【導(dǎo)讀】在當(dāng)今飛速發(fā)展的社會(huì)中能源供應(yīng)得到充分利用是具有很大的意義。的功率補(bǔ)償無(wú)疑是其中一個(gè)需要改善的重要課題。U與電流I存在一相角差時(shí),電流流過(guò)容性電抗或感性電抗時(shí)所形成的功率分量。需要對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)電壓無(wú)功進(jìn)行綜合控制可以保證電壓合格和無(wú)功平衡，同時(shí)還能提高電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。由于無(wú)功功率的大小不但隨時(shí)間在不斷變化，因此我利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹悄芸刂?，它利用交流采。樣，有?jiǎn)化硬件、降低成本、提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，能測(cè)量動(dòng)態(tài)交流電量等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)功功率型的控制器較完善的解決了功率因數(shù)型的缺陷。設(shè)計(jì)良好的無(wú)功型控制。補(bǔ)償裝置進(jìn)行完善的保護(hù)及檢測(cè)。它集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制判斷和控制輸出于。一身大大的增加了運(yùn)算的速度并減少了人力資源。本裝置通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)電壓和負(fù)荷電。可應(yīng)用于所有電壓等級(jí)的配電網(wǎng)，提高負(fù)荷的功率因數(shù)，降低線路損。耗，改善安裝地點(diǎn)的電壓質(zhì)量。連接有利于更方便的控制操作。

　　

【正文】 b) 阻性 wt wt wt wt wt wt wt wt wt wt wt UAB UAB IC IC 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 TΦ TΦ MA MA MB MB MC MC MD MD TA TA TD TD TA/2 wt 圖 211 相位測(cè)量原理 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件設(shè)計(jì) ２１ 相位差計(jì)算 [11]： 利用 AT89C51 單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器 T0和 T1分別測(cè)量 MC和 MD時(shí)間長(zhǎng)度。定時(shí)器 T0和 T1均工作在定時(shí)方式 1(16 位定時(shí)器 )，門(mén)控位 GATE0和 GATE1置 1，運(yùn)行控制位 TR0和 TR1置 1。當(dāng) UAB過(guò)零變正時(shí)， MC和 MD信號(hào)同為高電平，定時(shí)器 T0和 T1開(kāi)始計(jì)數(shù)。 MD變?yōu)榱銜r(shí)， T1停止計(jì)數(shù)， MC變?yōu)榱銜r(shí)， T0停止計(jì)數(shù)， INT0響應(yīng)中斷，取出定時(shí)器 T0和 T1中測(cè)量的信號(hào)寬度值，即可用來(lái)計(jì)算相位差時(shí)間 T了。與相位 φ 相對(duì)應(yīng)的時(shí)間值 T可由下式求得： ?? TTTT DA ??? 2/ （ 式 ） 其中 ?T 是考慮信號(hào)相位檢測(cè)濾波電路可能產(chǎn)生相位誤差而加的時(shí)間修正系數(shù)，它由現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)試決定，初值可設(shè)為零。 LED 顯示電路及鍵盤(pán) LED 顯示電路 對(duì)當(dāng)前電壓電流及功率因數(shù)的顯示我采用了 LED 顯示電路。 它利用半導(dǎo)體發(fā)光的器件作為光源，具有體積小、壽命長(zhǎng)、能耗低、瞬時(shí)啟動(dòng)、顏色豐富等特點(diǎn)，是一種環(huán)保節(jié) 能的冷光源。 為盡量減少所需占用的單片機(jī) I/O口我采用了 LED串聯(lián)顯示電路 。 對(duì)于當(dāng)前的投切狀態(tài)，即投入了幾級(jí)的電容，我利用 了 9個(gè)發(fā)光 二極管來(lái)顯示。由于 51單片機(jī)引腳有限因此我采用通過(guò)譯碼器 74LS154 連接單片機(jī)與 9個(gè)發(fā)光二極圖 212 串聯(lián) LED與單片機(jī)的連接 圖 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件設(shè)計(jì) ２２ 管。 74LS138 是 4/16 譯碼器，即對(duì) 4個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行譯碼。得到 16 個(gè)輸出狀態(tài)。 G1,G2為數(shù)據(jù)允許輸出端 。 A,B,C， D為譯碼信號(hào)輸出端， Y0~Y15為譯碼輸出端 。 鍵盤(pán) 前面設(shè)計(jì)的控制面板中帶一個(gè)鍵盤(pán)，這里的鍵盤(pán)我并沒(méi)有用專業(yè)的鍵盤(pán)。因?yàn)槿绻?通訊接口連接上了帶有專業(yè)鍵盤(pán)的上位機(jī)，這里設(shè)計(jì)的專業(yè)鍵盤(pán)就顯得華而不實(shí)，因此我用了幾個(gè)簡(jiǎn)單的按鍵將它們拼成了一個(gè)簡(jiǎn)易的鍵盤(pán)。下面是按鍵對(duì)單片機(jī)的接口電路圖。 我采用 8/3 編碼 器 74LS148連接單片機(jī)與按鍵。 圖 213 發(fā)光二極管與單片機(jī)的連接圖 圖 214按鍵對(duì)單片機(jī)的接口電路圖 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件設(shè)計(jì) ２３ 復(fù)位電路 幾乎所有的單片機(jī)都需要復(fù)位電路，對(duì)復(fù)位電路的基本要求是：在單片機(jī)上電時(shí)能可靠復(fù)位，在下電時(shí)能防止程序亂飛導(dǎo)致 EEPROM 中的數(shù)據(jù)被修改；另外，單片機(jī)系統(tǒng)在工作時(shí)，由于干擾等各種因素的影響，有可能出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)無(wú)法正常工作，為了克服這一現(xiàn)象，除了充分利用單片機(jī)本 身的看門(mén)狗定時(shí)器外，還需外加個(gè)看門(mén)狗電路；除此以外，有些單片機(jī)系統(tǒng)還要求在掉電瞬間單片機(jī)能將重要數(shù)據(jù)保存下來(lái)，因掉電的發(fā)生往往是很隨機(jī)的，因而此類(lèi)單片機(jī)系統(tǒng)需要電源監(jiān)控電路，在掉電剛發(fā)生時(shí)能告知單片機(jī)。 MAX813L 剛好能滿足這些要求 。 MAX813L 與 AT89C51 的連接圖如下： MAX813L 有雙列直插和貼片兩種封裝形式， 我選擇的是 雙列直插 式。 引腳功能如下： 第 1 腳為手動(dòng)復(fù)位輸入，低電平有效；第 3 腳分別為電源和地；第 4腳為電源故障輸入；第 5腳為電源故障輸出；第 6腳為看門(mén)狗輸入，第 7腳為復(fù) 位輸出，第 8腳為看門(mén)狗輸出。 該芯片具有以下主要性能特點(diǎn)： （ 1）復(fù)位輸出。系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓降低時(shí)，第 7 腳產(chǎn)生復(fù)位輸出，復(fù)位脈沖寬度的典型值為 200ms，高電平有效，復(fù)位門(mén)限的典型值為 。 （ 2）看門(mén)狗電路輸出。如果在 內(nèi)沒(méi)有觸發(fā)該電路（即第 6腳無(wú)脈沖輸入），則第 8腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)。 圖 215 MAX813L與 AT89C51的連接圖 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件設(shè)計(jì) ２４ （ 3）手動(dòng)復(fù)位輸入，低電平有效，即第 1 腳輸入一個(gè)低電平，則第 7 腳產(chǎn)生復(fù)位輸出。 （ 4） 時(shí)，第 5腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)。 MAX813L 的典型應(yīng)用電路如圖 215所示。圖中單片機(jī)以 AT89C51 為例， MAX813L的第 1腳與第 8腳相連。第 7腳接單片機(jī)的復(fù)位腳（ AT89C51 的第 9腳）；第 6 腳與單片機(jī)制 相連。在軟件設(shè)計(jì)中， 不斷輸出脈沖信號(hào)，如果因某種原因單片機(jī)進(jìn)入死循環(huán)，則 無(wú)脈沖輸出。于是 后在 MAX813L 的第 8腳輸出低電平，該低電平加到第 (1 腳，使 MAX813L 產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)有效復(fù)位，擺脫死循環(huán)的困境。另外，當(dāng)電源電壓低于限值 時(shí)， MAX813L 也產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，直至電源電壓恢復(fù)正 常，可有效防止因電源電壓較低進(jìn)單片機(jī)產(chǎn)生錯(cuò)誤的動(dòng)作。 [12] 電源故障輸入 PFI通過(guò)一個(gè)電阻分壓器監(jiān)測(cè)未穩(wěn)壓的直流電源。當(dāng) PFI 低于 時(shí)，電源故障輸出腳第 5腳 PFO 變低，可引起 AT89C51 中斷進(jìn)行電源故障處理，或?qū)⒅匾獢?shù)據(jù)保存下來(lái)。把分壓接到未穩(wěn)壓的直流電源是為了更早地對(duì)電源故障告警。 MAX813L 是一體積小、功耗低、性價(jià)比高的帶看門(mén)狗和電源監(jiān)控功能的復(fù)位芯片；它使用簡(jiǎn)單、方便。它所提供的復(fù)位信號(hào)為高電平，因而是應(yīng)用于復(fù)位信號(hào)為高電平場(chǎng)合的單片機(jī)系統(tǒng)的理想芯片。 通信電路 隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用和微機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，通信功能越來(lái)越顯的重要。這里所說(shuō)的通信是只計(jì)算機(jī)與外界的信息交換。因此，通信既包括計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間，也包括計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的信息交換。由于串行通信是在一根傳輸線上一位一位的傳送信息，所用的傳輸線少，并且可以借助現(xiàn)成的電話網(wǎng)進(jìn)行信息傳送，因此，特別適合于遠(yuǎn)距離傳輸。對(duì)于那些與計(jì)算機(jī)相距不遠(yuǎn)的人－機(jī)交換設(shè)備和串行存儲(chǔ)的外部設(shè)備如終端、打印機(jī)、邏輯分析儀、磁盤(pán)等，采用串行方式交換數(shù)據(jù)也很普遍。在實(shí)時(shí)控制和管理方面，采用多臺(tái)微機(jī)處理機(jī)組成分級(jí)分布控制系統(tǒng)中，各 CPU 之間的 通信一般都是串行方式。所以串行接口是微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)常用的接口。因此 AT89C51 與上位機(jī)之間我用的也是串聯(lián)通訊方式，并用的是 由電子工業(yè)協(xié)會(huì)（ EIA）制訂并發(fā)布的RS485 串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)。 MAX485是用于通信的低功率收發(fā)器，芯片中包含有 1個(gè)驅(qū)動(dòng)器和 1個(gè)接收器，它的電氣特性如表 26所示。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件設(shè)計(jì) ２５ 以下是 MAX485與單片機(jī) AT89C51的連接圖： 類(lèi)別 RS485 標(biāo)準(zhǔn) 可接受臺(tái)數(shù) 32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器 最大傳送速率（ 12m） 10Mbps 最大傳送速率（ 120m） 1 Mbps 最大傳送速率（ 1200m） 100kbps 接受器輸入電壓 7～ +12V 驅(qū)動(dòng)器輸出電壓（有負(fù)載） 177。 5V 驅(qū)動(dòng)器輸出電壓（無(wú)負(fù)載） 177。 接受器輸入敏感度 177。 200mA 驅(qū)動(dòng)器負(fù)載電阻 54Ω 接受器輸入電阻 12KΩ 最大傳送距離 1200m 通訊 方式 數(shù)據(jù)率（ Mbps） 轉(zhuǎn)換率限制 低功耗關(guān)機(jī) 接受器 /驅(qū)動(dòng)器使能 靜態(tài)電流/mA 總線上收發(fā)器數(shù)目 管腳數(shù) 雙半工 No No Yes 300 32 8 表 27 RS485通訊標(biāo)準(zhǔn) 表 26 MAX485電氣特性 圖 216 MAX485與單片機(jī) AT89C51的連接圖 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件設(shè)計(jì) ２６ MAX485芯片由 8個(gè)管腳組成，其功能如下 a． RO腳 (接收器輸出端 )：若 A比大 200 mV， RO為高；若 A比 B小 200 mV， RO為低。 b． RE腳 (接收器輸出使能端 )： RE為低時(shí)， RO有效； RE為高時(shí)， RO成高阻狀態(tài)。 c． DE腳 (驅(qū)動(dòng)器輸出使能端 )：若 DE為高，驅(qū)動(dòng)輸出 A和 R有效；若 DE為低，它們成高 阻狀態(tài)，若驅(qū)動(dòng)器輸出有效，器件作為線驅(qū)動(dòng)器用；若為高阻狀態(tài)時(shí)， RE為低，它們作線接收器用。 d． DI腳： (驅(qū)動(dòng)器輸入 )： DI為低，將迫使輸出 Y為低， z為高；若 DI為高，將迫使輸出 Y為高， z為低。 e． GND腳：接地。 f． B腳：反相接收器輸入和 反相驅(qū)動(dòng)器輸出。 g． A腳：同相接收器輸入和同相驅(qū)動(dòng)器輸出。 h． Vcc：電源正極 ～ V。 RS485最大的優(yōu)點(diǎn)在于它的多點(diǎn)總線互連功能，它可以連接 1臺(tái)主機(jī)和多臺(tái)終端同時(shí)通信，由于它是半雙工的方式，只能有一方發(fā)送，一方接收，而且它采用差動(dòng)電平接收的方法提高抗干擾能力，適合在比較惡劣的環(huán)境下工作。 [13] 投切電容電路 投切電容的選擇 現(xiàn)在的無(wú)功補(bǔ)償投切裝置種類(lèi)很多，目前，國(guó)內(nèi)的電容投切裝置所采用的開(kāi)關(guān)元件可分為四大類(lèi)：機(jī)械式接觸器投切電容器裝置（ MSC） ： 接觸 器投入過(guò)程中，電容器的初始電壓為零，觸點(diǎn)閉合瞬間，絕大多數(shù)情況下電網(wǎng)電壓不為零、有時(shí)可能處在高峰值，（極少為零），因而產(chǎn)生非常大的電流，也就是常說(shuō)的合閘涌流。優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低，初期投入成本少，無(wú)漏電流。缺點(diǎn)：涌流大，壽命短，故障多，維修費(fèi)用高 ；電子式無(wú)觸點(diǎn)可控硅投切電容器裝置（ TSC） ： 可控硅投切電容器，是利用了電子開(kāi)關(guān)反應(yīng)速度快的特點(diǎn)。采用過(guò)零觸發(fā)電路，檢測(cè)當(dāng)施加到可控硅兩端電壓為零時(shí)，發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，可控硅導(dǎo)通。此時(shí)電容器的電壓與電網(wǎng)電壓相等，因此不會(huì)產(chǎn)生合閘涌流，解決了接觸器合閘涌流的問(wèn)題。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)涌流，無(wú) 觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，維修少，投切速度快（ 5ms 之內(nèi)）。缺點(diǎn)：價(jià)格高（首期投入為接觸器的 6 倍左右）發(fā)熱嚴(yán)重，耗能，有漏電流 ； 復(fù)合開(kāi)關(guān)投切電容裝置（ TSC + MSC）復(fù)合開(kāi)關(guān)投切裝置工作原理是先由可控硅在電壓過(guò)零時(shí)投入電容器，然后再由磁保持交流接觸器觸點(diǎn)并聯(lián)閉合，可控硅退出，電容器在磁保持繼電器觸點(diǎn)閉合下運(yùn)行。因而實(shí)現(xiàn)了投入無(wú)涌流運(yùn)行不發(fā)熱的目的。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)涌流，不發(fā)熱，節(jié)能。缺點(diǎn)：價(jià)格為接觸器的 5 倍，壽命短，故障較多，有漏電流，投切速度 s左右 ； 無(wú)涌流電容投切器（ TSC + MSC）無(wú)涌流電容投切器是用無(wú) 觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)在電壓過(guò)零時(shí)投入電容器，然后轉(zhuǎn)接到專用接觸器下運(yùn)行，不發(fā)熱。其特點(diǎn)是無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的額定電流是電容器額定電流相同，耐壓為東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件設(shè)計(jì) ２７ 1600V。專用接觸器的機(jī)械壽命和電壽命為 100 萬(wàn)次，因而保證了其工作的可靠性和穩(wěn)定性 ， 節(jié)能效果明顯。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)涌流，不發(fā)熱，節(jié)能，安全，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)：價(jià)格為接觸器的 3倍左右，投切速度 。 [5] 第二第三種投切方式雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，如投切速度快，節(jié)能，壽命長(zhǎng)等，但他在高壓電力系統(tǒng)中卻并不實(shí)用。首先，高壓電力系統(tǒng)的電壓很高，基于晶閘管的 TSC，TSC + MSC投切方式由于受晶閘管 的在高壓條件下物理特性的限制安全存在著隱患。其次高壓電力系統(tǒng)的 無(wú)功量比較穩(wěn)定，不需頻繁投切補(bǔ)償 電容， 接觸器投切電容器裝置 投切裝置完全能夠勝任。因此我選擇了傳統(tǒng)的機(jī)械式 接觸器投切電容器裝置 。由于單片機(jī)的輸出電壓很小，并不能夠直接繼電器來(lái)控制投切，因此我只能利用單片機(jī)來(lái)首先觸發(fā)晶閘管，再由晶閘管來(lái)觸發(fā)接觸器，由接觸器帶動(dòng)繼電器來(lái)控制投切。 雙向晶閘管投切電容 雙向晶閘管簡(jiǎn)稱 BCR，具有雙向可控導(dǎo)通的特性，所以可用于交流無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)或調(diào)壓電路使用。它相當(dāng)于兩只反向并聯(lián)工作的單向晶閘管。雙向 晶閘管也是一種三端器件，只要控制一個(gè) G極就可以實(shí)現(xiàn)雙向觸發(fā)。 投切電容電路采用整數(shù)斑駁控制（即過(guò)零觸發(fā)）方式來(lái)控制電容全投入（或全切除）。這種補(bǔ)償器實(shí)際上是用可快速通斷的晶閘管代替金屬接觸器開(kāi)關(guān)，以克服投切電容器時(shí)響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)。顯然，若閉鎖晶閘管的門(mén)控觸發(fā)脈沖，則電容器組被切除。在晶閘管控制的純電容電路中，當(dāng)回路的電流在過(guò)零的瞬間被阻斷時(shí)，對(duì)應(yīng)電容兩端的電壓等于所連接交流母線上的電壓