容器投切的各種控制方案進(jìn)行了分析和比較，最終采用了電壓、無功功率復(fù)合控制策略。 ，完成了整個(gè)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 49 頁 第 頁 13 2 8031 單片機(jī)功能及簡介 單片機(jī)的基本概念 單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)分支，它的產(chǎn)生與發(fā)展大體同步，主要分為三個(gè)階段 ： 第一階段 (19741978)： 初級單片機(jī)階段。以 Intel公司的 MCS48為代表，這個(gè)系列的單片機(jī)在片內(nèi)集成了 8位 CPU，并行 I/O 口， 8位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、RAM等，無串行 I/O口，尋址范圍不大于 4K. 第二階段 (19781983)： 高性能單片機(jī)階段。以 MCS51系列為代表，這個(gè)階段的單片機(jī)均帶有串行 I/O口具有多級中斷處理系統(tǒng)，定時(shí)器計(jì)數(shù)器為 16位，片內(nèi) RAM和 ROM客量相對增大，且尋址范圍可達(dá) 廣泛，由于其優(yōu)良的性價(jià)比，特別適合我國的國情，故在我國得到廣泛的應(yīng)用。 第三階段 (1983年 )： 8位單片機(jī)鞏固、完善及 16位單片機(jī)推 出階段。 16位單片機(jī)除了 CUP為 16位以外，片內(nèi) RAM和 ROM的客量進(jìn)一步增大，片內(nèi) RAM增加為 232字節(jié)， ROM為 8K字節(jié)，且片內(nèi)帶有高速輸入 /輸出部件，多通道 10位 AID轉(zhuǎn)換器，具有 8級中斷等。近年來， 32位單片機(jī)也己進(jìn)入實(shí)用階段。 1． 單片機(jī)指令系統(tǒng)與匯編語言程序 前面已經(jīng)講述了單片機(jī)的幾個(gè)主要組成部分，這些部分構(gòu)成了單片機(jī)的硬件。所謂硬件（ Hardware），就是看得到，摸得到的實(shí)體。但是，光有這樣的硬件，還只是有了實(shí)現(xiàn)計(jì)算和控制功能的可能性。單片機(jī)要真正地能進(jìn)行計(jì)算和控制，還必須有軟件（ Software）的配合。軟件主要指的是各種程序。只有將各種正確的程序 “ 灌入 ” （存入）單片機(jī)，它才能有效地工作。單片機(jī)所以能自動(dòng)地進(jìn)行運(yùn)算和控制，正是由于人把實(shí)現(xiàn)計(jì)算和控制的步驟一步步地用命令的形式，即一條條指令（ Instruction）預(yù)先存入到存貯器中，單片機(jī)在 CPU的控制下，將指令一條條地取出來，并加以翻譯和執(zhí)行。就以兩個(gè)數(shù)相加這一簡單的運(yùn)算來說，當(dāng)需要運(yùn)算的數(shù)已存入存貯器后，還需要進(jìn)行以下幾步： 第一步：把第一個(gè)數(shù)從它的存貯單元（ Location）中取出來，送至運(yùn)算器。 第二步：把第二個(gè)數(shù)從它所在的存貯單元 中取出來，送至運(yùn)算器； 第三步：相加； 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 49 頁 第 頁 14 第四步：把相加完的結(jié)果，送至存貯器中指定的單元。 所有這些取數(shù)、送數(shù)、相加、存數(shù)等等都是一種操作（ Operation），我們把要求計(jì)算機(jī)執(zhí)行的各種操作用命令的形式寫下來，這就是指令。但是怎樣才能辨別和執(zhí)行這些操作呢？這是在設(shè)計(jì)單片機(jī)時(shí)由設(shè)計(jì)人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的。一條指令，對應(yīng)著一種基本操作；單片機(jī)所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機(jī)的指令系統(tǒng)（ Iustruction Set），不同種類的單片機(jī)，其指令系統(tǒng)亦不同。 使用單片機(jī)時(shí)，事先應(yīng)當(dāng)把要解決的問題編成一系列指令 。這些指令必須是選定的單片機(jī)能識別和執(zhí)行的指令。單片機(jī)用戶為解決自己的問題所編的指令程序，稱為源程序（ Source Program）。指令通常分為操作碼（ Opcode）和操作數(shù)（ Operand）兩大部分。操作碼表示計(jì)算機(jī)執(zhí)行什么操作，即指令的功能；操作數(shù)表示參加操作的數(shù)或操作數(shù)所在的地址（即操作數(shù)所存放的地方編號）。因?yàn)閱纹瑱C(jī)是一種可編程器件，只 “ 認(rèn)得 ” 二進(jìn)碼（ 0、 1）。要單片機(jī)運(yùn)作，單片機(jī)系統(tǒng)中的所有指令，都必須以二進(jìn)制編碼的形式來表示。例如，在 Intel 公司的 MCS－ 51系列單片機(jī)中，從存貯器中取出一數(shù) 到 CPU 中的累加器（在運(yùn)算器中，參與運(yùn)算、存放運(yùn)算結(jié)果的專用寄存器）的指令代碼為 74H，累加器內(nèi)容加立即數(shù)的代碼為 24H，再加上立即數(shù)代碼，累加器送數(shù)到內(nèi)部 RAM存貯器的代碼為 F6H～ F7H 等。這些指令是用十六進(jìn)制表示二進(jìn)制的機(jī)器碼。MCS－ 51單片機(jī)的字長為 8 位，有時(shí)，要完成某些操作用一個(gè)字節(jié)尚不能充分表達(dá)。所以，在指令系統(tǒng)中有單字節(jié)指令，也有多字節(jié)指令。機(jī)器碼是由一連串的 0和 1組成，沒有明顯的特征，不好記憶，不易理解，易出錯(cuò)。所以，直接用它來編寫程序十分困難。因而，人們就用一些助記符（ Mue monic） ——通常是指令功能的英文縮寫來代替操作碼，如 MCS－ 51 中數(shù)的傳送常用 MOV（ Move 的縮寫）、加法用 Add(Addition 的縮寫）來作為助記符。這樣，每條指令有明顯的動(dòng)作特征，易于記憶和理解，也不容易出錯(cuò)。用助記符來編寫的程序稱為匯編語言程序。但是，助記符編寫的程序便于人理解，可單片機(jī)卻只認(rèn)識二進(jìn)制機(jī)器代碼，因此，為了讓單片機(jī)能 “ 讀懂 ” 匯編語言程序必須再轉(zhuǎn)換成由二進(jìn)制機(jī)器碼構(gòu)成的程序，這種轉(zhuǎn)換過程，就稱為 “ 匯編 ” 。匯編可借 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 49 頁 第 頁 15 助于人工查表法來實(shí)現(xiàn)，也可借助 PC機(jī)通過所謂 “ 交叉匯編程序 ” 來完成。由機(jī)器碼構(gòu)成 的用戶程序一旦 “ 進(jìn)入 ” 了單片機(jī)，再 “ 啟動(dòng) ” 單片機(jī)，就可讓它執(zhí)行輸入程序所規(guī)定的任務(wù)。 單片機(jī) 8031的 CPU 由運(yùn)算器和控制器組成。 2． 運(yùn)算器 運(yùn)算器以完成二進(jìn)制的算術(shù) /邏輯運(yùn)算部件 ALU為核心，再加上暫存器 TMP累加器 ACC、寄存器 B、程序狀態(tài)標(biāo)志寄存器 PSW 及布爾處理器。累加器 ACC是一個(gè)八位寄存器，它是 CPU 中工作最頻繁的寄存器。在進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算時(shí)，累加器 ACC 往往在運(yùn)算前暫存一個(gè)操作數(shù)（如被加數(shù)），而運(yùn)算后又保存其結(jié)果（如代數(shù)和）。寄存器 B 主要用于乘法和除法操作。標(biāo)志寄存器 PSW也是一個(gè)八 位寄存器，用來存放運(yùn)算結(jié)果的一些特征，如有無進(jìn)位、借位等。其每位的具體含意如下所示。 PSW CY AC FO RS1 RS0 OV P 對用戶來講，最關(guān)心的是以下四位。 (1)進(jìn)位標(biāo)志 CY（ ）。它表示了運(yùn)算是否有進(jìn)位（或借位）。如果操作結(jié)果在最高位有進(jìn)位（加法）或者借位（減法），則該位為 1，否則為 0。 (2)輔助進(jìn)位標(biāo)志 AC。又稱半進(jìn)位標(biāo)志，它反映了兩個(gè)八位數(shù)運(yùn)算低四位是否有半進(jìn)位，即低四位相加（或減）有否進(jìn)位（或借位），如有則 AC 為 1狀態(tài)，否則為 0。 (3)溢出標(biāo)志位 OV。 MCS－ 51反映 帶符號數(shù)的運(yùn)算結(jié)果是否有溢出，有溢出時(shí)，此位為 1，否則為 0。 (4)奇偶標(biāo)志 P。反映累加器 ACC 內(nèi)容的奇偶性，如果 ACC 中的運(yùn)算結(jié)果有偶數(shù)個(gè) 1（如 11001100B，其中有 4個(gè) 1），則 P 為 0，否則， P=1。 PSW 的其它位，將在以后再介紹。由于 PSW 存放程序執(zhí)行中的狀態(tài)，故又叫程序狀態(tài)字 ?運(yùn)算器中還有一個(gè)按位（ bit）進(jìn)行邏輯運(yùn)算的邏輯處理機(jī)（又稱布爾處理機(jī)）。其功能在介紹位指令時(shí)再說明。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 49 頁 第 頁 16 3． 控制器 控制器是 CPU 的神經(jīng)中樞，它包括定時(shí)控制邏輯電路、指令寄存器、譯碼器、地址指針 DPTR 及程序計(jì)數(shù)器 PC、堆棧指針 SP 等。這里程序計(jì)數(shù)器 PC是由 16 位寄存器構(gòu)成的計(jì)數(shù)器。要單片機(jī)執(zhí)行一個(gè)程序，就必須把該程序按順序預(yù)先裝入存儲(chǔ)器 ROM 的某個(gè)區(qū)域。單片機(jī)動(dòng)作時(shí)應(yīng)按順序一條條取出指令來加以執(zhí)行。因此，必須有一個(gè)電路能找出指令所在的單元地址，該電路就是程序計(jì)數(shù)器 PC。當(dāng)單片機(jī)開始執(zhí)行程序時(shí)，給 PC 裝入第一條指令所在地址，它每取出一條指令（如為多字節(jié)指令，則每取出一個(gè)指令字節(jié)）， PC的內(nèi)容就自動(dòng)加 1，以指向下一條指令的地址，使指令能順序執(zhí)行。只有當(dāng)程序遇到轉(zhuǎn)移指令、子程序調(diào)用指令，或遇到中斷時(shí)（后面將介紹）， PC才轉(zhuǎn) 到所需要的地方去。 8031 CPU碢 C 指定的地址，從 ROM 相應(yīng)單元中取出指令字節(jié)放在指令寄存器中寄存，然后，指令寄存器中的指令代碼被譯碼器譯成各種形式的控制信號，這些信號與單片機(jī)時(shí)鐘振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖在定時(shí)與控制電路中相結(jié)合，形成按一定時(shí)間節(jié)拍變化的電平和時(shí)鐘，即所謂控制信息，在 CPU內(nèi)部協(xié)調(diào)寄存器之間的數(shù)據(jù)傳輸、運(yùn)算等操作。 4． 存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器是單片機(jī)的又一個(gè)重要組成部分， 是 一種存儲(chǔ)容量為 256 個(gè)單元的存儲(chǔ)器。其中每個(gè)存儲(chǔ)單元對應(yīng)一個(gè)地址， 256 個(gè)單元共有 256 個(gè)地址，用兩位 16 進(jìn)制數(shù)表示，即 存儲(chǔ)器的地址（ 00H～ FFH）。存儲(chǔ)器中每個(gè)存儲(chǔ)單元可存放一個(gè)八位二進(jìn)制信息，通常用兩位 16 進(jìn)制數(shù)來表示，這就是存儲(chǔ)器的內(nèi)容。存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元地址和存儲(chǔ)單元的內(nèi)容是不同的兩個(gè)概念，不能 混淆。 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用 MCS 系列單片機(jī)的應(yīng)用范圍很廣，根據(jù)使用情況大致可分為四大類： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 49 頁 第 頁 17 (1)單片機(jī)在智