可控硅動態(tài)無功功率補償裝置

1、可控硅動態(tài)無功功率補償裝置(TSC型)技術(shù)報告 山 東 科 技 大 學(xué)2009年4月9日按照山東科技大學(xué)與益和電氣集團股份有限公司簽訂的可控硅動態(tài)無功功率補償裝置(TSC型)技術(shù)開發(fā)（委托）合同，山東科技大學(xué)項目組負(fù)責(zé)該項目裝置中控制器部分的設(shè)計，并配合益和電氣的產(chǎn)品設(shè)計、項目最終產(chǎn)品的型式試驗工作。項目組在整個開發(fā)設(shè)計過程中，嚴(yán)格執(zhí)行了新產(chǎn)品開發(fā)程序，在技術(shù)問題上及時與益和電氣聯(lián)系，確保達(dá)到預(yù)期的技術(shù)經(jīng)濟性指標(biāo)。現(xiàn)就該項目整個開發(fā)過程的有關(guān)情況總結(jié)分析如下：第一章 控制策略與控制算法設(shè)計1.1控制器的控制策略本設(shè)計的無功補償控制器分為手動模式和自動模式。在手動模式下直接按照手動的設(shè)置投切即可

2、，在自動模式下控制器根據(jù)控制策略和控制算法自動運行。本無功補償控制器控制策略采用以電網(wǎng)電壓、無功功率作為控制量的復(fù)合控制策略，控制算法采用的是傳統(tǒng)的比較判斷算法，實行三相共補與分補相結(jié)合的補償方式。在以往的控制器設(shè)計中，多采用單純的功率因數(shù)做為判據(jù)，在并聯(lián)電容器投切的過程中容易產(chǎn)生投切振蕩，會對電網(wǎng)造成不利影響，因此本次設(shè)計統(tǒng)籌考慮了無功及無功功率這兩個因素，綜合分析控制電容器組的投切，本控制器控制電容器組分為兩方面內(nèi)容：1、什么情況下對電容器組進(jìn)行投切控制器首先檢測電網(wǎng)中的無功功率，判斷是進(jìn)行三相共補還是各相分補，然后計算當(dāng)前狀態(tài)下按照剛才的判斷進(jìn)行控制后對電網(wǎng)電壓造成的影響，如果超過了所設(shè)

3、定的電壓門限，并且投切間隔時間未到，則不發(fā)出控制信號，否則，發(fā)出控制信號。控制策略分區(qū)如圖1.1所示，對應(yīng)控制策略如表1.1所示。能共不分220+_10%+18V過壓回差。投門限1.2Qc，切0.1Qc。QUU上極限 U上限 U下限 12345689710Q上限 Q下限 圖1.1 控制策略分區(qū)圖表1.1 分區(qū)控制策略表區(qū)號描述控制器執(zhí)行的動作1區(qū)電壓越上極限260V逐個切除補償電容器（實際同時），并報警2區(qū)電壓越上限242V，無功越下限（系統(tǒng)無功多）逐個切除補償電容器，并報警3區(qū)電壓越上限，無功在范圍內(nèi)報警4區(qū)電壓越上限，無功越上限（系統(tǒng)無功少）報警5區(qū)電壓在范圍內(nèi)，無功越下限逐個切除補償電容

4、器6區(qū)電壓在范圍內(nèi)，無功在范圍內(nèi)無動作7區(qū)電壓在范圍內(nèi)，無功越上限逐個投入補償電容器8區(qū)電壓越下限，無功越下限報警9區(qū)電壓越下限，無功在范圍內(nèi)報警10區(qū)電壓越下限，無功越上限報警2、怎樣對電容器組進(jìn)行投切此次設(shè)計的無功補償控制器主要是適用于等容量的補償控制器，即共補電容器組等容量，分補電容器組等容量，但兩者可以不等。關(guān)于電容器組的使用上總的來說是采取“同相不同補、異相可同補、能共補不分補、循環(huán)使用”的原則，即對于同一相進(jìn)行補償時一次控制執(zhí)行動作只能投入或切除一組電容器，所以共補和分補不會同時執(zhí)行相同的動作，分相補償時三相可進(jìn)行同時補償，但是每次動作每相最多只能控制一組電容器投切，除了當(dāng)根據(jù)檢測

5、值沒有共補需要投入， 但各相補償投入的容量足以用一組共補來替代的情況發(fā)生，此時足以用共補電容器替代的那些分補電容器切除掉，同時共補電容器投入一組，電容器的投切采用的是先投入先切除、先切除先投入的循環(huán)使用方法，循環(huán)的分配方法是共補電容器組一個循環(huán)，其他分相補償電容器組各是一個循環(huán)，共補和分補的組數(shù)可以手動設(shè)定，當(dāng)不需要分相補償電容器組時，只需把分補的組數(shù)設(shè)置為0即可。1.2 電容器組容量相關(guān)的計算在無功補償控制器使用的過程中，需要手動設(shè)定所設(shè)計裝置電容器組的參數(shù)，包括共補電容器的總組數(shù)、單個額定容量、額定電壓以及分補電容器組的各相的總組數(shù)、單個額定容量、額定電壓。在實際補償?shù)倪^程中，由于電網(wǎng)電壓

6、的變動，必須依據(jù)檢測的電壓算出投入一組電容器組實際補償?shù)娜萘浚緹o功補償控制器的設(shè)計適合應(yīng)用于共補時采用三角形接線方式，各相分補時使用星形接線方式。由此可得出實際補償時，共補和分補投入一個電容器組補償?shù)娜萘糠謩e為 （1.1） （1.2） （1.3） （1.4）其中，、分補時各相投入一組電容器組實際補償?shù)娜萘浚?、測量的三相相電壓的有效值； 、共補電容器組的額定容量、額定電壓；、分補電容器組的額定容量、額定電壓； 共補時投入一組電容器組實際補償?shù)娜萘俊?1.3 控制策略軟件設(shè)計 根據(jù)前面的介紹，在主程序中設(shè)計的自動模式下控制策略的軟件流程示意圖如下所示：圖1.2 控制策略程序流程圖第二章 控制器整

7、體結(jié)構(gòu)設(shè)計TSC型無功補償控制器硬件主體部分一般包括檢測、控制、執(zhí)行以及電源四部分。本控制器中檢測部分采用三片CS5463對三相電參數(shù)進(jìn)行測量，并將其計算測量的結(jié)果存儲到自身的數(shù)據(jù)寄存器中；控制單元采用單片機C8051F020通過對CS5463計算測量結(jié)果的讀取，再根據(jù)設(shè)計控制策略，做出投切決策并輸出投切信號；執(zhí)行單元主要有可控觸發(fā)器（或CF6G3型可控硅控制器）和可控硅構(gòu)成，實現(xiàn)合適時刻對電容器的投入或切除。控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。本系統(tǒng)除包含上述主體功能的硬件組成部分外，還包括了完成其它輔助功能的硬件模塊，主要包括人機界面、數(shù)據(jù)存儲、實時時鐘、串行通信、報警和指示等模塊電路。圖2

8、.1 控制器硬件結(jié)構(gòu)圖2.1 電信號采樣與測量電路模塊本部分主要包括電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換預(yù)處理電路（圖2.2）、電流轉(zhuǎn)換預(yù)處理電路（圖2.3）和CS5463應(yīng)用電路（圖2.4）。圖2.2 電壓信號轉(zhuǎn)換預(yù)處理電路圖2.3 電流信號轉(zhuǎn)換預(yù)處理電路在電壓信號轉(zhuǎn)換預(yù)處理（圖2.2）過程中，首先經(jīng)過100k的電阻把電網(wǎng)中的強電壓信號轉(zhuǎn)換為互感器能夠接受的電流在2mA范圍內(nèi)的電流信號，經(jīng)過2mA/2mA變比的電流型電壓互感器轉(zhuǎn)換為弱電側(cè)的電流信號，再經(jīng)過合適電阻R8轉(zhuǎn)換為電能測量芯片CS5463電壓量程范圍內(nèi)的電壓信號，因為芯片CS5463本身帶有數(shù)字濾波器，在這里僅對轉(zhuǎn)換后的電壓信號作簡單的濾波處理，然后把預(yù)處

9、理的信號接入到CS5463的電壓輸入通道VIN+，VIN-引腳端，這樣就完成了一相電壓信號的采集。在電流信號轉(zhuǎn)換預(yù)處理（圖2.3）過程中，首先經(jīng)過變比為10A/10mA的電流互感器把電網(wǎng)中的大電流信號轉(zhuǎn)換為小電流信號，在經(jīng)過合適電阻R25轉(zhuǎn)換為CS5463量程范圍內(nèi)的電壓信號，經(jīng)過簡單濾波后接入到CS5463的電流通道IIN+、IIN-引腳端，完成一相電流信號的采集。本系統(tǒng)中測量的核心部分CS5463應(yīng)用電路圖，在本系統(tǒng)的設(shè)計中，采用了三片CS5463分別完成三相電參數(shù)的測量，其中一片通過4.096MHz的晶振提供時鐘信號，后兩片的時鐘信號由第一片的CPUCLK管腳提供，這樣可以使三片測量芯片

10、工作同步。通過SPI串行通信總線與單片機C8051F020通信。CS5463 是一個包含兩個模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、功率計算功能、電能到頻率轉(zhuǎn)換器和一個串行接口的完整的功率測量芯片，管腳信息如圖2.4所示，它具有以下特性：圖2.4 CS5463的引腳封裝圖l 電能數(shù)據(jù)線性度：在1000 ：1 動態(tài)范圍內(nèi)線性度為 0.1% l 片內(nèi)功能： 可以測量瞬時電壓、電流、IRMS和、VRMS、視在功率、有功功率、無功功率、有功的基波和諧波功、 無功的基波功率,、功率因數(shù),、頻率 具有電能-脈沖轉(zhuǎn)換功能 具有系統(tǒng)校準(zhǔn)和相位補償 具有溫度傳感器 l 兩種無功計算方式 l 符合IEC， ANSI,，JIS 工

11、業(yè)標(biāo)準(zhǔn) l 功耗12mW l 優(yōu)化的分流器接口 l 單電源地參考信號 l 片內(nèi)2.5V 參考電壓（最大溫漂25ppm/） l 內(nèi)帶電源監(jiān)視器 l 簡單的三線數(shù)字串行接口 l 可以從串行EEPROM 智能“自引導(dǎo)”，不需要微控制器 l 電源配置 VA+ = +5 V; AGND = 0 V；VD+ = +3.3V+5 VCS5463電壓通道的量程為mV，有Voltage Gain寄存器，允許一個附加可編程4倍放大器，電流通道的量程可以設(shè)置為mV或者mV，也有Current Gain寄存器，允許一個附加可編程4倍放大器，芯片的采樣周期和計算周期都可以根據(jù)需要靈活設(shè)置，其本身又帶有強大的數(shù)字濾波器，

12、對數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，以去除調(diào)制器輸出的高頻噪聲。通道的低通濾波器由一個固定的Sinc3濾波器實現(xiàn)，通道的數(shù)據(jù)接下來通過一個可選IIR補償濾波器，以補償通過低通濾波器后產(chǎn)生的幅值損耗。 兩個通道都提供了一個可選的高通濾波器（用HPF表示），它可以加入信號通路，以在Vrms/Irms、有功功率、視在功率計算之前除去電流/電壓信號中的直流成分。 任意一個通道中的HPF如果不用，則這通道將啟動全通濾波器（用APF表示），以保持電壓和電流的傳感信號之間的相位關(guān)系。可見，CS5463是一款功能強大、應(yīng)用方便的專用電能測量芯片。2.2 單片機C8051F020應(yīng)用電路模塊C8051F020 單片機是完全集成

13、的混合信號系統(tǒng)級 MCU 芯片，具有 64個數(shù)字 I/O 引腳，其主要特性有： l 高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS） l 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi)） l 真正12位、100ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān) l 真正 8位500ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān) l 兩個12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式 l 64k字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器 l 4352（4096+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM l 可尋址 64k字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口 l 硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus/ I2C和兩個UART串行接口 l

14、5個通用的16位定時器 l 具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列 l 片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器C8051F020具有片內(nèi)VDD 監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH 存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051 固件。片內(nèi)JTAG 調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU 進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持?jǐn)帱c、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG 調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字

15、外設(shè)都可全功能運行。每個MCU 都可在工業(yè)溫度范圍（-45到+85）內(nèi)用2.7V-3.6V 的電壓工作。端口I/O、/RST 和JTAG 引腳都容許5V 的輸入信號電壓。C8051F020 系列器件使用Silicon Labs 的專利CIP-51 微控制器內(nèi)核。CIP-51 與MCS-51指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn)803x/805x 的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。CIP-51 內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)8052 的所有外設(shè)部件，包括5個16 位的計數(shù)器/定時器、兩個全雙工UART、256 字節(jié)內(nèi)部RAM、128 字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間及8/4個字節(jié)寬的I/O 端口。與MCS-51相比，C80

16、51F020 系列器件使用的CIP-51 微控制器內(nèi)核具有以下特點：圖2.5 C8051F020原理框圖a增加的功能C8051F020 系列MCU 對CIP-51 內(nèi)核和外設(shè)有幾項關(guān)鍵性的改進(jìn)，提高了整體性能，更易于在最終應(yīng)用中使用。擴展的中斷系統(tǒng)向CIP-51 提供22個中斷源（標(biāo)準(zhǔn)8051 只有7個中斷源），允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。一個中斷驅(qū)動的系統(tǒng)需要較少的MCU 干預(yù)，因而有更高的執(zhí)行效率。在設(shè)計一個多任務(wù)實時系統(tǒng)時，這些增加的中斷源是非常有用的。MCU 可有多達(dá)7個復(fù)位源：一個片內(nèi)VDD 監(jiān)視器、一個看門狗定時器、一個時鐘丟失檢測器、一個由比較器0 提供的電壓檢測器、一

17、個軟件強制復(fù)位、CNVSTR 引腳及/RST 引腳。/RST 引腳是雙向的，可接受外部復(fù)位或?qū)?nèi)部產(chǎn)生的上電復(fù)位信號輸出到/RST 引腳。除了VDD 監(jiān)視器和復(fù)位輸入引腳以外，每個復(fù)位源都可以由用戶用軟件禁止；使用MONEN 引腳使能/禁止VDD 監(jiān)視器。在一次上電復(fù)位之后的MCU 初始化期間，WDT 可以被永久性使能。MCU 內(nèi)部有一個獨立運行的時鐘發(fā)生器，在復(fù)位后被默認(rèn)為系統(tǒng)時鐘。如果需要，時鐘源可以在運行時切換到外部振蕩器，外部振蕩器可以使用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC 或外部時鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。時鐘切換功能在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許MCU 從一個低頻率（節(jié)電）外部晶體源運行，當(dāng)

18、需要時再周期性地切換到高速（可達(dá)16MHz）的內(nèi)部振蕩器。圖2.6 C8051F020原理框圖b2.3 控制執(zhí)行電路模塊單片機讀取CS5463檢測計算出的數(shù)據(jù)，按照設(shè)計的控制策略發(fā)出控制信號，觸發(fā)控制電路執(zhí)行動作?？梢?，控制執(zhí)行電路在控制器的設(shè)計中占有非常重要的位置，不但要滿足電容器過零投切的要求，還要能夠有較強的可靠性。本次設(shè)計的控制器控制執(zhí)行電路模塊主要有光電隔離電路和可控硅控制器模塊構(gòu)成。由于單片機輸出的觸發(fā)信號是0V或者5V的邏輯信號，抗干擾能力比較差，為了減少因系統(tǒng)干擾而產(chǎn)生的誤動作，在控制端提高了控制電壓，使用15V的電壓來觸發(fā)可控硅控制器，這樣在單片機的觸發(fā)信號和可控硅控制模塊間

19、添加了用TLP521設(shè)計的光電隔離電路，其原理如圖2.7所示。其中+5V電源來自于單片機模塊電源，+15V電源應(yīng)與+5V電源不共地。由于單片機控制端口都有上拉電阻，復(fù)位狀態(tài)下輸出高電平，所以采用單片機輸出低電平時實現(xiàn)投入電容器組，電路工作時，當(dāng)單片機控制端口輸出低電平信號時，可控硅控制器端口輸出+13V左右的電平觸發(fā)可控硅控制器使相應(yīng)的可控硅導(dǎo)通，完成投入一組電容器的動作；當(dāng)單片機控制端口輸出高電平信號時，可控硅控制器端口輸出0V電平觸發(fā)可控硅控制器使相應(yīng)的可控硅斷開，完成投入一組電容器的切除。圖2.7 光電隔離電路圖觸發(fā)可控硅的方案一是選用沈陽信達(dá)電力電子有限公司生產(chǎn)的CF6G-3型三相交流

20、無觸點開關(guān)可控硅控制器，自身可提供15V控制電源，其特點有：高可靠的可控硅電壓過零觸發(fā)，三相獨立控制，直流控制電壓輸入5-24V（最小電流1mA）脈沖變壓器輸出，觸發(fā)功率大；有自同步功能；一體化結(jié)構(gòu)，接線簡單，互換性好；工作可靠，抗干擾能力強。以A相為例，其電路原理圖如圖2.8所示，其接線端子排列如圖2.9所示，上面一排分別接各相的可控硅，下面1、2端子是模塊的供電電源，8端子是控制電源輸出端，9、10、11分別是各相的控制信號輸入端口，三相共補時接到同一個控制信號端，各相分補時分別接到各自的控制信號端。圖2.8 可控硅控制器電路原理圖（A相）圖2.9 可控硅控制器接線端子排列圖通過一段時間的

21、使用我們發(fā)現(xiàn)，雖然CF6G-3型三相交流無觸點開關(guān)可控硅控制器能夠滿足可控硅觸發(fā)脈沖的要求，但是其體積大、價格高、在控制柜中的安裝不方便。針對這一問題，通過廣泛的調(diào)研，我們開發(fā)出了以MOC3083為核心的觸發(fā)電路模塊，作為觸發(fā)可控硅的方案二。其電路原理如圖2.10所示。圖2.10 可控硅觸發(fā)電路方案二2.4 人機交互模塊對于一個智能化系統(tǒng)來說，人性化的人機交互，不僅能夠方便系統(tǒng)的使用，而且還能通過多功能的人機交互工具，大大豐富系統(tǒng)的功能，通過一些實時參數(shù)顯示、指示燈等動態(tài)監(jiān)控電網(wǎng)以及控制器的運行狀況，此部分主要包括：液晶顯示電路、鍵盤電路、指示燈電路以及手動/自動模式轉(zhuǎn)換電路五部分。1、液晶顯

22、示電路兼顧到控制器尺寸、成本以及要顯示的參數(shù)等因素，本次設(shè)計選用了金鵬電子有限公司的OCMJ4*8B液晶顯示器，其引腳說明如表2.1所示，應(yīng)用接線電路如圖2.11所示。OCMJ4X8B系列（改進(jìn)型）中文液晶顯示模塊采用金鵬電子有限公司研發(fā)的新型控制器8133。顯示模塊內(nèi)含 GB 2312 15*15點陣國標(biāo)一、二級簡體漢字和 8*8點陣及8*16點陣ASCII字符，用戶輸入GB2312區(qū)位碼或 ASCII 碼即可實現(xiàn)文本顯示。是廣泛用于各種儀器儀表、家用電器上的顯示器件。OCMJ4X8B的接口協(xié)議為請求/應(yīng)答（REQ/BUSY）握手方式。應(yīng)答B(yǎng)USY高電平（BUSY =1）表示OCMJ忙于內(nèi)部

23、處理，不能接收用戶命令；BUSY低電平BUSY =0）表示OCMJ空閑，等待接收用戶命令。發(fā)送命令到OCMJ可在BUSY =0后的任意時刻開始，先把用戶命令的當(dāng)前字節(jié)放到數(shù)據(jù)線上，接著發(fā)高電平REQ信號（REQ =1）通知OCMJ請求處理當(dāng)前數(shù)據(jù)線上的命令或數(shù)據(jù)。OCMJ模塊在收到外部的REQ高電平信號后立即讀取數(shù)據(jù)線上的命令或數(shù)據(jù)，同時將應(yīng)答線BUSY變?yōu)楦唠娖剑砻髂K已收到數(shù)據(jù)并正在忙于對此數(shù)據(jù)的內(nèi)部處理，此時，用戶對模塊的寫操作已經(jīng)完成，用戶可以撤消數(shù)據(jù)線上的信號并可作模塊顯示以外的其他工作，也可不斷地查詢應(yīng)答線BUSY 是否為低（BUSY =0？），如果BUSY =0，表明模塊對用戶

24、的寫操作已經(jīng)執(zhí)行完畢?？梢栽偎拖乱粋€數(shù)據(jù)。如向模塊發(fā)出一個完整的顯示漢字的命令，包括坐標(biāo)及漢字代碼在內(nèi)共需5個字節(jié)，模塊在接收到最后一個字節(jié)后才開始執(zhí)行整個命令的內(nèi)部操作，因此，最后一個字節(jié)的應(yīng)答B(yǎng)USY 高電平（BUSY =1）持續(xù)時間較長。由于本控制器要顯示的內(nèi)容比較多，在應(yīng)用的過程中，采取自動換屏顯示的辦法，正常工作時，軟件控制各屏自動滾動。當(dāng)檢測電網(wǎng)中電壓出現(xiàn)越上極限、上限等情況時，會自動顯示出提示或警告信息。圖2.11 液晶應(yīng)用接線電路圖表2.1 液晶顯示模塊引腳說明引腳名稱方向說明引腳名稱方向說明1LED-I背光源負(fù)極（LED-0V）10DB5I數(shù)據(jù)52LED+I背光源正極（LED

25、+5V）11DB6I數(shù)據(jù)63VSSI地12DB7I數(shù)據(jù)74VDDI+5V13BUSYO應(yīng)答信號=1：已收到數(shù)據(jù)并在處理中；=0：模塊空閑，可接收數(shù)據(jù)5DB0I數(shù)據(jù)014REQI請求信號，高電平有效6DB1I數(shù)據(jù)115RESI復(fù)位信號，低電平有效7DB2I數(shù)據(jù)216NC8DB3I數(shù)據(jù)317RT1LCD灰度調(diào)整，外接電阻端9DB4I數(shù)據(jù)418RT2LCD灰度調(diào)整，外接電阻端2、鍵盤電路鍵盤是用來設(shè)定控制參數(shù)的基本手段以及控制器手動模式下工作的必備工具。為方便使用，本裝置設(shè)計了8按鍵鍵盤，按鍵K1的功能是實現(xiàn)控制器系統(tǒng)的硬件復(fù)位，其余按鍵有一片74HC165來驅(qū)動實現(xiàn)，完成系統(tǒng)的其他一些功能，其具體

26、電路如圖2.12所示，功能分配如下：按鍵K2：在參數(shù)設(shè)置時實現(xiàn)光標(biāo)的右移； 按鍵K3：在參數(shù)設(shè)置時實現(xiàn)光標(biāo)的左移； 按鍵K4：實現(xiàn)要設(shè)置參數(shù)的加1；按鍵K5：調(diào)出要修改時間的界面；按鍵K6：備用；按鍵K7：參數(shù)設(shè)置；按鍵K8：確定鍵。圖2.12 74HC165實現(xiàn)7按鍵電路圖3、人機交互的其它電路模塊指示燈電路如圖2.13、以及手動/自動轉(zhuǎn)換電路如圖2.14，這部分電路設(shè)計比較簡單，這里僅給出電路連接圖。圖2.13 指示燈電路 圖2.14 手動/自動轉(zhuǎn)換電路2.5 時鐘電路與外部存儲器電路模塊實時時鐘和數(shù)據(jù)存儲功能對于一個系統(tǒng)非常重要，不但能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)運行中重要數(shù)據(jù)的記錄，而且能夠記錄相應(yīng)的時

27、刻，對于具有電網(wǎng)監(jiān)控功能的系統(tǒng)具有重大意義。在本系統(tǒng)中，選用ISL1208芯片實現(xiàn)實時時鐘/日歷功能，在控制器斷電時用可充電電池保持時鐘，選用FM24C16A實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的功能，兩者都有I2C通信總線，方便實現(xiàn)與單片機C8051F020的通信，它們的應(yīng)用電路如圖2.15所示。圖2.15 實時時鐘和數(shù)據(jù)存儲器電路圖I2C（IIC）總線是Philip公司推出的芯片間串行傳輸總線，C8051F的SMBus完全與其兼容（SMBus原理框圖如圖2.16所示）。SMBus總線采用了器件地址硬件設(shè)置的方法。它通過軟件尋址，完全避免了用片選線對器件的尋址方法，從而使硬件系統(tǒng)擴展極為簡單靈活。SMBus總線傳輸

28、中的所有狀態(tài)都生成相應(yīng)的狀態(tài)碼，系統(tǒng)中的主機能夠依照這些狀態(tài)碼自動地進(jìn)行總線管理。在設(shè)計時只要在程序中裝入這些標(biāo)準(zhǔn)處理模塊，并根據(jù)數(shù)據(jù)操作要求完成總線的初始化，啟動總線就能自動完成規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送操作。在設(shè)計中使用兩根線（串行數(shù)據(jù)線，SDA；串行時鐘線，SCL）來實現(xiàn)同步串行接收和發(fā)送。系統(tǒng)控制器對總線的讀寫操作都是以字節(jié)為單位的，由SMBus接口自動控制數(shù)據(jù)的串行傳輸。數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笏俾士蛇_(dá)系統(tǒng)時鐘頻率的八分之一。當(dāng)此值高于SMBus的規(guī)定速度時，可以采用延長低電平時間的方法協(xié)調(diào)同一總線上不同速度的器件。圖2.16SMBus原理框圖系統(tǒng)控制器對總線的讀寫操作都是以字節(jié)為單位的，由SMBus接口

29、自動控制數(shù)據(jù)的串行傳輸。數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笏俾士蛇_(dá)系統(tǒng)時鐘頻率的八分之一。當(dāng)此值高于SMBus的規(guī)定速度時，可以采用延長低電平時間的方法協(xié)調(diào)同一總線上不同速度的器件。圖2.17給出了本設(shè)計中SMBus配置?？偩€上所有器件的SDA線和SCL線分別接在一起。SMBus0接口的工作電壓可以在3.0V和5.0V之間，總線上不同器件的工作電壓可以不同。SCL（串行時鐘）和SDA（串行數(shù)據(jù)）線是雙向的，必須通過一個上拉電阻或類似電路將它們連到電源電壓。連接在總線上的每個器件的SCL和SDA都必須是漏極開路或集電極開路的，因此當(dāng)總線空閑時，這兩條線都被拉到高電平。總線上的最大器件數(shù)只受所要求的上升和下降時間的限

30、制，上升和下降時間分別不能超過300ns和1000ns。圖2.17 SMBus總線電氣連接圖ISL1208 是低功耗實時時鐘，帶定時與晶體補償、時鐘/日歷、電源失效指示器、周期或輪詢報警、智能后備電池切換和后備電池供電的用戶SRAM。振蕩器采用外部、低成本、32.768kHz 的晶體。實時時鐘用獨立的時、分、秒寄存器跟蹤時間，并且還帶有日歷寄存器用于存儲日、月、年和星期日歷精確到2099 年，具有閏年自動修正功能。ISL1208強大的報警功能，能夠被設(shè)置成任意的時鐘日歷值，與報警相匹配。例如可設(shè)置成每分鐘、每個星期二或者3月21日上午5:23報警。報警狀態(tài)可以在狀態(tài)寄存器中查詢，或者可以設(shè)置器

31、件通過IRQ引腳提供一次硬件中斷。報警有一種重復(fù)模式，允許產(chǎn)生每分鐘、每小時、每天一次等的周期性中斷。圖2.18 ISL1208原理框圖該器件還有一個后備電源輸入腳VBAT，該腳允許器件用電池或大容量電容進(jìn)行后備供電，可自動從VDD切換到VBAT 。整個ISL1208器件的工作電壓范圍為2.0V至5.5V ，時鐘日歷部分在電壓低至1.8V時仍可工作（待機模式）。FM24C16是RAMTRON INTERNATIONAL公司生產(chǎn)的一種鐵電存貯器(FRAM)。FRAM是最近幾年由RAMTRON公司研制的新型存貯器，其核心技術(shù)是采用鐵電晶體材料。該器件擁有隨即存取記憶體和非易失性存貯產(chǎn)品的特性。FM

32、24C16為16kbit的鐵電存貯器，它和AT24C16容量等同且總線結(jié)構(gòu)兼容，但FM24C16的性能指標(biāo)遠(yuǎn)大于AT24C16，因而在存貯器領(lǐng)域中，F(xiàn)M24C16正逐漸被推廣應(yīng)用和認(rèn)可。隨著電子儀表功能的擴展，保存的數(shù)據(jù)量越來越大，而大容量的EEPROM性能指標(biāo)不是很高，尤其是擦寫次數(shù)和速度將影響電能表自身的質(zhì)量。本設(shè)計使用FM24C16，必將會提高數(shù)據(jù)的安全存貯特性。FM24C16的特性傳統(tǒng)半導(dǎo)體記憶體有兩大體系:易失性記憶體(volatile memory)和非易失性記憶體(non-volatilememory)。易失性記憶體(如SRAM和DRAM)在沒有電源的情況下都不能保存數(shù)據(jù)，但具有

33、高性能、易使用等優(yōu)點。非易失性記憶體如EPROM、EEPROM和FLASH等，它們在斷電后仍能保存數(shù)據(jù)。但由于所有這些記憶體均起源自ROM技術(shù)，所以都具有寫入緩慢、讀寫次數(shù)少、寫入功耗大等缺點。FM24C16是一個16kbit的FRAM，其總線頻率可高達(dá)1MHz，具有10億次以上的讀寫次數(shù)且功耗很低。與典型的EEPROM存貯器AT24C16相比，F(xiàn)M24C16可跟隨總線速度寫入而無須等待時間，而AT24C16則必須等待幾毫秒(ms)才能進(jìn)行下一步寫操作。FM24C16可讀寫10億次以上(幾乎無限次讀寫)，但AT24C16只能進(jìn)行10萬到一百萬次的讀寫。另外，AT24C16的讀寫能量高出FM24

34、C16大約2500倍，由此可見，F(xiàn)M24C16既包含了RAM的技術(shù)優(yōu)點，同時又擁有ROM技術(shù)的非易失性特點。FM24C16的基本功能引腳功能FM24C16有8個引腳，采用SOIC和DIP兩種封裝形式。各引腳的功能說明如下:A0A2:設(shè)備地址選擇口(輸入);VSS:接地端;SDA:串行數(shù)據(jù)口(輸入、輸出雙向)，可連接單片機以進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫;SCL:串行時鐘輸入，可通過單片機提供讀寫時序;WP :寫保護(hù)輸入，當(dāng)WP為高時，寫禁止，為低時，寫允許;VDD:5V電源端。2.6 系統(tǒng)電源模塊系統(tǒng)電源設(shè)計對于一個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關(guān)重要，在無功補償裝置的應(yīng)用中，一般只有220V或者380V強電電壓，在本控制器

35、的設(shè)計中用到+5V電源和+3.3V電源，所以需要將配電網(wǎng)的電壓轉(zhuǎn)換為控制器可用的弱電電壓。在這一過程中，我們首先選用了開關(guān)電源將220V的相電壓轉(zhuǎn)換成+5V電壓，然后采用芯片AMS1117轉(zhuǎn)換成+3.3V電壓，外加一些輔助的濾波等電路就完成了控制器電源的設(shè)計，具體電路原理如圖2.19所示。圖2.19 電源模塊電路原理圖2.7 串口通信模塊考慮到無功補償設(shè)備的安裝及使用，為了既不增加系統(tǒng)的開發(fā)成本，又能在需要時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，本系統(tǒng)采用C8051F020的全雙工UATR0串行通信接口和MAX232芯片構(gòu)成具有RS232串行通訊接口，芯片選用3.3V電源供電的MAX3232。UART0 是一個

36、具有幀錯誤檢測和地址識別硬件的增強型串行口。UART0 可以工作在全雙工異步方式或半雙工同步方式，并且支持多處理器通信。接收數(shù)據(jù)被暫存于一個保持寄存器中，這就允許UART0 在軟件尚未讀取前一個數(shù)據(jù)字節(jié)的情況下開始接收第二個輸入數(shù)據(jù)字節(jié)。一個接收覆蓋位用于指示新的接收數(shù)據(jù)已被鎖存到接收緩沖器而前一個接收數(shù)據(jù)尚未被讀取。對UART0 的控制和訪問是通過相關(guān)的特殊功能寄存器即串行控制寄存器（SCON0）和串行數(shù)據(jù)緩沖器（SBUF0）來實現(xiàn)的。一個SBUF0 地址可以訪問發(fā)送寄存器和接收寄存器。讀操作將自動訪問接收寄存器，而寫操作自動訪問發(fā)送寄存器。UART0 可以工作在查詢或中斷方式。UART0

37、有兩個中斷源：一個發(fā)送中斷標(biāo)志TI0（SCON0.1）（數(shù)據(jù)字節(jié)發(fā)送結(jié)束時置位）和一個接收中斷標(biāo)志RI0（SCON0.0）（接收完一個數(shù)據(jù)字節(jié)后置位）。當(dāng)CPU 轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時硬件不清除UART0 中斷標(biāo)志，中斷標(biāo)志必須用軟件清除。這就允許軟件查詢UART0 中斷的原因（發(fā)送完成或接收完成）。UART0 提供四種工作方式（一種同步方式和三種異步方式），通過設(shè)置SCON0 寄存器中的配置位選擇。這四種方式提供不同的波特率和通信協(xié)議。在本設(shè)計中采用了方式1。圖2.20 UATR0串行通信接口方式1 提供標(biāo)準(zhǔn)的異步、全雙工通信，每個數(shù)據(jù)字節(jié)共使用10 位：一個起始位、8 個數(shù)據(jù)位（LSB 在先）

38、和一個停止位。數(shù)據(jù)從TX0 引腳發(fā)送，在RX0 引腳接收。在接收時，8 個數(shù)據(jù)位存入SBUF0，停止位進(jìn)入RB80（SCON0.2）。當(dāng)執(zhí)行一條向SBUF0 寄存器寫入一個字節(jié)的指令時開始數(shù)據(jù)發(fā)送。在發(fā)送結(jié)束時（停止位開始）發(fā)送中斷標(biāo)志TI0（SCON0.1）置位。在接收允許位REN0（SCON0.4）被設(shè)置為邏輯1 之后任何時間都可以開始數(shù)據(jù)接收。收到停止位后如果滿足下述條件則數(shù)據(jù)字節(jié)將被裝入接收寄存器SBUF0：RI0 為邏輯0，并且如果SM20 為邏輯1 則停止位必須為1。如果這些條件滿足，則8 位數(shù)據(jù)被存入SBUF0，停止位被存入RB80，RI0 標(biāo)志被置位。如果這些條件不滿足，則不裝

39、入SBU0F 和RB80，RI0 標(biāo)志也不被置1。如果中斷被允許，在TI0 或RI0 置位時將產(chǎn)生一個中斷。方式1 的波特率是定時器溢出時間的函數(shù)，如方程1 和方程2 所示。UART0 可以使用定時器1 工作在8 位自動重裝載方式或定時器2 工作在波特率發(fā)生器方式產(chǎn)生波特率（注意，TX 和RX 時鐘可以分別選擇）。每次定時器發(fā)生溢出（從全1（對定時器1為0xFF，對定時器2為0xFFFF）返回到0）時向波特率電路發(fā)送一個時鐘脈沖。通過將TCLK0（T2CON.4）和/或RCLK0（T2CON.5）為設(shè)置為邏輯1 來選擇定時器2為TX 和/或RX 的波特率時鐘源。當(dāng)TCLK0或RCLK0 中的任

40、何一個被置1 時，定時器2 就被強制進(jìn)入波特率發(fā)生器方式并使用系統(tǒng)時鐘的二分頻作為時鐘源。如果TCLK0 和/或RCLK0 為邏輯0，定時器1 就成為TX 和/或RX 電路的波特率時鐘源。以下為在設(shè)計中使用的方式1 的波特率方程為，其中：T1M 為定時器1 時鐘選擇位（CKCON.4），TH1是定時器1 的8 位重裝載寄存器，SMOD0 是UART0 的波特率加倍控制位（位于寄存器PCON中），RCAP2H:RCAP2L是定時器2的重裝載寄存器。 （1） （2）C8051F020與系統(tǒng)機通訊。其連接示意圖如2.21所示。圖2.21 C8051F020與系統(tǒng)機通訊連接示意圖具體電路原理如圖2.2

41、2所示。圖2.22 RS232串行通信電路MAX3232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的低功耗、單電源雙RS232發(fā)送/接收器。適用于各種EIA-232E和V. 28/V. 24的通信接口。MAX232芯片內(nèi)部有一個電源電壓變換器,可以把輸入的+5V電源變換成RS-232C輸出電平所需10V電壓,所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的+5V電源就可以。MA3X232外圍需要4個電容,是內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需電容，其取值均為0.1F電容。MAX3232的引腳T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT為接TTL/CMOS電平的引腳。引腳T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN為接RS-232C電平的引腳

42、。因此TTL/CMOS電平的T1IN、T2IN引腳應(yīng)接C8051F020的串行發(fā)送引腳TXD； R1OUT、R2OUT應(yīng)接C8051F020的串行接收引腳RXD。與之對應(yīng)的RS-232C電平的T1OUT、T2OUT應(yīng)接PC機的接收端RD； R1IN、R2IN應(yīng)接PC機的發(fā)送端TD。2.8 溫度檢測控制模塊為了檢測控制柜內(nèi)溫度、可控硅模塊溫度及電容器溫度，設(shè)計了由AT89C2051為核心，采用DS18B20溫度傳感器的溫度檢測控制模塊。其原理圖如圖2.23所示。圖2.23 溫度檢測控制模塊電路原理圖AT89C205l是一帶有2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器(EEPROM)的低壓，高性能8位CM

43、OS微型計算機。如圖2.24所示。它采用ATMEL的高密非易失存儲技術(shù)制造并和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。通過在單塊芯片上組合通用的CPU和閃速存儲器，ATMEL的 AT89C2051是一強勁的微型計算機，它對許多嵌入式控制應(yīng)用提供一高度靈活和成本低的解決辦法。AT89C205l提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：2K字節(jié)閃速存儲器，128字節(jié)RAM，15根IO引線，兩個16位定時器計數(shù)器，一個五向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行口，一精密模擬比較器以及片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。此外，AT89C2051是用可降到0頻率的靜態(tài)邏輯操作設(shè)計的并支持兩種可選的軟件節(jié)電工作方式。空閑方式停止CPU工作但允許RAM

44、，定時器計數(shù)器，串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM內(nèi)容但振蕩器停止工作并禁止所有其它部件的工作直到下一個硬件復(fù)位。圖2.24 AT89C205l內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖DS18B20是DALLAS 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器，測量溫度范圍為 -55C+125C，在-10+85C范圍內(nèi),精度為0.5C。現(xiàn)場溫度直接以一線總線的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。1.DS18B20的新性能 (1)可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：3.05.5V； (2)測溫范圍：-55+125，在-10+85時精度為0.5； (3)可編程的分辨率為912位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.

45、125和0.0625； (4)12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字； (5)負(fù)壓特性：電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 2. DS18B20的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖2.25所示。 圖2.25 DS18B20的管腳排列引腳定義： (1)DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端； (2)GND為電源地； (3)VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖2.26DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖DS18B20有4個主要的數(shù)據(jù)

46、部件： （1）光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。 （2）DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號擴展的二進(jìn)制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達(dá)，其中S為符號位。 表2.2 DS18B20溫度值格式表 這是12位轉(zhuǎn)化

47、后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。 例如+125的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625的數(shù)字輸出為0191H，-25.0625的數(shù)字輸出為FF6FH，-55的數(shù)字輸出為FC90H。 表2.3 DS18B20溫度數(shù)據(jù)表（3）DS18B20溫度傳感器的存儲器 DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPRAM,后者存放高溫度和低溫

48、度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。 （4）配置寄存器 該字節(jié)各位的意義如表2.4所示：表2.4 配置寄存器結(jié)構(gòu)TMR1R011111低五位一直都是1 ，TM是測試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動。R1和R0用來設(shè)置分辨率，如下表所示：（DS18B20出廠時被設(shè)置為12位）分辨率設(shè)置如表2.5所示： 表2.5 溫度值分辨率設(shè)置表R1R0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時間009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms3. 高速暫存存儲器 高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成，其分配如表2.6所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)

49、換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第0和第1個字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表1所示。對應(yīng)的溫度計算：當(dāng)符號位S=0時，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時，先將補碼變?yōu)樵a，再計算十進(jìn)制值,第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。 表2.6 DS18B20暫存寄存器分布寄存器內(nèi)容字節(jié)地址溫度值低位0溫度值高位1高溫限值TH2低溫限值TL3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC檢驗8根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條RO

50、M指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號后等待1660微秒左右，后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復(fù)位成功。 表2.7 ROM指令表指 令約定代碼功 能讀ROM33H讀DS1820ROM中的編碼（即64位地址）符合ROM55H發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出64位ROM編碼，訪問單總線上與該編碼相對應(yīng)的DS1820使之作出響應(yīng)，為下一步對該DS1820的讀寫作準(zhǔn)備。搜索ROM0F0H用于確定掛接在同一總線上DS1820的個數(shù)和識別64位ROM地址。為操作各器件作好準(zhǔn)備。跳過ROM0

51、CCH忽略64位ROM地址，直接向DS1820發(fā)溫度變換命令。適用于單片工作。告警搜索命令0ECH執(zhí)行后只有溫度超過設(shè)定值上限或下限的片子才做出響應(yīng)。表2.8 RAM指令表指 令約定代碼功 能溫度變換44H啟動DS1820進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時最長為500ms（典型為200ms）。結(jié)果存入內(nèi)部9字節(jié)RAM中。讀暫存器0BEH內(nèi)部RAM中9字節(jié)的內(nèi)容寫暫存器4EH發(fā)出向內(nèi)部RAM的3、4字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)。復(fù)制暫存器48H將RAM中第3、4字節(jié)的內(nèi)容復(fù)制到EEPROM中。重調(diào)EEPROM0B8H將EEPROM中內(nèi)容恢復(fù)到RAM中的第3、4字節(jié)。讀供電方式0B4H讀DS1820的供電模式。寄生供電時DS1820發(fā)送“0”，外接電源供電DS1820發(fā)送“1”。第三章 控制器的軟件研發(fā)與設(shè)計3.1 控