【正文】 負(fù)載電流的一半。由原理圖中可知，二極管承受的最大反向電壓為：= () ()考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍為10%，在實(shí)際選擇二極管時(shí)，最大流通電流和最高反向電壓應(yīng)至少有10%的余量。濾波電路經(jīng)過單項(xiàng)橋式整流電路整流以后的到得是單相脈動(dòng)電壓，包含有直流分量和交流分量。這就需要加入濾波電路對(duì)電壓進(jìn)行處理，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中在整流電路輸出端傳入電感和并聯(lián)電容進(jìn)行濾波。經(jīng)過濾波電路后減小了電路的脈動(dòng)系數(shù)，改善了電壓的質(zhì)量。通常濾波電容容量較大，因此選用電解電容，利用其充放電特性，使整流后的脈動(dòng)直流電壓變成相對(duì)比較穩(wěn)定的直流電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，電源的輸出端及一般接數(shù)十至數(shù)百微法的電解電容．本設(shè)計(jì)中全橋后選用1000μF/16v, LM78M05后用470μF/10v。三端穩(wěn)壓器經(jīng)過整流濾波的電壓還不能直接給裝置內(nèi)部器件供電，需要經(jīng)過穩(wěn)壓電路得到一個(gè)穩(wěn)定輸出的電壓。本設(shè)計(jì)中選用LM78M05型三端固定正輸出穩(wěn)壓器形成穩(wěn)壓電路，該器件能夠穩(wěn)定輸出+5V的穩(wěn)定電壓，其最大輸出電流為500mA。： LM78M05典型應(yīng)用電路圖中輸入端的電容C1，用于抵消輸入線路的電感效應(yīng)，防止電路產(chǎn)生自激震蕩，其容量一般較小。輸出端的電容C2用于消除輸出電壓中的高頻噪聲，可取小于1μF的電容。 系統(tǒng)電源監(jiān)控電路系統(tǒng)電源監(jiān)控和看門狗電路是微處理器系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，其作用為保證微處理器可靠運(yùn)行，使系統(tǒng)程序在陷入死循環(huán)等“跑飛”情況下能夠及時(shí)進(jìn)行處理器復(fù)位，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。Atmega64內(nèi)部含有硬件的可編程看門狗定時(shí)器，不需要再額外加專門的看門狗芯片，只需另加電壓監(jiān)測(cè)電路即可。系統(tǒng)的電壓監(jiān)測(cè)電路采用TCM809。 系統(tǒng)電源監(jiān)控原理圖TCM809的原理圖連線十分簡(jiǎn)單。TCM809為高性價(jià)比的系統(tǒng)電壓監(jiān)控電路，用來對(duì)數(shù)字系統(tǒng)的電源電壓VDD進(jìn)行監(jiān)控，并在必要時(shí)向主處理器提供復(fù)位信號(hào)。無需外部元件。其特點(diǎn)如下:高精度VDD監(jiān)控電路，、。140ms最小復(fù)位超時(shí)周期。，RESET輸出仍然有效。低供電電流，9μA(典型值)。VDD瞬間變化不會(huì)導(dǎo)致復(fù)位無需外部元件。推挽式復(fù)位輸出。TCM809的上述特點(diǎn)使得它能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供可靠的電壓監(jiān)控，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。當(dāng)控制器檢測(cè)到需要投、切電容器組時(shí)，通過控制繼電器進(jìn)一步控制永磁真空同步開關(guān)來完成電容器組的投入與切除。系統(tǒng)共設(shè)計(jì)有6路繼電器控制輸出。 繼電器控制輸出部分原理圖圖中PORT1為CPU的I/O口，當(dāng)PROT1為高電平時(shí)，繼電器原邊線圈沒有電流，繼電器副邊不動(dòng)作，當(dāng)PROT1為低電平時(shí)，繼電器原邊線圈有電流流過，繼電器副邊動(dòng)作，產(chǎn)生投入或者切除電容器組信號(hào)。電容器組的投入與切除是CPU通過控制繼電器進(jìn)而控制永磁真空同步開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，電容器組的投切只要CPU給一個(gè)一定寬度的脈沖信號(hào)就可以了，因此不需要CPU常時(shí)間控制繼電器的導(dǎo)通，所以CPU與繼電器之間可以不加額外的驅(qū)動(dòng)電路。由于電容器兩端電壓不宜突變，否則不但容易產(chǎn)生過大的涌流，而且會(huì)降低電容器的使用壽命，所以電容器組的投入不宜在電容器電壓和電網(wǎng)電壓差值較大時(shí)進(jìn)行，這就要求電容器組的投切盡量選擇在電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)時(shí)進(jìn)行。另外，為了避免電容器組的頻繁投切，電容器組的投切除了根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行情況之外，還應(yīng)考慮所投電容器組最近一次的投切時(shí)間，如果二者相距太近，則應(yīng)考慮延時(shí)一定時(shí)間后再進(jìn)行投切，延時(shí)時(shí)間可以設(shè)定。 硬件電路抗干擾設(shè)計(jì)無功補(bǔ)償控制器工作環(huán)境為各種各樣復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，并接到電網(wǎng)中的無功補(bǔ)償裝置勢(shì)必受到來自電網(wǎng)和周圍環(huán)境的電、磁、震動(dòng)等各種惡劣因素的影響，這些因素對(duì)無功補(bǔ)償控制器的可靠性運(yùn)行提出了更高的要求。為保證控制器的長期、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，這就要求控制器的設(shè)計(jì)必須考慮抗干擾性能。增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力應(yīng)該從硬件和軟件兩個(gè)方面來考慮。硬件電路的抗干擾性能是控制器硬件設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的因素，尤其是在包含微處理器的控制系統(tǒng)中，微處理器的程序很容易由于各種意外的干擾而不能正常運(yùn)行，致使系統(tǒng)無法正常工作，甚至?xí)a(chǎn)生意想不到的后果。微處理器控制系統(tǒng)中硬件電路抗干擾設(shè)計(jì)主要考慮系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)、系統(tǒng)輸入輸出設(shè)計(jì)、印制電路板設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。微處理器系統(tǒng)多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，由干擾引起的微處理器系統(tǒng)不能正常運(yùn)行甚至發(fā)生損壞硬件等不良后果的情況下，90%左右的干擾源來自系統(tǒng)的電源。這說明微處理器控制系統(tǒng)的供電線路是干擾的主要入侵途徑，說明了電源的抗干擾性能設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的重要性，必須給予足夠的重視以設(shè)計(jì)出一個(gè)抗干擾性能較強(qiáng)的穩(wěn)壓電源給系統(tǒng)供電?？紤]系統(tǒng)對(duì)工作電源可靠性的要求，選用工頻電源。電源所采取的加限流電阻、壓敏電阻、輸出加濾波電容等已在電源設(shè)計(jì)部分詳細(xì)介紹，這里不再贅述。系統(tǒng)干擾的另一個(gè)來源就是系統(tǒng)的輸入、輸出通道，包括模擬量輸入通道，開關(guān)量輸入、輸出通道，這些都是外界干擾串入系統(tǒng)的通道，設(shè)計(jì)電路時(shí)必須給予考慮。系統(tǒng)輸入、輸出通道的抗干擾措施比較有效的方法是加入隔離措施，如互感器隔離、光電隔離器隔離、變壓器隔離、繼電器隔離等，其宗旨就是想辦法使輸入輸出通道與外界的可能的干擾源之間的公共連線即公共地線去掉，采用光、磁等手段傳遞信號(hào)，起到隔離作用。控制器檢測(cè)電網(wǎng)參數(shù)部分與電網(wǎng)隔離措施主要是采用互感器隔離，互感器原邊和副邊沒有公共地線，通過磁藕合傳遞信號(hào)，起到良好的隔離作用。電容器狀態(tài)檢測(cè)部分采取光電隔離器隔離措施，光電隔離器的輸入輸出分別采用相互獨(dú)立的電源供電，原邊和副邊信號(hào)依靠光禍合傳遞，有很強(qiáng)的抗干擾能力。電容器組投、切控制信號(hào)輸出采取繼電器隔離，繼電器原邊和副邊沒有公共地線，通過磁禍合傳遞信號(hào)，起到良好的隔離作用。印刷電路板的抗干擾設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面:合理布局元器件，盡量按功能模塊布局，避免信號(hào)相互交叉，減少相互干擾。元器件布局盡量緊湊，減小印制電路板尺寸。模擬部分和數(shù)字部分盡量分開，減小相互之間的干擾。在條件允許的情況下，盡量加大電源線和信號(hào)線的寬度，可能的話電源線寬度大于40mil，信號(hào)線寬度大于1smil。電路板電源輸入端跨接合適的濾波電容。電路板進(jìn)行大面積敷銅。電路板中各個(gè)IC芯片靠近電源處增加退藕電容。電路板的繪制經(jīng)驗(yàn)很重要，在經(jīng)驗(yàn)不足的情況下，多參考別人的版圖，并結(jié)合上述原則，盡可能使所繪制的印制電路板取得更好的抗干擾能力和性能。5 無功補(bǔ)償控制器軟件設(shè)計(jì)微處理器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括系統(tǒng)初始化、讀取電網(wǎng)參數(shù)模塊、電容投切計(jì)算模塊、系統(tǒng)保護(hù)邏輯實(shí)現(xiàn)模塊、時(shí)鐘操作和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、通訊模塊、鍵盤和液晶顯示模塊、溫度測(cè)量模塊等幾部分組成。 系統(tǒng)軟件流程圖軟件系統(tǒng)初始化包括FO口的初始化、定時(shí)器的初始化、串口的初始化、TWI串行總線的初始化、ADC的初始化、中斷的初始化等單片機(jī)的初始化和ATT7O22A的軟件復(fù)位和校正、液晶屏的初始化等幾個(gè)部分。 系統(tǒng)初始化流程圖讀取電網(wǎng)參數(shù)模塊完成的功能包括對(duì)AtT7O22A的上電初始化和測(cè)量結(jié)果的讀取，也包括對(duì)ATT7O22A的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。ATT7022A內(nèi)部集成了一個(gè)SPI串行通訊接口，芯片工作于從機(jī)方式。對(duì)芯片的所有讀和寫操作都是通過SPI總線完成。ATT7022A每個(gè)寄存器的SPI通訊的格式是相同的，8位地址，24位數(shù)據(jù)，MSB在前，LSB在后，即數(shù)據(jù)的高位在前，低位在后。通訊開始時(shí)SCLK為低電平，CS由高到低，經(jīng)過32個(gè)時(shí)鐘脈沖SCLK，CS由低到高，完成一個(gè)寄存器的讀或?qū)懖僮?。ATT7O22A在時(shí)鐘的下降沿從DIN線上取處理器送出的數(shù)據(jù)，在上升沿從DOUT線上向處理器送出數(shù)據(jù)。SPI讀操作過程:通過SPI寫入一個(gè)8Bit的命令字節(jié)后從DOUT讀取24Bit的數(shù)據(jù)。 SPI寫操作過程:通過SPI寫入一個(gè)SBit的命令字節(jié)后繼續(xù)通過SPI寫入24Bit的數(shù)據(jù)。軟件需要對(duì)ATT7O22A進(jìn)行必要的設(shè)置操作才能夠使其按照要求正常工作。這里主要包括軟件復(fù)位和參數(shù)校準(zhǔn)工作。 SPI總線的讀寫時(shí)序圖為了在上電和處理器復(fù)位后，AT7O22A能與單片機(jī)同步工作，需要處理器對(duì)ATT7022A進(jìn)行軟件復(fù)位。ATT7022A復(fù)位信號(hào)要求復(fù)位引腳保持不少于30us寬度的低電平信號(hào)，芯片復(fù)位，SIG握手信號(hào)輸出高電平，在處理器將RESET復(fù)位引腳信號(hào)拉高，大約經(jīng)過5O0us左右，ATVT7O22A完成初始化，SIG輸出低電平信號(hào)，此后才能進(jìn)行SPI操作。為了保證測(cè)量結(jié)果能夠滿足精度要求，需要對(duì)ATT7O22A進(jìn)行必要的軟件校正，即校表。包括電壓校正、電流校正、功率增益校正等幾部分。校表就是對(duì)各相的電流增益、電壓增益、功率增益進(jìn)行補(bǔ)償，電壓校正和電流校正沒有順序上的要求，而功率增益校正有順序要求，需要在電壓校正之后進(jìn)行，否則對(duì)功率增益的校準(zhǔn)是無效的。電壓校正相對(duì)于功率增益和相位校正是獨(dú)立的，電壓校正值作為一個(gè)變換系數(shù)將采樣電壓變換為標(biāo)準(zhǔn)電壓值。電流校正相對(duì)于功率增益和相位校正也是獨(dú)立的，電流校正值作為一個(gè)變換系數(shù)將采樣電流值變換為標(biāo)準(zhǔn)電流值。功率增益校正是在功率因數(shù)為1的條件下進(jìn)行的，功率增益校正是分段進(jìn)行的，一般將功率增益分成兩段，選擇合適的校正點(diǎn)電流，使得在該區(qū)域上能夠得到滿意的功率精度。在對(duì)功率精度要求不高的情況下，也可以不對(duì)功率增益進(jìn)行分段，此時(shí)將功率增益寄存器寫統(tǒng)一的校正值即可。所有的校正都是在相應(yīng)的校表寄存器參數(shù)為零的條件下進(jìn)行的，這可以通過對(duì)ATT7O22A進(jìn)行軟件復(fù)位實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過校正，ATT7022A便可以按照要求工作，測(cè)量電網(wǎng)參數(shù)，輸出滿意的結(jié)果。軟件只要定時(shí)讀取ATT7022A相應(yīng)寄存器的值就可以了。ATT7O22A的電壓寄存器、電流寄存器、功率寄存器大約一秒鐘更新三次?？刂破鲝膽鬭T7O22A讀取的輸出數(shù)據(jù)包括:A相、B相、C相電壓有效值，A相、B相、C相電流有效值，三相分相有功功率和合相有功功率，三相分相無功功率和合相無功功率，三相分相視在功率和合相視在功率，三相分相功率因數(shù)和合相功率因數(shù)，斷相、相序、sIG握手信號(hào)標(biāo)志狀態(tài)等，根據(jù)軟件功能的需要，選取相應(yīng)的參數(shù)量進(jìn)行處理。ATT7022A的部分計(jì)量參數(shù)輸出寄存器定義見附錄三。電容器組投切計(jì)算模塊是程序的核心，該部分完成的功能是根據(jù)ATT7022A測(cè)量得到的電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)按照設(shè)定的條件經(jīng)計(jì)算、邏輯比較，確定是否進(jìn)行電容器組的投切工作。: （）功率因數(shù)的符號(hào)則由無功功率的符號(hào)來確定，即當(dāng)有功功率為正，負(fù)載為感性，無功功率為正，功率因數(shù)則為正值，當(dāng)有功功率為正，負(fù)載為容性，無功功率為負(fù)，功率因數(shù)則為負(fù)值?？刂破鞑捎霉β室驍?shù)控制和電壓限制相結(jié)合的方式工作，根據(jù)功率因數(shù)要求確定補(bǔ)償容量。本程序模塊首先判斷功率因數(shù)的符號(hào)，以確定當(dāng)前系統(tǒng)中的負(fù)載特性為感性還是容性，并根據(jù)是否允許過補(bǔ)償和期望的補(bǔ)償后系統(tǒng)功率因數(shù)值進(jìn)行計(jì)算比較，以確定投切電容。補(bǔ)償容量也可按下式確定： （）式中，Qc表示需要補(bǔ)償容量，St表示系統(tǒng)當(dāng)前視在功率，表示期望功率因數(shù),Qt表示當(dāng)前系統(tǒng)無功容量。為了更合理的進(jìn)行電容投切計(jì)算，上述計(jì)算過程結(jié)束得出一個(gè)計(jì)算結(jié)果后，并不馬上進(jìn)行容器組的投切，軟件采取連續(xù)十次計(jì)算結(jié)果取平均值的策略，以避免電容的頻繁投切，產(chǎn)生投切震蕩。程序流程如下所示。 電容器組投切流程圖 系統(tǒng)電壓、諧波，溫度保護(hù)邏輯實(shí)現(xiàn)模塊 系統(tǒng)保護(hù)邏輯實(shí)現(xiàn)模塊完成的功能主要是根據(jù)設(shè)定的要求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電壓保護(hù)、諧波保護(hù)、溫度保護(hù)等保護(hù)功能。系統(tǒng)保護(hù)功能是根據(jù)使用要求設(shè)定而工作，如果系統(tǒng)工作過程中不需要進(jìn)行保護(hù)，則該部分程序不起作用。當(dāng)電網(wǎng)電壓過高時(shí)，應(yīng)使電容器組退出或限制其運(yùn)行。過電壓動(dòng)作門限值可在(～)Ue之間可調(diào)，回差:5V。ue表示電網(wǎng)額定電壓，這里為22OV。當(dāng)電網(wǎng)線電壓高于設(shè)置值，且持續(xù)1分鐘時(shí)，不管功率因數(shù)大小均停止投入電容器組。當(dāng)電網(wǎng)線電壓高于設(shè)置值5V，且持續(xù)1分鐘時(shí)，已投的電容器分步退出，直至電壓不大于設(shè)置值5V。裝置出廠設(shè)置的默認(rèn)值為245V。 當(dāng)電網(wǎng)電壓過低時(shí)，應(yīng)使電容器組退出或限制其運(yùn)行。低電壓動(dòng)作門限值可在(～)ue之間可調(diào)，回差:5V。當(dāng)電網(wǎng)線電壓低于設(shè)置值且持續(xù)1分鐘，不管功率因數(shù)大小均停止投入電容器組。當(dāng)電網(wǎng)線電壓低于設(shè)置值23V，且持續(xù)1分鐘時(shí)，已投的電容器分步退出，直至電壓不大于設(shè)置值23V。裝置出廠設(shè)置的默認(rèn)值為19OV?？刂破骶哂兄C波保護(hù)功能，當(dāng)諧波總量超過設(shè)定值時(shí)，將電容器逐組切除。裝置出廠設(shè)置的默認(rèn)值為7W0(在5一10%范圍內(nèi)可調(diào))，回差:。計(jì)算采取快速傅立葉算法，系統(tǒng)諧波分析只要求分析到15次諧波，采樣點(diǎn)數(shù)取32點(diǎn)。溫度測(cè)量結(jié)果由MAX6675以數(shù)字量的形式給出，數(shù)據(jù)輸出采用簡(jiǎn)化的SPI協(xié)議格式，選中片選信號(hào)CS后，在SCK時(shí)鐘信號(hào)上給出連續(xù)的16個(gè)時(shí)鐘脈沖，給出脈沖的同時(shí)就可以從SO數(shù)據(jù)線上接收來自從機(jī)送來的數(shù)據(jù)了。 MAX6675數(shù)據(jù)輸出協(xié)議 MAX6675轉(zhuǎn)換結(jié)果為12位的二進(jìn)制結(jié)果，將轉(zhuǎn)換結(jié)果直接除以4即為實(shí)際的溫度值，與根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的溫度保護(hù)值相比較，如果高于設(shè)定的溫度保護(hù)值，則裝置切除全部電容器，使裝置停止運(yùn)行，如果測(cè)量溫度不高于設(shè)定的溫度保護(hù)值，則不進(jìn)行任何操作。 液晶顯示器件具有顯示信息多、體積小、重量輕、功耗低、壽命長、價(jià)格低、接口控制方便等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量和控制領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛采用，結(jié)合鍵盤的輸入操作，可以給使用者提供良好的人機(jī)界面與接口。本文闡述的控制器采用的液晶顯示模塊型號(hào)是LG128643sLY/sDY，液晶屏控制器為KSO108。KSO108內(nèi)置64x64位的顯示存儲(chǔ)器，一般應(yīng)用于小型的圖形點(diǎn)陣的液晶顯示模塊中。對(duì)于128X64點(diǎn)陣的液晶屏則需要兩塊KS0108控制器，分別控制屏幕的左半屏和右半屏。對(duì)LCD的操作根據(jù)KS0108的讀寫時(shí)序和指令表編寫寫指令函數(shù)、寫數(shù)據(jù)函數(shù)、判忙函數(shù)等底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步編寫清屏子程序、寫字母數(shù)字子程序、漢字子程序等。系統(tǒng)液晶屏共有10個(gè)頁面，其中系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)顯示屏7頁，系統(tǒng)設(shè)置屏3頁。系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)顯示