【正文】 文提出一種新型簡(jiǎn)單的技術(shù)方案以實(shí)現(xiàn)基于51單片機(jī)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，以51單片機(jī)為主控芯片，控制繼電器組控制補(bǔ)償電容的大小，然后通過(guò)功率因數(shù)檢測(cè)電路，電壓電流檢測(cè)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，液晶顯示電路，鍵盤控制電路，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存電路構(gòu)成的補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的功率因數(shù)補(bǔ)償，這種補(bǔ)償具有簡(jiǎn)單，靈活，不容易引起電網(wǎng)的震蕩。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：功率因數(shù)檢測(cè)電路，電容自動(dòng)投切電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，控制電路單元和人機(jī)交互單元的設(shè)計(jì)六個(gè)部分。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)檢測(cè)，電容投切等設(shè)計(jì)三大部分程序設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的詳細(xì)任務(wù)要求是：（1）了解51單片機(jī)的特點(diǎn)，使用方法以及相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)；（2）掌握無(wú)功補(bǔ)償裝置的工作原理；（3）設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)的無(wú)功功率補(bǔ)償電路，設(shè)計(jì)出裝置的總體方案；（4）該電路能實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的功率因數(shù)檢測(cè)，控制電容組投切功能；（5）該電路能實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的電壓電流測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能（6）該電路要求有友好的人機(jī)交互界面，能方便顯示當(dāng)前電路的電壓電流值，以及當(dāng)前的無(wú)功功率因數(shù)值，以及需要補(bǔ)償電容值和實(shí)際補(bǔ)償電容值。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。第三部分，完成整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。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。并完成對(duì)系統(tǒng)電路的仿真。通過(guò)建模仿真驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。在同一個(gè)電路里面，電容和電感中的電流矢量的方向是完全相反的，基本是一個(gè)向東一個(gè)向西。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。⑵可以減少設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行中需要的最大容量，并且消減制作的成本，當(dāng)功率因數(shù)從低向高增加的時(shí)候，如果要節(jié)約設(shè)計(jì)中的設(shè)備容量，只要裝設(shè)容性的器件就可以了，相反的，增加了發(fā)供電的容量。則：，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。所以，考核運(yùn)行效益的其中一個(gè)重要指標(biāo)就是功率因素，那么，無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠?jì)劃和進(jìn)行在當(dāng)前情況下是一定要進(jìn)行的 系統(tǒng)方案選擇基于任務(wù)需求，無(wú)功功率補(bǔ)償裝置檢測(cè)中的各種電路有很多方案，下面將分析各方案優(yōu)缺點(diǎn)。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。本方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)硬件簡(jiǎn)單，軟件比較容易實(shí)現(xiàn)，并且軟件計(jì)算比較簡(jiǎn)單，對(duì)于處理器的要求不高，在實(shí)際應(yīng)用中可以選用比較便宜的單片機(jī)來(lái)處理，可以很大程度上降低成本以及難度，然而精度不是很高。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。對(duì)于50Hz的工頻來(lái)說(shuō)就是5ms。這個(gè)時(shí)間一般由單片機(jī)的定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以同時(shí)測(cè)量電網(wǎng)的電壓電流值以及功率因數(shù)。方案三：專業(yè)的芯片ADE7763測(cè)量方案。該芯片將AD轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理功能集成到單個(gè)芯片內(nèi)，能能夠完成有功電能，視在電能等菜蔬的準(zhǔn)確測(cè)量，依據(jù)有功電能和視在電能，就可以有微控制器計(jì)算出功率因數(shù)。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。在測(cè)量功率因數(shù)方案確定為基于單片機(jī)的中斷法測(cè)量后，確定利用測(cè)量的功率因數(shù)來(lái)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償方案如下。靜止電容器供給的無(wú)功功率與所在借點(diǎn)的電壓V的平方成正比。在運(yùn)行中，如果我們要實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功功率補(bǔ)償，我們可以調(diào)節(jié)電容器的功率，方法有很多種，常見(jiàn)的是可以將電容器組合成幾組，分成不同的大小組，然后可以根據(jù)負(fù)荷和電路中的變化，按需求分組切除或者投入各組，那樣，通過(guò)繼電器投切電容器就可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償功率的調(diào)節(jié)了。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。該方案下，調(diào)相機(jī)就相當(dāng)于一臺(tái)不帶載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)。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。綜合以上方案的優(yōu)缺點(diǎn)，聯(lián)系本課題研究的對(duì)象，基于51單片機(jī)的無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際情況，選擇方案一為無(wú)功功率補(bǔ)償方案。如圖1所示為系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)原理系統(tǒng)原理，系統(tǒng)是基于51單片機(jī)的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)中，利用51單片機(jī)作為主控制器，利用電壓電流互感器將電網(wǎng)上的電壓電流變換成在以內(nèi)的小信號(hào)，經(jīng)過(guò)過(guò)零比較電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換成與原信號(hào)正弦波同相位的方波，然后分別將這兩個(gè)方波信號(hào)輸送給51單片機(jī)兩個(gè)外部中斷，分別利用著兩個(gè)外部中斷控制51單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的啟動(dòng)和停止，利用兩個(gè)方波的下降沿來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方波的之間的時(shí)間差，通過(guò)時(shí)間差就可以求出相位差，功率因數(shù)就是；測(cè)量出功率應(yīng)屬后通過(guò)利用單片機(jī)的內(nèi)部運(yùn)算計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)碾娙葜?，通過(guò)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器來(lái)控制并聯(lián)電容的投切。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。 功率因數(shù)測(cè)量電路 功率因數(shù)測(cè)量原理本設(shè)計(jì)中采用51單片機(jī)的INT0和INT1接收的信號(hào)的時(shí)間差來(lái)測(cè)量功率因數(shù)，下面介紹功率因數(shù)測(cè)量的原理。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。由于功率因數(shù)的大小在零到一之間，因此t會(huì)在0到5ms。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。在改系統(tǒng)中主要由單片機(jī)電路，顯示電路，兩個(gè)過(guò)零比較電路構(gòu)成。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。圖3 外部中斷的時(shí)序圖 基于單片機(jī)的無(wú)功功率因數(shù)測(cè)量電路設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中，采用電流傳感器和電壓傳感器將單相交流信號(hào)上的電壓信號(hào)和電流信號(hào)采集出來(lái)，經(jīng)過(guò)由運(yùn)放組成的過(guò)零比較器，將電壓型號(hào)和電流信號(hào)分別變換成同頻率的方波。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,，用變比公式為可以求得上面的變化比。如圖4所示。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。 圖5電流號(hào)測(cè)量相位電路圖 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)交流信號(hào)的峰值檢測(cè)電路有很多種，它的作用是將交流信號(hào)的峰值通過(guò)檢測(cè)電路將交流信號(hào)變換成為一個(gè)直流信號(hào)，直流信號(hào)的電壓值為交流信號(hào)的峰值。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。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖7所示，為了充分的利用控制器I\O端口資源，本社就選用通用串行ADC0832作為本設(shè)計(jì)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖中的兩個(gè)ADC分別是測(cè)量電壓和電流的信號(hào)，具體控制信號(hào)詳見(jiàn)途中的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)。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)。ADC0832是國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款經(jīng)典的8位單通道ADC芯片。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。經(jīng)過(guò)前面分析，電壓電流通過(guò)互感器得到的變比分別為k1=60,電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的變比k2=100,而通過(guò)圖6變換的來(lái)的電壓信號(hào)是峰值，這里給定的是有效值U。假設(shè)測(cè)量得到的電壓對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)位。 使用兩片ADC0832分別來(lái)對(duì)電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行采樣，可以有效的避免他們之間的相互干擾，可以方便快捷的測(cè)得每時(shí)每刻電壓電流信號(hào)。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。 單片機(jī)的介紹 單片機(jī)是單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱，因?yàn)樗诳刂祁I(lǐng)域的靈活和便利，所以又叫微控制器。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)。中央處理器(CPU)在整個(gè)單片機(jī)中的身份是一位“核心成員”,這個(gè)處理器的數(shù)據(jù)寬度是八位的,所以對(duì)于8位二進(jìn)制代碼來(lái)說(shuō)，處理起來(lái)得心應(yīng)手，在整個(gè)單元系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)調(diào)度和管理的元件就是CPU，并且讓它們工作在合適的位置,完成了運(yùn)算和I/O控制和其他的一些操作。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。如圖8所示是常用的一種單片機(jī)，型號(hào)為STC89C52。 ●P0口：這些口其實(shí)是八位的漏級(jí)輸入/輸出口。當(dāng)進(jìn)行程序編譯的時(shí)候，它可以當(dāng)做原碼的輸入，當(dāng)運(yùn)行的時(shí)候，它就當(dāng)做原碼的輸出，這個(gè)時(shí)候它的外部就需要拉高。 ●P2口：P2口跟P1口差不多。 ●