【正文】 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，導致不能定量的分析，但是當系統(tǒng)補償設計完成后，可以將這個輔助電源上掛到系統(tǒng)中。第 32 頁 共 65 頁4 系統(tǒng)軟件設計 軟件開發(fā)環(huán)境介紹本設計中選用德國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，在開始就讓它結構化。其次，它豐富的運算和數(shù)據(jù)類型，便于實現(xiàn)各類復雜的數(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。 軟件總體設計 本設計的軟件設計主要分為主程序設計和中斷程序設計兩大部分。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)主程序設計和中斷程序設計作詳細的設計說明。同時對于電容投切理論以及程序設計進行介紹。本設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)。具體如圖15所示。圖15系統(tǒng)主程序流程圖用戶設置完成后，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，當功率因數(shù)不滿足要求的時候，開啟系統(tǒng)電容投切程序，當滿足要求后，將補償前的功率因數(shù)角存入到存儲器中，并且實時顯示當前的電壓值電流值以及功率因數(shù)角。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。圖16 外部中斷流程圖為了方便運算，本設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)的兩個信號對應的相位差。每次使用定時器后需要使定時器清零，如下：TH1 = 0TL1 = 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。 電容投切程序設計電容控制透氣程序是本次程序設計中的核心程序，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)，為補償前的功率因數(shù)，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?和式2計算得到公式3. （1） （2） （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便可以得到相應的電容值。在程序設計中，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： (4)當計算出兩個方波的時間差以后，因為單片機的定時周期是1，而工頻電壓電流信號的周期為,所以可以通過以下算式算出相位差： (5)例如：當電感取用5mH的時候，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? 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5 系統(tǒng)建模與仿真結果分析通過第3章和第4章設計，本文完成了系統(tǒng)硬件電路和軟件系統(tǒng)的設計。在本章節(jié)，本文將通過PROTEUS建模仿真。完成本設計的系統(tǒng)調(diào)試，已驗證本設計軟硬件設計是否滿足設計要求。 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也是當前仿真軟件領域中唯一的一個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2010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?；赑roteus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，所以當補償完成后，系統(tǒng)的相當于阻性負載,，而功率因數(shù)通過計算，當系統(tǒng)的電感為5mH時，當系統(tǒng)的電感為15mH時，,。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?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。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?；?1單片機的無功補償設計的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，將預先編譯通過的程序代碼中的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 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 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，當系統(tǒng)運行功率因數(shù)適當?shù)姆秶畠?nèi)的時候，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。