【正文】 需要對(duì)系統(tǒng)的各種阻抗分析，所以這個(gè)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(lái)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(bǔ)償設(shè)計(jì)完成后，可以將這個(gè)輔助電源上掛到系統(tǒng)中。第 32 頁(yè) 共 65 頁(yè)4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件開發(fā)環(huán)境介紹本設(shè)計(jì)中選用德國(guó)KEIL公司推出的uVision4集成開發(fā)環(huán)境作為主機(jī)程序設(shè)計(jì)的編譯器。在這個(gè)軟件中，我們可以用C語(yǔ)言編寫程序，生成HEX文件用在其他的仿真軟件中進(jìn)行仿真。 C語(yǔ)言介紹C語(yǔ)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(yùn)算和數(shù)據(jù)類型，便于實(shí)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(shí)也適用于應(yīng)用軟件的開發(fā)。另外，C語(yǔ)言還有效率高的，可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。例如，原來(lái)使用的匯編語(yǔ)言編寫的程序，由于別人編寫的程序不易被讀懂，在一段時(shí)間后再去做升級(jí)和維護(hù)就會(huì)感覺(jué)非常的不方便。但在使用和維護(hù)C語(yǔ)言編寫的程序時(shí)，就不會(huì)遇到這樣的困擾，這時(shí)候C語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)就大大的體現(xiàn)出來(lái)了。 軟件總體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)主要分為主程序設(shè)計(jì)和中斷程序設(shè)計(jì)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(chǔ)以及顯示，中斷程序?yàn)閮蓚€(gè)外部中斷，分別用于ADC0832測(cè)量系統(tǒng)的電壓以及電流，最主要的是測(cè)量電壓信號(hào)和電流信號(hào)的相位差。本節(jié)將分別對(duì)系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)和中斷程序設(shè)計(jì)作詳細(xì)的設(shè)計(jì)說(shuō)明。同時(shí)對(duì)于電容投切理論以及程序設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。本設(shè)計(jì)中主程序流程圖如圖13所示。系統(tǒng)開機(jī)后首先進(jìn)行初始化,包括定時(shí)器,中斷,ADC，存儲(chǔ)器以及液晶顯示器的初始化。通過(guò)初始化，將系統(tǒng)的一切外設(shè)配置好。將定時(shí)器的定時(shí)值配置好，初始化完成后，開啟中斷。此時(shí)ADC開始實(shí)時(shí)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(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)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(shè)置完成后，開啟中斷，實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的功率因數(shù)角以及電壓電流的信號(hào)，當(dāng)功率因數(shù)不滿足要求的時(shí)候，開啟系統(tǒng)電容投切程序，當(dāng)滿足要求后，將補(bǔ)償前的功率因數(shù)角存入到存儲(chǔ)器中，并且實(shí)時(shí)顯示當(dāng)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(gè)非常重要的程序，程序功能包括功能因數(shù)測(cè)量和電流電壓的采集，這個(gè)程序相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的眼睛的作用。該中斷程序包括兩個(gè)外部中斷，以及定時(shí)器1工作在定時(shí)模式，用于計(jì)量功率因數(shù)角度。兩個(gè)外部中斷分別工作在下降沿模式，用兩個(gè)外部中斷程序來(lái)控制定時(shí)器1的啟停，這樣根據(jù)圖3所示原理，就可以很方便的測(cè)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(yùn)算，本設(shè)計(jì)中定時(shí)器工作于方式1，采用16位定時(shí)的方式。計(jì)數(shù)最大值為65535。定時(shí)器初值計(jì)算方法為：由于選用的16位定時(shí)法。當(dāng)通過(guò)外部中斷控制定時(shí)器開啟時(shí)，定時(shí)器開始定時(shí)計(jì)數(shù)，一直等到另外一個(gè)中斷來(lái)停止計(jì)數(shù)器，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，定時(shí)向上累加的值便是兩個(gè)下降沿的時(shí)間差，由于系統(tǒng)的時(shí)鐘是沒(méi)1us計(jì)數(shù)一次，便可以方便的計(jì)算出系統(tǒng)的兩個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)的相位差。每次使用定時(shí)器后需要使定時(shí)器清零，如下：TH1 = 0TL1 = 0使用外部中斷可以方便控制定時(shí)器1的使能TR1的值，從而方便的控制定時(shí)器是否開始計(jì)數(shù)，是否清零，使用這種辦法測(cè)量?jī)蓚€(gè)方波信號(hào)的相位差，具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，并且系統(tǒng)占用的自然較少，且精度較高。 在實(shí)際的測(cè)量電力系統(tǒng)的功率因數(shù)的時(shí)候，這也是一種最為簡(jiǎn)單最為方便的方法，特別是對(duì)于在系統(tǒng)中對(duì)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(jì)電容控制透氣程序是本次程序設(shè)計(jì)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(wèn)題。在計(jì)算投切的過(guò)程中需要理論依據(jù)，為補(bǔ)償前的功率因數(shù)，是補(bǔ)償后的功率因素，P是系統(tǒng)的功率，則計(jì)算需要補(bǔ)償?shù)碾娙菘梢杂檬?和式2計(jì)算得到公式3. （1） （2） （3）通過(guò)用公式3就可以通過(guò)測(cè)量出需要補(bǔ)償?shù)碾娙葜?，在?shí)際的計(jì)算中將電容的值分別設(shè)計(jì)為25uF, 50uF, 100uF, 200uF, 400uF, 800uF, 1600F, 3200uF八組電容值，計(jì)算出電容C后，用得到的電容C除以25uF就可得到一個(gè)數(shù)值N,將這個(gè)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(jì)中，通過(guò)兩個(gè)定時(shí)器中斷測(cè)得的這兩個(gè)等效方波的時(shí)間差可以通過(guò)讀取定時(shí)器的TH1和TL0來(lái)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算公式如下： (4)當(dāng)計(jì)算出兩個(gè)方波的時(shí)間差以后，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的定時(shí)周期是1，而工頻電壓電流信號(hào)的周期為,所以可以通過(guò)以下算式算出相位差： (5)例如：當(dāng)電感取用5mH的時(shí)候，補(bǔ)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(bǔ)償?shù)碾娙轂椋? 而在仿真中，我們選擇1200uF進(jìn)行投切，防止一些誤差。所以 ，在仿真中我們需要補(bǔ)償?shù)碾娙萑缦卤? 表1 需求補(bǔ)償電容值5 系統(tǒng)建模與仿真結(jié)果分析通過(guò)第3章和第4章設(shè)計(jì)，本文完成了系統(tǒng)硬件電路和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在本章節(jié)，本文將通過(guò)PROTEUS建模仿真。完成本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)調(diào)試，已驗(yàn)證本設(shè)計(jì)軟硬件設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)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(gè)很有名的軟件就是proteus，在這個(gè)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(jī)組合起來(lái)進(jìn)行仿真，最后到設(shè)計(jì)一個(gè)PCB板，也就是說(shuō)這個(gè)軟件可以真正的讓一個(gè)虛擬的概念變?yōu)橐粋€(gè)真正的電子器件，完成了由虛變實(shí)的的過(guò)程，而且proteus也是當(dāng)前仿真軟件領(lǐng)域中唯一的一個(gè)3合1的平臺(tái)，它將原理電路軟件，PCB板布置軟件，模仿現(xiàn)實(shí)仿真這3個(gè)非常有用的軟件組合起來(lái)了，并且8051,8086，ARM,AVR等等單片機(jī)都能被這個(gè)軟件的處理器支持。而且，proteus也在不斷的進(jìn)步中，它在2010年的時(shí)候，又在軟件里面添加了一些功能，比如數(shù)字信號(hào)處理，Cortex等系列的處理器?；赑roteus強(qiáng)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(gè)電阻和電感串聯(lián)起來(lái)表示，模擬正常系統(tǒng)的運(yùn)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(diǎn)HH處，補(bǔ)償電容C1，實(shí)際中C1是電容投切電路，通過(guò)改變電容大小可以方便測(cè)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(bǔ)償完成后，系統(tǒng)的相當(dāng)于阻性負(fù)載,，而功率因數(shù)通過(guò)計(jì)算，當(dāng)系統(tǒng)的電感為5mH時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)的電感為15mH時(shí)，,。這樣系統(tǒng)是跟實(shí)際情況相類似的，不過(guò)在仿真中沒(méi)有現(xiàn)實(shí)中的霍爾傳感器，所以系統(tǒng)中用一個(gè)變壓器來(lái)側(cè)系統(tǒng)的電壓來(lái)?yè)Q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(jí)會(huì)對(duì)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(huì)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(lái)采取，然后通過(guò)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(wú)功補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟恚驹O(shè)計(jì)在Proteus建模仿真中，通過(guò)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(guò)電壓表和電流表清楚的知道系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓電流值?；?1單片機(jī)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)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(hào)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(guò)的程序代碼中的HEX文件下載如單片機(jī)中即完成整個(gè)系統(tǒng)的建模。 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析通過(guò)上一節(jié)的分析可以知道，通過(guò)液晶可以輕松的知道，當(dāng)前的運(yùn)行狀況，通過(guò)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(yùn)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(jìn)入到系統(tǒng)測(cè)量顯示程序中，通過(guò)改變電感值，分別設(shè)計(jì)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(shí)候補(bǔ)償顯示 圖21 電感7mH的時(shí)候補(bǔ)償顯示 圖22 電感9mH的時(shí)候補(bǔ)償顯示 圖23 電感11mH的時(shí)候顯示補(bǔ)償 圖24 電感13mH的時(shí)候補(bǔ)償顯示 圖25 電感15mH的時(shí)候補(bǔ)償顯示 通過(guò)上面6個(gè)圖，我們可以分析得到，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行功率因數(shù)適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)的時(shí)候，并且可以測(cè)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。