【正文】 圖 19 歡迎界面 圖 20 電感 5mH 的時(shí)候補(bǔ)償顯示 第 31 頁(yè) 共 65 頁(yè) 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 第 32 頁(yè) 共 65 頁(yè) 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，系統(tǒng)可以通過(guò)循環(huán)的投切電容控制系統(tǒng)的功率因數(shù)時(shí)鐘保持在 以上，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。建立好原理圖后，將預(yù)先編譯通過(guò)的 第 30 頁(yè) 共 65 頁(yè) 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。 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(wú)功補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟?，本設(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。 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。 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(kāi)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。 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： 11*256tim e TLTH ?? (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 ?1T 1 m? ，而工頻電壓電流信號(hào)的周期為 ST ? ,所以可以通過(guò)以下算式算出相位差 ? ： ?? 2**time21T T? (5) 例如：當(dāng)電感取用 5mH 的時(shí)候，此時(shí)可以通過(guò)仿真然間求得補(bǔ)償前的功率因數(shù)為 ， 第 27 頁(yè) 共 65 頁(yè) 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? FUPC u11 20)2ta n1ta n( 2 ??? ? ?? 而在仿真中，我們選擇 1200uF 進(jìn)行投切，防止一些誤差。每次使用定時(shí)器后需要使定時(shí)器清零，如下： TH1 = 0 第 26 頁(yè) 共 65 頁(yè) TL1 = 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(kāi)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。 進(jìn) 入 外 部 中 斷 0定 時(shí) 器 1 清 零啟 動(dòng) 定 時(shí) 器 1使 中 斷 指 示 燈 閃 爍跳 出 中 斷進(jìn) 入 外 部 中 斷 1關(guān) 閉 定 時(shí) 器 1轉(zhuǎn) 換 計(jì) 數(shù) 值測(cè) 量 電 壓 電 流跳 出 中 斷 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。 系統(tǒng)中斷程序設(shè)計(jì) 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。此時(shí) ADC 開(kāi)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。 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中主程序流程圖如圖 13 所示。 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。不僅可用于系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)，同時(shí)也適用于應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。 第 23 頁(yè) 共 65 頁(yè) 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件開(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境作為主機(jī)程序設(shè)計(jì)的編譯器。通過(guò)工頻變壓器將電壓降壓到 9V后，整流濾波為直流電，然后再經(jīng)過(guò) 5V 的三端穩(wěn)壓器將電壓穩(wěn)定為 5V的直流電壓輸出為信號(hào)調(diào)理電路，單片機(jī)電路等整個(gè)系統(tǒng)供電。在本次設(shè)計(jì)中選取 8路此種電容投切電路并聯(lián)，由于電容并聯(lián)是相當(dāng)于容值相加，所以選取不同容值到投切到電路中，可以組成一系列的電容值，可以方便的程序的控制。 單元電路 原理圖如圖 12 所示。 SSR50DA 的控制電壓大概是 3到 32 伏特的直流電壓 ,因此，要讓它正常的運(yùn)行，那么需要在輸入端加上 1個(gè) TTL 信號(hào)。把功率因素從 到 的所有情況都整理出來(lái)，計(jì)算出電容值，用來(lái)確定電容容量的具體的分配。 GNDVCCGNDP36P37VCC10KR3010KR31A01A12A23VSS4SDA5SCL6WP7VDD8FM24C64 圖 11 存儲(chǔ)電路圖 在本次設(shè)計(jì)中，采用工業(yè)上傳統(tǒng)的二線接口，通過(guò) I2C 協(xié)議進(jìn)行通信，由于本次設(shè)計(jì)中擁有大量的需要單片機(jī)控制的電路，所以使用此種存儲(chǔ)器可以有效的解決單片機(jī) I/O口不夠用的情況。在這次設(shè)計(jì)中， P0 口作為顯示電路的輸出口，因?yàn)檩敵隹陔娐返氖羌姌O開(kāi)路，所以可以當(dāng)做液晶的數(shù)據(jù)端口。同時(shí)液晶顯示顯得更人性化。這樣單片機(jī)就能及時(shí)的捕捉到傳感器信號(hào)。配合兩個(gè)起振電容 C2,C3。 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 如圖 10 所示為系統(tǒng)控制電路系統(tǒng)電路原理圖。 26 個(gè)字母、 10 個(gè)數(shù)字、還有不同的符號(hào)等這些都能被它顯示出來(lái)。而用來(lái)對(duì) Timer 進(jìn)行控制，使它工作在我們需要的方式的寄存器是 TMOD，而用來(lái)控制 Timer 的兩個(gè)寄存器 T0和 T1的動(dòng)作則是 TCON。并且由外部中斷的原理來(lái)說(shuō)，外部中斷在我們想讓它不發(fā)生的時(shí)候可以不發(fā)生，所以，我們可以運(yùn)用一種中斷管理器來(lái)控制中斷。處理器在正常的運(yùn)行中的時(shí)候，如果外面有個(gè)中斷的請(qǐng)求道那里面，就能夠很迅速的地進(jìn)行反應(yīng)，而在反應(yīng)完成后又可以馬上回到斷點(diǎn)，繼續(xù)去完成原來(lái)未完成的事。 （ 3） STC89C52 的特點(diǎn)和應(yīng)用 它有如下一些特點(diǎn)： 1）、它能跟其他的 51系列元件很好的組合； 2）、它的 flash memory 是可以多次編程的； 第 16 頁(yè) 共 65 頁(yè) 3）、它的工作電壓很低，只有 ； 4）、可以在靜態(tài)的狀態(tài)下面工作； 5）、它的 memory 有鎖定的功能，可以防止篡改； 6）、它的輸入 /輸出數(shù)據(jù)線有 15 條之多； 7）、 Timer/Counter 都是 16 位的，并且每樣都有 2 個(gè)； 8）、為了工作方便，中斷源也有 6個(gè)； 9）、它有 3個(gè)電壓比較器，且都是準(zhǔn)確度 很高的高精度； 10）、它還有直接可以讓 LCD 動(dòng)作的接口。 （ 2）振蕩器特性： XTAL1 口是反向放大器的的輸入口，而另外一個(gè)口 XTAL2 是反向放大器的輸出口。 ● P2 口： P2 口跟 P1口差不多。 ● P0 口：這些口其實(shí)是八位的漏級(jí)輸入 /輸出口。這種單片機(jī)采用了高保密的技術(shù)制造，而且不容易丟失程序，罪重要的是它跟原來(lái)設(shè)計(jì)的單片機(jī)的輸出口等等都是兼容的。所以只要一些合適的硬件設(shè)備加上軟件，讓它們跟單片機(jī)組合起來(lái)，這樣就可以變?yōu)橐粋€(gè)單片機(jī)的控制系統(tǒng)。單片機(jī)采用宏晶公司生產(chǎn)的 STC89C52，該芯片是基于 51 核 ，馮諾依曼架構(gòu)的一款 8 位微處理器。假設(shè)測(cè)量得到的電壓對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)位 Aun,n 。并通過(guò)三條串行總線將量化后的 8位數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器。 CS1CH02CH13GND4VCC8CLK7DI6DO5*adc0832VCCGNDP13CH1 P14P15P16CS1CH02CH13GND4VCC8CLK7DI6DO5*1adc0832VCCGNDP30CH0 P31P34P35 圖 7 ADC0832 采樣電路電路 在完成圖 6 的信號(hào)處理后，將輸出的信號(hào)送給 ADC0832 來(lái)采樣，通過(guò)前級(jí)的信號(hào)調(diào)理電路中信號(hào)處理，將輸入給 ADC0832 的信號(hào)轉(zhuǎn)換成 05V的直流電壓信號(hào)。電容 兩側(cè)并聯(lián) 100M 電阻的作用是，在交流信號(hào)峰值變化時(shí)，可以使用這個(gè)旁路將電容的電放掉，但是這個(gè)電阻不能夠取的太小，太小電容放電太快，電容兩端的電壓不穩(wěn)定，輸出的直流電壓將是一個(gè)三角波；太大，電容放電太慢，當(dāng)交流信號(hào)的峰值變化時(shí)，電路反應(yīng)時(shí)間很慢，甚至電容兩端電壓在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持在原來(lái)的值上，從而不便于信號(hào)值的測(cè)量。然后經(jīng)過(guò) LM339 組成的過(guò)零比較器器將此交流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成同相位方波信號(hào)，供給單片機(jī)的外部中端口 1 使用。 在電壓互感器中，電壓互感器測(cè)量過(guò)程中將電壓互感器并聯(lián)到單相交流電源的兩端，由于運(yùn)放供電的電壓不是很高 ，所以在輸入給運(yùn)放的電壓不易過(guò)高，由于整個(gè)系統(tǒng)需用的是 5V 電壓作為供電電源，所以在本設(shè)計(jì)中選取電壓互感器的次級(jí)端串接兩個(gè)分壓電阻 R23和 R24，大小分別為 59k和 1k，采樣比為 1/60,這樣將 0220V電壓信號(hào) U1變換得到 的交流電壓小信號(hào) U2，用變比公式為 60/ 21 ?UU 可以求得上面的變化比。 在得到系統(tǒng)的功率因素時(shí)，使用系統(tǒng)的顯示液晶 1602 可以輕松的講功率因數(shù)顯示在相應(yīng)的系統(tǒng)中。當(dāng)計(jì)數(shù)值 T 小于 10ms，電壓信號(hào)超前電流信號(hào)，負(fù)載呈感性；當(dāng)計(jì)數(shù)值 T 大于 10ms，電壓信號(hào)滯后電流信號(hào)，負(fù)載呈容性。在我國(guó)，電網(wǎng)的交流信號(hào)的頻率 f 和周期 T 都是知道得，所以功率因數(shù)可以根據(jù) 電壓，電流之間相位差對(duì)應(yīng)的時(shí)間差 t 計(jì)算求得。 系統(tǒng)還設(shè)置了包括以液晶 LCD1602 和鍵盤構(gòu)成的人及交互電路，在人機(jī)交互電路中，利用指示燈指示系統(tǒng)功率因數(shù)的測(cè)量是否在正確的運(yùn)行，利用液晶 1602 來(lái)顯示電網(wǎng)的電壓，電流 以及功率因數(shù)等參數(shù)，也可以顯示對(duì)比補(bǔ)償前后的功率因數(shù)的變化，用于這些測(cè)量可以方便的得出補(bǔ)償前后系統(tǒng)的特性。如圖 1 所示為系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)。 在本次設(shè)計(jì)中，在欠勵(lì)運(yùn)行的時(shí)候，系統(tǒng)發(fā)出感性的無(wú)功功率給它吸收而起到了無(wú)功負(fù)荷的作用，可降低系統(tǒng)電壓。 該方法很有經(jīng)濟(jì)性和靈活性，而且它的損耗低，并且安裝和維護(hù)都很方便，所以，在實(shí)際中我們也經(jīng)常用到。靜止電容器供給的無(wú)功功率 fQ 與所在借點(diǎn)的電壓 V的平方成正比。然而，由于使用專業(yè)的測(cè)量芯片，在電路中與微控制器連接起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但是電路成本 比較高，并且在控制過(guò)程中，對(duì)于微控制器要求也比較高，數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)要求也比較多，在實(shí)際中使用成本較高，軟件難度也比較大。 方案三：專業(yè)的芯片 ADE7763 測(cè)量方案。這個(gè)時(shí)間一般由單片機(jī)的定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方案中利用 AD0809 多通道并行采樣的特點(diǎn)，測(cè)量采集實(shí)時(shí)電壓電流的信號(hào)，采用兩點(diǎn)乘積算法對(duì)各信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。利用電壓電流互感器將電網(wǎng)中的電壓電流轉(zhuǎn)換成信號(hào)調(diào)理電路可以處理的電壓電流值，利用比較器構(gòu)成的過(guò)零比較電路將正弦波轉(zhuǎn)換成同相位的電路，將兩個(gè)方波信號(hào)分別接入到單片機(jī)的外部中斷中，通過(guò)測(cè)量相位差 ? ，來(lái)測(cè)量該電路的功率因數(shù)為 ?cos 。則：12 coscos ?? ? ，所以只要將功率因數(shù)提升后，不止能減少容量大小的設(shè)計(jì)，減少了花費(fèi)，在同時(shí)還能減少它的線路損耗，這樣就可以提高電網(wǎng)中發(fā)電設(shè)備對(duì)負(fù)荷輸送的有功功率比例。 無(wú)功補(bǔ)償?shù)氖马?xiàng)方式是，將感性元器件電感和容性元器件電容并聯(lián)在一起，使他們之間的能量進(jìn)行互換，可以使他們之間的能量相互補(bǔ)充。 通過(guò)建模仿真驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。 第五部分，完成本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)調(diào)試，并分析解決調(diào)試中遇到的問(wèn)題。 2） 論文結(jié)構(gòu)安排如下： 第一部分，介紹本設(shè)計(jì)的背景，分析無(wú)功功率補(bǔ)償裝置電路背景及實(shí)用意義，同時(shí)闡明本文的機(jī)構(gòu)安排。軟件系統(tǒng)包括人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)以及功率因數(shù)檢