【正文】 信號變換成一個脈動很小的直流信號，通過 5V 的穩(wěn)壓器構(gòu)成的穩(wěn)壓電路后，輸出 5V 的直流電壓，后級接兩個電容用于穩(wěn)壓以及減少輸出電壓的的脈動。建立起這個一個系統(tǒng)供電電源后，便可以向存儲單元，單片機以及液晶，還 有 ADC和運放供電，使他們正常的工作。 在本設(shè)計中，設(shè)計的目標(biāo)是對于 220V 交流電的無功補償設(shè)計，由于系統(tǒng)要計算電容的補償量，需要對系統(tǒng)的各種阻抗分析，所以這個輔助電源最好不能接到電網(wǎng)中，接到電網(wǎng)中將給電網(wǎng)帶來很大的不確定因素，導(dǎo)致不能定量的分析，但是當(dāng)系統(tǒng)補償設(shè)計完成后，可以將這個輔助電源上掛到系統(tǒng)中。 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)境作為主機程序設(shè)計的編譯器。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 仿真軟件中進行仿真。 C 語言介紹 C 語言在發(fā)展初就是為了方便人們使用的，所以，在開始就讓它結(jié)構(gòu)化。其次，它豐富的運算和數(shù)據(jù)類型，便于實現(xiàn)各類復(fù)雜的數(shù)據(jù)解耦。不僅可用于系統(tǒng)軟件的開發(fā)，同時也適用于應(yīng)用軟件的開發(fā)。另外， C 語言還有效率高的，可移植性強等特點。例如，原來使用的匯編語言編寫的程序，由于別人編寫的程序不易被讀懂，在一段時間后再去做升級和維護就會感覺非常的不方便。但在使用和維護 C 語言編寫的程序時，就不會遇到這樣的困擾，這時候 C語言的優(yōu)勢就大大的體現(xiàn)出來了。 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。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。本節(jié)將分別對系統(tǒng)主程序設(shè)計和中斷程序設(shè)計作詳細(xì)的設(shè)計說明。同時對于電容投切理論以及程序設(shè)計進行介紹。 系統(tǒng)主程序設(shè)計 本設(shè)計中主程序流程圖如圖 13 所示。系統(tǒng)開機后首先進行初始化 ,包括定時器 ,中斷 ,ADC，存儲器以及液晶顯示器的初始化。通過初始化，將系統(tǒng)的一切外設(shè)配置好。將定時器的定時值配置好 ，初始化完成后，開啟中斷。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。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。具體如圖 15 所示。 第 28 頁 共 65 頁 開 始定 時 器 初 始 化存 儲 器 初 始 化液 晶 初 始 化ADC初 始 化開 啟 中 斷顯 示 界 面檢 測 功 率 因 數(shù)小 于 循 環(huán) 投 切 電 容 程 序儲 存 功 率 因 數(shù)結(jié) 束NY 圖 15系統(tǒng)主程序流程圖 用戶設(shè)置完成后，開啟中斷，實時測量系統(tǒng)的功率因數(shù)角以及電壓電流的信號，當(dāng)功率因數(shù)不滿足要求的時候，開啟系統(tǒng)電容投切程序，將系統(tǒng)的功率因數(shù)補償?shù)? 以上， 第 29 頁 共 65 頁 當(dāng)滿足要求后，將補償前的功率因數(shù)角存入到存儲器中，并且實時顯示當(dāng)前的電壓值電流值以及功率因數(shù)角。 系統(tǒng)中斷程序設(shè)計 本系統(tǒng)中的中斷程序 是一個非常重要的程序，程序功能包括功能因數(shù)測量和電流電壓的采集，這個程序相當(dāng)于整個系統(tǒng)的眼睛的作用。該中斷程序包括兩個外部中斷，以及定時器 1工作在定時模式，用于計量功率因數(shù)角度。兩個外部中斷分別工作在下降沿模式，用兩個外部中斷程序來控制定時器 1 的啟停，這樣根據(jù)圖 3 所示原理，就可以很方便的測量出系統(tǒng)的功率因數(shù)角度。 中斷程序流程圖如圖 16所示。 進 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 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。計數(shù)最大值為65535。定時器初值計算方法為：由于選用的 16位定時法。當(dāng)通 過外部中斷控制定時器開啟時，定時器開始定時計數(shù)，一直等到另外一個中斷來停止計數(shù)器，在這個時間段內(nèi)，定時向上累加的值便是兩個下降沿的時間差，由于系統(tǒng)的時鐘是沒 1us 計數(shù)一次，便可以方便的計算出系統(tǒng)的兩個信號對應(yīng)的相位差。每次使用定時器后需要使定時器清零，如下： TH1 = 0 第 30 頁 共 65 頁 TL1 = 0 使用外部中斷可以方便控制定時器 1 的使能 TR1 的值，從而方便的控制定時器是否開始計數(shù)，是否清零，使用這種辦法測量兩個方波信號的相位差，具有很明顯的優(yōu)勢，并且系統(tǒng)占用的自然較少，且精度較高。 在實際的測量電力系統(tǒng)的功 率因數(shù)的時候，這也是一種最為簡單最為方便的方法，特別是對于在系統(tǒng)中對于控制器成本要求比較高的環(huán)境中，這也可以很大程度上節(jié)約成本。 電容投切程序設(shè)計 電容控制透氣程序是本次程序設(shè)計中的核心程序，其中包括電容的智能增減，電容投切多少的問題。 在計算投切的過程中需要理論依據(jù)， 1? 為補償前的功率因數(shù)， 2? 是補償后的功率因素， P是系統(tǒng)的功率，則計算 需要補償?shù)碾娙菘梢杂檬?1和式 2 計算得到公式 3. )2ta n1ta n( ?? ?? PQ （ 1） CUQ ?2? （ 2） ? ??2 )2ta n1ta n( UPC ?? （ 3） 通過用公式 3就可以通過測量出需要補償?shù)碾娙葜?，在實際的計算中將電容的值分別設(shè)計為 25uF, 50uF, 100uF, 200uF, 400uF, 800uF, 1600F, 3200uF 八組電容值，計算出電容 C后，用得到的電容 C除以 25uF 就可得到一個數(shù)值 N,將這個 N直接賦給控制端 P2便可以得到相應(yīng)的電容值。 在程序設(shè)計中，通過兩個定時器中 斷測得的這兩個等效方波的時間差可以通過讀取定時器的 TH1和 TL0 來實現(xiàn)，計算公式如下： 11*2 5 6ti m e TLTH ?? (4) 當(dāng)計算出兩個方波的時間差以后，因為單片機的定時周期是 ?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償前的功率 因數(shù)為 ， 第 31 頁 共 65 頁 補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)需要補償?shù)碾娙轂椋? FUPC u1120)2tan1tan( 2 ??? ? ?? 而在仿真中，我們選擇 1200uF 進行投切，防止一些誤差。 所以 ，在仿真中我們需要補償?shù)碾娙萑缦卤? 表 1 需求補償電容值 電感 (mH) 5 7 9 11 13 15功率因數(shù)補償前 補償后 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。在本章節(jié)，本文將通過 PROTEUS 建模仿真。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。 系統(tǒng)仿真環(huán)境介紹 仿真軟件 又稱作為 EDA 工具，而其中一個很有名的軟件就是 proteus，在這個軟件里面我們可以從最開始的布置原理圖，到調(diào)試下所需要的程序和讓一些外面的硬件與 單片機 組合起來進行仿真，最后到設(shè)計一個 PCB 板，也就是說這個軟件可以真正的讓一個虛擬的概念變?yōu)橐粋€真正的電子器件，完成了由虛變實的的過程，而且 proteus 也是當(dāng)前仿真軟件領(lǐng)域中唯一的一個 3 合 1的平臺，它將原理電路軟件， PCB板布置軟件，模仿現(xiàn)實仿真這 3個非常有用的軟件組合起來了，并且 8051,8086， ARM,AVR 等等單片機都能被這個軟件的處理器支持。而且，proteus 也在不斷的進步 中，它在 2021 年的時候，又在軟件里面添加了一些功能，比如數(shù)字信號處理， Cortex 等系列的處理器。基于 Proteus 強大的仿真功能和多編譯環(huán)境的兼容性。本文選用 Proteus 作為本系統(tǒng)的建模仿真環(huán)境。 系統(tǒng)建模 系統(tǒng)的模型如圖 17 所示，一般系統(tǒng)都是感性負(fù)載，系統(tǒng)可以用一個電阻和電感串聯(lián)起來表示，模擬正常系統(tǒng)的運行，系統(tǒng)有 220V 交流源電阻，電感，電容構(gòu)成。 在系統(tǒng)中，在節(jié)點 HH 處，補償電容 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 補償?shù)? 的要求。這樣系統(tǒng)是跟實際情況相類似的，不過在仿真中沒有現(xiàn)實中的 霍爾傳感器，所以系統(tǒng)中用一個變壓器來側(cè)系統(tǒng)的電壓來換算得到系統(tǒng)的電壓電流的相位，所以串聯(lián)到系 第 33 頁 共 65 頁 統(tǒng)中的變壓器的后級會對系統(tǒng)有一定的影響，但是由于本系統(tǒng)采用的是循環(huán)掃描8組電容的方法，挑選一組最恰當(dāng)?shù)碾娙萃肚械较到y(tǒng)中，不會影響系統(tǒng)的功率因數(shù)校正。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。 20mH L150Hz220GNDR1HH100uFC1 圖 17傳系統(tǒng)建模電路圖 圖 18 傳感器建模仿真圖 根據(jù)無功補償?shù)墓ぷ髟?，本設(shè)計在 Proteus 建模仿真中，通過并聯(lián)電容可以輕松的改變系統(tǒng)的功率因數(shù)，也可以通過電壓表和電流 表清楚的知道系統(tǒng)各個節(jié)點的電壓電流值?；?51 單片機的無功補償設(shè)計的 Proteus 建模圖如圖 18所示。 根據(jù)硬件原理圖，我們可以在 Proteus 軟件中調(diào)出同樣型號的器件組成仿真系統(tǒng)。 Proteus 仿真建模原理圖詳見附錄。建立好原理圖后，將預(yù)先編譯通過的 第 34 頁 共 65 頁 程序代碼中的 HEX 文件下載如單片機中即完成整個系統(tǒng)的建模。 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。下面分別介紹系統(tǒng)的歡迎 界面，在閃爍兩次后，進入到系統(tǒng)測量顯示程序中，通過改變電感值，分別設(shè)計在歡迎界面，5mH,7mH,9mH,11mH,13mH,15mH 的仿真界面。如下圖 19，圖 20，圖 21，圖 22，圖 23，圖 24，圖 25。 圖 19 歡迎界面 圖 20 電感 5mH 的時候補償顯示 第 35 頁 共 65 頁 圖 21 電感 7mH 的時候補償顯示 圖 22 電感 9mH 的時候補償顯示 圖 23 電感 11mH 的時候顯示補償 圖 24 電感 13mH 的時候補償顯示 第 36 頁 共 65 頁 圖 25 電感 15mH 的時候補償顯示 通過上面 6個圖，我們可以分析得到，當(dāng)系統(tǒng)運行功率因數(shù)適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)的時候，系統(tǒng)可以通過循環(huán)的投切電容控制系統(tǒng)的功率因數(shù)時鐘保持在 以上，并且可以測的系統(tǒng)的母線電壓既系統(tǒng)的供電電壓為 216V 與給定值220V 近似相等，這是由于 ADC0832 采樣電路引起的誤差，不可避免，只能減少不能消除。 g an employment tribunal clai Employment tribunals sort out disagreements between employers and employees. You may need to make a claim to an employment tribunal if: ? you don39。t agree with the disciplinary action your employer has taken against you ? your emp