無功功率補(bǔ)償控制器設(shè)計——畢業(yè)論文

1、xxxxxxxx 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）無功功率補(bǔ)償控制器設(shè)計學(xué) 院（系）： xxxxxxxxxxxxxx 專 業(yè)： xxxxxxxxxxxx 學(xué) 生 姓 名： xxxx 學(xué) 號： xxxxxxxx 指 導(dǎo) 教 師： xxxx 評 閱 教 師： xxxxxxx 完 成 日 期： xxxxxxx xxxxxxx摘 要本課題研究以低壓電網(wǎng)無功補(bǔ)償改造為背景，研制了一種低壓無功功率補(bǔ)償控制器。作為一種非實(shí)時的無功補(bǔ)償裝置，該裝置以定時的電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，以城鎮(zhèn)低壓網(wǎng)(220V)的無功補(bǔ)償為對象。本文主要研究了無功補(bǔ)償對電網(wǎng)性能的改善，以及控制器的軟硬件的配置。系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)

2、，該單片機(jī)是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能的CMOS 8位單片機(jī)，具有運(yùn)算速度高，實(shí)時性好的特點(diǎn)；軟件則使用匯編語言進(jìn)行編譯；人機(jī)操作界面采用LCD顯示，顯示效果較好；A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0809，是一款比較實(shí)用的A/D轉(zhuǎn)換裝置。該裝置可跟蹤電網(wǎng)無功功率的變化并自動補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)化運(yùn)行，具有體積小、原理簡單、智能投切等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償 單片機(jī) 功率因數(shù) Reactive power compensation controller design AbstractWhat this article studies is based on the alteration o

3、f reactive power compensation of low voltage， then design an equipment for reactive power compensation of low voltage. As a kind of reactive power compensation， this equipment is basis on the electrical network monitor data ，and provides reactive power for citys low voltage power grids. This thesis

4、has discussed the importance of the reactive power compensation for the power grids ，and introduced the hardware and software of the controller.This devices hardware core is AT89C51 SCM ， which has many merits such as high operating speed. This monolithic integrated circuit is the low voltage which

5、American ATMEL Corporation produces， a high performance CMOS 8 monolithic integrated circuits; The software uses the assembly language to carry on the translation; The man-machine operation contact surface uses the LCD demonstration， the demonstration effect is quite good; A/D transformation uses AD

6、C0809 ， it is a section of quite practical A/D switching device. This equipment may track the electrical network reactive power the change and the automatic compensation， and this installment has the volume to be small， the precision is high， the price compared to the higher merit.Key Words： reactiv

7、e power compensation；SCM(Single Chip Micyoco)；power factor 目 錄摘 要IAbstractII1 緒論11.1 課題的應(yīng)用背景11.2 國內(nèi)研究動態(tài)21.3 本課題主要研究的內(nèi)容21.4 無功補(bǔ)償?shù)脑?1.5低壓電網(wǎng)中的幾種無功補(bǔ)償?shù)姆绞?2 芯片簡介52.1 51系列單片機(jī)簡介52.2 51系列單片機(jī)的特點(diǎn)52.3 AT89C51單片機(jī)52.3.1 AT89C51特性52.3.2 AT89C51的功能62.4 MAX813L芯片82.5 LCD1602芯片92.6 74HC595103 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計123.1 電源電路123.

8、2 A/D轉(zhuǎn)換電路133.3 看門狗電路153.4 LCD顯示163.5 模擬信號處理電路183.5.1電流和電壓相位檢測電路183.5.2 D觸發(fā)器控制電路193.5.2電流和電壓信號采集電路203.6電容補(bǔ)償控制電路214 系統(tǒng)軟件的設(shè)計234.1主程序設(shè)計234.2中A/D轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計234.3電容補(bǔ)償控制電路軟件設(shè)計24結(jié) 論26參 考 文 獻(xiàn)27附錄 系統(tǒng)硬件原理圖28致 謝291 緒論1.1 課題的應(yīng)用背景目前，我國的電網(wǎng)，特別是廣大的低壓電網(wǎng)，普遍存在功率因數(shù)較低、電網(wǎng)線損較大的情況。導(dǎo)致此現(xiàn)象的主要原因是眾多的感性負(fù)載用電設(shè)備設(shè)計落后，功率因數(shù)較低。比如我國的電動機(jī)消耗的電能占

9、全部發(fā)電量的70%，而由于設(shè)計和使用等方面的原因我國電動機(jī)的功率因數(shù)往往較低，一般約為。在這種情況下，采用無功補(bǔ)償節(jié)能技術(shù)，對提高電能質(zhì)量和挖掘電網(wǎng)潛力是十分必要的，世界各國都把無功補(bǔ)償作為電網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分1。從我國電網(wǎng)功率因數(shù)和補(bǔ)償深度來看，我國與世界發(fā)達(dá)國家有不小差距。因此大力推廣無功補(bǔ)償技術(shù)是非常必要的，并且從以下數(shù)據(jù)，我們也能看出發(fā)展無功補(bǔ)償所能帶來的巨大經(jīng)濟(jì)效益。2007年 ，我國年總發(fā)電量為32559億千瓦時，統(tǒng)計線損率為8.77%，但是這個數(shù)字沒有包含相當(dāng)大的110千伏、35千伏、10千伏的輸電線損及0.38千伏的低壓電網(wǎng)線損。據(jù)報道，估計實(shí)際的統(tǒng)計線損率約為15%，即20

10、07年全國年線損量約為4800億千瓦時。設(shè)全國的理論線損與統(tǒng)計線損相一致，其中可變線損約占理論總線損的80%，則年可變線損電量約為3900億千瓦時。設(shè)當(dāng)前全國電力網(wǎng)總負(fù)荷的當(dāng)前功率因數(shù)，采用無功功率補(bǔ)償后，把電力網(wǎng)總負(fù)荷的功率因數(shù)提高到，則每年可以降低線損約為390億千瓦時，按0.5元每千瓦時計，價值約為185億元。設(shè)2007年全國電網(wǎng)的最大負(fù)荷利用小時數(shù)為5000小時，則電網(wǎng)的最大負(fù)荷約為2億千瓦，當(dāng)用無功功率補(bǔ)償法把功率因數(shù)，提高到，全國電網(wǎng)需總補(bǔ)償容量約為0.58億千瓦。當(dāng)前無功功率補(bǔ)償裝置設(shè)備主要為電力電容器，設(shè)無功補(bǔ)償設(shè)備每千瓦的平均綜合造價為50元，則全國無功補(bǔ)償裝置的總投資約為2

11、9億元。應(yīng)當(dāng)指出，節(jié)省240億千瓦時約相當(dāng)于一座400萬千瓦火電廠的年發(fā)電量，而建一座400萬千瓦的火電廠需綜合費(fèi)用約為300億元，同時每年需燃燒煤約為1200萬噸，每年產(chǎn)生，等有害物質(zhì)約為600萬噸。由此可見，產(chǎn)生相同的電力，無功補(bǔ)償?shù)馁M(fèi)用約為新建電廠費(fèi)用10%，而且無功補(bǔ)償設(shè)備的費(fèi)用僅需兩個月的無功功率補(bǔ)償?shù)膶p節(jié)電費(fèi)用即可全部收回。綜上所述 ，無功補(bǔ)償不僅具有如上所述的節(jié)省投資、節(jié)省電力、節(jié)省燃煤及污染等作用2，同時還可以提高電力系統(tǒng)設(shè)備的供電能力，改善電壓質(zhì)量，減少用戶電費(fèi)開支，延緩用戶的增容改造等作用。1.2 國內(nèi)研究動態(tài)在電力系統(tǒng)中，電壓和頻率是衡量電能質(zhì)量的兩個最基本、最重要的指

12、標(biāo)。為確保電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，供電電壓和頻率必須穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。頻率的控制與有功功率的控制密切相關(guān)，而電壓控制的重要方法之一是對電力系統(tǒng)的無功功率進(jìn)行控制。早期的無功補(bǔ)償裝置為并聯(lián)電容器和同步補(bǔ)償器，多用在系統(tǒng)的高壓側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償。至今并聯(lián)電容器仍是一種主要補(bǔ)償方式，應(yīng)用范圍廣泛，只是控制器在不斷的更新發(fā)展。同步補(bǔ)償器的實(shí)質(zhì)是同步電機(jī)，當(dāng)勵磁電流發(fā)生改變時，電動機(jī)可隨之平滑的改變輸出無功電流的大小和方向，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有好處。但同步補(bǔ)償器成本高，安裝復(fù)雜，維護(hù)困難，使其推廣使用受到限制。隨著近代電力電子技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，無功補(bǔ)償技術(shù)也隨之發(fā)展。在第一個工業(yè)用晶閘管出現(xiàn)之前，電子半導(dǎo)體

13、由于功率過小，在直流傳動，交流傳動，電磁合閘，交流不間斷電源和無功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域內(nèi)一直沒有得到應(yīng)有的推廣使用3。晶閘管的出現(xiàn)標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生，并以此為起點(diǎn)，隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)和變流技術(shù)的發(fā)展，新型的電力電子器件不斷問世，由此引發(fā)了眾多行業(yè)的變革，如交流變頻調(diào)速技術(shù)的蓬勃發(fā)展。同樣電力電子技術(shù)對無功補(bǔ)償技術(shù)也帶來了新的發(fā)展契機(jī)。1.3 本課題主要研究的內(nèi)容本文研究的主要有兩方面：一是無功補(bǔ)償?shù)幕纠碚摵碗娋W(wǎng)中最佳補(bǔ)償方式的探討。首先是對無功補(bǔ)償中一般問題進(jìn)行分析，其次是對無功補(bǔ)償計算方案的分析。二是在傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置的基礎(chǔ)上，對其控制器和動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，從而開發(fā)出一種智能無功補(bǔ)償器。

14、文中對補(bǔ)償器的控制器的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計作了較詳盡的分析。1.4 無功補(bǔ)償?shù)脑韺㈦娙萜骱碗姼胁⑦B在同一電路中，電感吸收能量時，正好電容器釋放能量，而電感放出能量時，電容器卻在吸收能量。能量就在它們之間交換，即感性負(fù)荷(電動機(jī)、變壓器等)所吸收的無功功率，可由電容器所輸出的無功功率中得到補(bǔ)償4。因此，把由電容器組成的裝置稱為無功補(bǔ)償裝置。此外，同步電動機(jī)等也可以作為無功補(bǔ)償裝置。無功補(bǔ)償?shù)淖饔煤驮砜捎蓤D1.1解釋：設(shè)電感性負(fù)荷需要從電源吸取的無功功率為，裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置后，補(bǔ)償無功功率為，使電源輸出的無功功率減少為，功率因數(shù)由提高到，視在功率減少到。 圖1.1無功補(bǔ)償補(bǔ)償原理示意圖視在功率的

15、減少可相應(yīng)減少供電線路的截面和變壓器的容量，降低供用電設(shè)備的投資。例如一臺1000千伏安的變壓器，當(dāng)負(fù)荷的功率因數(shù)為0.7 時，可供700千瓦的有功負(fù)荷，當(dāng)負(fù)荷的功率因數(shù)提高到0.9時，可供900千瓦的有功功率5。同一臺變壓器，因?yàn)樨?fù)荷的功率因數(shù)的提高而可多供200千瓦負(fù)荷，是相當(dāng)可觀的。1.5低壓電網(wǎng)中的幾種無功補(bǔ)償?shù)姆绞綇V大市電低壓電網(wǎng)處于電網(wǎng)的最末端，因此補(bǔ)償?shù)蛪簾o功負(fù)荷是電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。搞好低壓補(bǔ)償，不但可以減輕上一級電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)膲毫Γ铱梢蕴岣哂脩襞潆娮儔浩鞯睦寐?，改善用戶功率因?shù)和電壓質(zhì)量，并有效降低電能損失。低壓補(bǔ)償對用戶及供電部門都有利。低壓無功補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)是實(shí)現(xiàn)無功的就地平衡

16、，通常采用地方式有三種： 隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償、跟蹤補(bǔ)償。隨機(jī)補(bǔ)償就是將低壓電容器組與電動機(jī)并聯(lián)，通過控制、保護(hù)裝置與電機(jī)共同投切。隨機(jī)補(bǔ)償?shù)貎?yōu)點(diǎn)是：用電設(shè)備運(yùn)行時，無功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停止運(yùn)補(bǔ)償裝置也退出，不需要頻繁調(diào)整補(bǔ)償容量6。且具有投資少，配置靈活，維修簡單等優(yōu)點(diǎn)。為防止電機(jī)推出時產(chǎn)生自激過電壓，補(bǔ)償容量一般不大于電機(jī)的空載無功。隨器補(bǔ)償是指將低壓電容器通過低壓保險接在配電變壓器二次側(cè)，以補(bǔ)償配電變壓器空載無功的補(bǔ)償方式。有很多的低壓配電網(wǎng)中的變壓器，尤其是農(nóng)網(wǎng)配電變壓器，普遍存在負(fù)荷輕的現(xiàn)象7。在負(fù)荷時接近空載，此時配電變壓器的空載無功是電網(wǎng)無功負(fù)荷的主要部分。隨器補(bǔ)償由于補(bǔ)在低壓側(cè)

17、，可有效地補(bǔ)償配變空載無功， 且連線簡單， 做到無功地就地補(bǔ)償。跟蹤補(bǔ)償是指以無功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，將低壓電容器組補(bǔ)償在大用戶0.4kV母線上的補(bǔ)償方式。補(bǔ)償電容器組的固定連接可起到相當(dāng)于隨器補(bǔ)償?shù)淖饔茫a(bǔ)償用戶的固定無功基荷；可投電容器組用于補(bǔ)償無功峰荷部分。由于用戶負(fù)荷有一定的波動性，故推薦選用自動投切方式8。此法對電容器的保護(hù)比前二種要更可靠。上述三種補(bǔ)償方式均可對特定種類無功負(fù)荷實(shí)現(xiàn)“就地平衡”的無功補(bǔ)償，降損節(jié)能效果好。本次設(shè)計使用第一種補(bǔ)償方式。2 芯片簡介 2.1 51系列單片機(jī)簡介51單片機(jī)是對目前所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。該系列單片機(jī)的始

18、祖是Intel的8031單片機(jī)，后來隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機(jī)取得了長足的進(jìn)展，成為目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中9。目前很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出，在目前乃至今后很長的一段時間內(nèi)將占有大量市場。51單片機(jī)是基礎(chǔ)入門的一個單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。需要注意的是51系列的單片機(jī)一般不具備自編程能力。2.2 51系列單片機(jī)的特點(diǎn)（1）51片內(nèi)存儲容量較小： 原因是受集成度的限制。ROM一般小于8KB，RAM 一般小于256B，但可以在外部擴(kuò)展。通常ROM，RAM可分別擴(kuò)展至64KB。（2）可靠

19、性高： 因?yàn)樾酒前垂I(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，故抗干擾的能力優(yōu)于 PC 機(jī)。 系統(tǒng)軟件(如:程序指令，常數(shù)，表格)固化在 ROM 中，不易受病毒破壞。 許多信號的通道均在一個芯片內(nèi)，故運(yùn)作時系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。 （3）便于擴(kuò)展： 片內(nèi)具有計算機(jī)正常運(yùn)行所必需的部件，片外有很多供擴(kuò)展用的(總線，并行和串行的輸入/輸 出)管腳，很容易組成一定規(guī)模的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 （4）控制功能強(qiáng)：具有豐富的控制指令：如條件分支轉(zhuǎn)移指令，I/O 口的邏輯操作指令，位處理指令。 （5）實(shí)用性好：體積小，功耗低，價格便宜，易于產(chǎn)品化。 2.3 AT89C51單片機(jī)2.3.1 AT89C51特性 AT89C51是美國ATMEL

20、公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲（PEROM）和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元10。AT89C51引腳圖圖2.1為AT89C51的40根接腳圖。每根接腳都有其特定功能，而有些接腳有兩種甚至三種以上功能，也可經(jīng)由程序規(guī)劃為數(shù)字輸出輸入接腳。圖2.1 AT89C51引腳圖2.3.2 AT89C51的功能 AT89C51屬于內(nèi)嵌功能較多的單片機(jī)，包括以下各種功能。簡介如下：VCC：供電

21、電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流，當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電

22、阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入

23、。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：口管腳 備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存

24、允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信

25、號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性:XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外

26、部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。2.4 MAX813L芯片1MAX813L加電、掉電以及供電電壓下降情況下的復(fù)位輸出，復(fù)位脈沖寬度典型值為200 ms。獨(dú)立的看門狗輸出，如果看門狗輸入在16 s內(nèi)未被觸發(fā)，其輸出將變?yōu)楦唠娖健?1.25 V門限值檢測器，用于電源故障報警、電池低電壓檢測或5 V以外的電源。門限電壓為4.65V低電平有效的手動復(fù)位輸入11。簡介如下：(1) 手動復(fù)位輸入端（）(2) 當(dāng)該端輸入低電平保持140 ms以上，MAX813L就輸出復(fù)位信號.該輸入端的最小輸入脈寬要求可以有效地消除開關(guān)的抖動。與TTL/CMOS兼容。(3) 工作電源端（VC

27、C）：接+5V電源。(4) 電源接地端（GND）：接0 V參考電平。(5) 電源故障輸入端（PFI）：當(dāng)該端輸入電壓低于125 V時，5號引腳輸出端的信號由高電平變?yōu)榈碗娖健?6) 電源故障輸出端（)：電源正常時，保持高電平，電源電壓變低或掉電時，輸出由高電平變?yōu)榈碗娖健?7) 看門狗信號輸入端（WDI）：程序正常運(yùn)行時，必須在小于16 s的時間間隔內(nèi)向該輸入端發(fā)送一個脈沖信號，以清除芯片內(nèi)部的看門狗定時器。若超過16 s該輸入端收不到脈沖信號，則內(nèi)部定時器溢出，8號引腳由高電平變?yōu)榈碗娖健?8) 復(fù)位信號輸出端（RST）:上電時，自動產(chǎn)生200 ms的復(fù)位脈沖；手動復(fù)位端輸入低電平時，該端也

28、產(chǎn)生復(fù)位信號輸出。(9) 看門狗信號輸出端（）:正常工作時輸出保持高電平，看門狗輸出時，該端輸出信號由高電平變?yōu)榈碗娖健?.5 LCD1602芯片所謂1602是指顯示的內(nèi)容為16*2,即可以顯示兩行，每行16個字符。目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的12。因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。字符型LCD1602通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣，引腳定義如表2.1所示：表2.1 LCD1602引腳定義其

29、地址和屏幕的對應(yīng)關(guān)系如表2.2：表2.2地址與屏幕對應(yīng)關(guān)系2.6 74HC59574HC595 是一款漏極開路輸出的CMOS 移位寄存器，輸出端口為可控的三態(tài)輸出端，亦能串行輸出控制下一級級聯(lián)芯片13。管腳功能如表2.3所示表2.3 74HC595引腳功能表管腳編號 管腳名 管腳定義功能1、2、3、4、5、6、7、15 QAQH 三態(tài)輸出管腳 8 GND 電源地 9 SQH 串行數(shù)據(jù)輸出管腳 10 SCLR 移位寄存器清零端 11 SCK 數(shù)據(jù)輸入時鐘線 12 RCK 輸出存儲器鎖存時鐘線 13 OE 輸出使能 14 SI 數(shù)據(jù)線 15 VCC 電源端 真值表如表2.4所示表2.4 74HC5

30、95真值表 輸入管腳 輸出管腳 SI SCKSCLRRCKOEX X X X H QAQH 輸出高阻 X X X X L QAQH 輸出有效值 X X L X X 移位寄存器清零 L 上沿 H X X 移位寄存器存儲L H 上沿 H X X 移位寄存器存儲H X 下沿 H X X 移位寄存器狀態(tài)保持 X X X 上沿 X 輸出存儲器鎖存移位寄存器中的狀態(tài)值 X X X 下沿 X 輸出存儲器狀態(tài)保持 3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計在一系列的理論分析之后，本次設(shè)計將采用根據(jù)功率因數(shù)來確定補(bǔ)償容量的方法，再根據(jù)當(dāng)前無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，我們采用并聯(lián)電容器型的無功補(bǔ)償裝置。它具有連線和控制方式簡單，電容使用

31、效率高及不產(chǎn)生諧波污染等優(yōu)點(diǎn)。電壓互感器和電流互感器將信號轉(zhuǎn)成小電流，經(jīng)過電路處理后發(fā)給ADC0809。ACD0809再將模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號。再將此信號傳給單片機(jī)。單片機(jī)控制電容投入或切除。并將結(jié)果送入顯示器顯示。圖3.1為無功功率補(bǔ)償控制器系統(tǒng)的框圖。圖3.1 系統(tǒng)框圖3.1 電源電路系統(tǒng)需要+5V直流電源。從外部引進(jìn)的一路220V交流電壓經(jīng)過變壓器TF3變換成AC9V電壓，橋整BRIDGE1整流成+12V的直流電壓，穩(wěn)壓塊7805將+12V穩(wěn)壓到+5V輸出，供需要的器件使用14。系統(tǒng)的供電電源原理如圖3.2所示。+5V在原理圖中標(biāo)注為VCC。圖3.2 AT89C51接腳說明3.2 A/D

32、轉(zhuǎn)換電路ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝。下面說明各引腳功能。 IN0IN7：8路模擬量輸入端。 2-12-8：8位數(shù)字量輸出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路 ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 START： AD轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。 EOC： AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)

33、門，輸出數(shù)字量。 CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。 Vcc：電源，單一5V。 GND：地。3路模擬開關(guān)與輸入通道如表3.1所示表3.1 3路模擬開關(guān)與輸入通道的關(guān)系表同入通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7A010101O1B00110011C00001111ADC0809芯片可以分時處理8路模擬量輸入信號，使用模擬開關(guān)切換。在某一時刻，模擬開關(guān)只能與一路模擬量通道接通，對該通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。表3.1中C、B、A是三條通道的地址線15。當(dāng)?shù)刂匪嫘盘朅LE為高電平時，C、B、A 三條線上的數(shù)據(jù)送入ADC0809內(nèi)

34、部的地址鎖存器中，經(jīng)過譯碼器譯碼后選中某一通道16。當(dāng)ALE=0時，地址鎖存器處于鎖存狀態(tài)，模擬開關(guān)始終與剛才選中的輸入通道接通。選中通道的模擬量到達(dá)A/D轉(zhuǎn)換器時，A/D轉(zhuǎn)換器并未對其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。只有當(dāng)轉(zhuǎn)換啟動信號端START出現(xiàn)下降沿并延遲后，才啟動芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，START的上升沿復(fù)位ADC080917。ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換過程是在時鐘信號的協(xié)調(diào)下進(jìn)行的，ADC0809的時鐘信號由CLOCK端送入，其最高頻率為640MHz，在這個最高頻率下ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換時間為100uS左右18。當(dāng)ADC0809用于AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)時，若AT89C51用12MHz的晶振，

35、ALE輸出為1/6，即2MHz。則ADC0809的時鐘信號可以由AT89C51的ALE經(jīng)過一個四分頻電路獲取。這時ADC0809的時鐘頻率為500KHz，A/D轉(zhuǎn)換時間為130uS。ADC0809常用的時鐘電路如圖3.3 ，A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3.4。 圖3.3 ADC0809常用的時鐘電路圖（4分頻）A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果(8位數(shù)字量)送到三態(tài)鎖存輸出緩沖器，此時A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果還沒有現(xiàn)在DB0-DB7八條數(shù)字量輸出線上，單片機(jī)不能獲取之19。單片機(jī)要想讀到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，必須使ADC0809的允許輸出控制端OE為高電平，打開三態(tài)輸了鎖存器，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)在DB0-DB7上。單片

36、機(jī)讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的方法有三種(1)延遲法單片機(jī)啟動ADC0809后，延時130uS以上，可以讀到正確的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。(2)查詢法EOC必須接到AT89C51的一條I/O線上。單片機(jī)啟動ADC0809后，延遲10uS，檢測EOC，若EOC=0則A/D轉(zhuǎn)換沒有結(jié)束，繼續(xù)檢測EOC直到EOC=1。當(dāng)EOC=1時，A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，單片機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。(3)中斷法EOC必須經(jīng)過非門接到AT89C51的中斷請求輸入線INT0或INT1上，AT89C51的中斷觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)。單片機(jī)啟動A/D轉(zhuǎn)換后可以做其它工作，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC由01經(jīng)過非門傳到INT端，AT89C51收到中斷

37、請求信號，若AT89C51開著中斷，則進(jìn)入中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中單片機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。本設(shè)計中即采用這種方法。圖3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路3.3 看門狗電路本系統(tǒng)采用MAXIM公司的低成本微處理器監(jiān)控芯片MAX813L構(gòu)成硬件狗與AT89C51的接口電路如圖3.5所示。MR與WDO經(jīng)過一個二極管連接起來，WDI接單片機(jī)的P2.7口，RESET接單片機(jī)的復(fù)位輸入腳RESET，MR經(jīng)過一個復(fù)位按鈕接地。該監(jiān)控電路的主要功能如下：（1）系統(tǒng)正常上電復(fù)位：電源上電時，當(dāng)電源電壓超過復(fù)位門限電壓4.65V，RESET端輸出200ms的復(fù)位信號，使系統(tǒng)復(fù)位。（2）對+5V電源進(jìn)行監(jiān)視：當(dāng)+5V電

38、源正常時，RESET為低電平，單片機(jī)正常工作；當(dāng)+5V電源電壓降至+4.65V以下時，RESET輸出高電平，對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。（3）看門狗定時器被清零，WDO維持高電平；當(dāng)程序跑飛或死機(jī)時，CPU不能在1.6s內(nèi)給出“喂狗”信號，WDO跳變?yōu)榈碗娖?，由于MR端有一個內(nèi)部250mA的上拉電流，D導(dǎo)通MR獲得有效低電平，RESET端輸出復(fù)位脈沖，單片機(jī)復(fù)位，看門狗定時器清零，WDO又恢復(fù)成高電平。（4）手動復(fù)位：如果需要對系統(tǒng)進(jìn)行手動復(fù)位，只要按下手動復(fù)位按鈕，就能對系統(tǒng)進(jìn)行有效的復(fù)位。圖3.5 MAX813L與89c51接口圖3.4 LCD顯示本次設(shè)計采用1602型LCD顯示，現(xiàn)在的字符型液晶模

39、塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計中最常用的信息顯示器件了。1602型LCD顯示模塊具有體積小，功耗低，顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)20。1602型LCD可以顯示2行16個字符，有8位數(shù)據(jù)總線D0D7和RS，R/W，EN三個控制端口，工作電壓為5V，并且具有字符對比度調(diào)節(jié)和背光功能。1外型尺寸：80X36X13（LXWXH）2接口信號說明接口信號說明如表3.2所示。表3.2 1602型LCD接口信號說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2Data I/O2VDD電源正極10D3Data I/O3VL液晶顯示偏壓信號11D4Data I/O4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）12D5Data I/O5R/

40、W讀寫選擇端（H/L）13D6Data I/O6E使能信號14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正極8D1Data I/O16BLK背光源負(fù)極3主要技術(shù)參數(shù)表3.3 1602型LCD的主要技術(shù)參數(shù)顯示容量16X2個字符芯片工作電壓4.55.5V工作電流2.0mA（5.0V）模塊最佳工作電壓5.0V字符尺寸2.95X4.35(WXH)mm4與8051接口電路M-162液晶顯示模塊可以和單片機(jī)AT89C51直接接口，電路如圖3.6所示。圖3.6 AT89C51與DM-162接口電路3.5 模擬信號處理電路3.5.1電流和電壓相位檢測電路 當(dāng)電流和電壓波形一致，即電流和電壓的

41、相位差為零時，此時的功率因數(shù)最高，無功功率為零。當(dāng)電流和電壓的波形不一致時，存在兩種情況：一種是電流的波形在電壓的波形之前到達(dá)，這種情況稱為電流超前于電壓；另一種是電流的波形在電壓波形之后到達(dá)，這種情況稱為電流滯后于電壓。電壓與電流的相位差的余弦稱為功率因數(shù)。相位檢測電路就是要檢測到電流和電壓的相位差，并且要檢測電流是超前還是滯后。只要檢測到這兩個數(shù)據(jù)即可控制電力電容的投入或者切除。根據(jù)檢測的相位差余弦查表來求得當(dāng)前的功率因數(shù)，再根據(jù)當(dāng)前功率因數(shù)與設(shè)定的功率因數(shù)比較，如果當(dāng)?shù)墓β室驍?shù)大于設(shè)定的功率因數(shù)，并且為滯后或者功率因數(shù)等于1.00，則不進(jìn)行投入，如果為超前，則切除電力電容；如果當(dāng)前的功率

42、因數(shù)小于設(shè)定的功率因數(shù)，則進(jìn)行電容補(bǔ)償容量的判斷是否投入電容來提高功率因數(shù)，減少無功功率。功率因數(shù)是否等于1.00由單片機(jī)計算而得。如果為1.00則不進(jìn)行任何操作。如果不為1.00且大于設(shè)定功率因數(shù)，則將電壓電流得出的信號輸入D觸發(fā)器，再將觸發(fā)得出的結(jié)果送入單片機(jī)21。由單片機(jī)處理是否投入或者切除電容。從圖3.7可以看到，電壓波形的采樣是采用一個變壓器TF1，TF1把交流220V電壓變換成12V的交流電壓，經(jīng)過R27限流以及D4和D5的箝位送到LM393的第6腳負(fù)輸入端。LM393的第5腳正輸入端接地。需要注意的是，此時LM393是一個電壓比較器。因?yàn)長M393的第5腳正輸入端接地，所以它是一

43、個過零比較器，當(dāng)電壓波形過零時，LM393的第7腳輸出端電平反轉(zhuǎn)。LM393的第7腳輸出端接到ADC0809的IN1端口和D觸發(fā)器CLK端。圖3.7電壓轉(zhuǎn)換電路如流波形的采樣如圖3.8所示，通過一個電流互感器把0到5A的交流信號變換成0到50mA的交流小信號，再經(jīng)過R19限流以及D2和D3的箝位送到LM393的第2腳負(fù)輸入端。LM393的第3腳正輸入端接地。LM393在這里是一個電壓比較器。因?yàn)長M393的第3腳正輸入端接地，所以它是一個過零比較器，當(dāng)電流波形過零時，LM393的第1腳輸出端電平反轉(zhuǎn)。LM393的第1腳輸出端接到ADC0809的IN0口和D觸發(fā)器D端。圖3.8電流轉(zhuǎn)換電路3.5

44、.2 D觸發(fā)器控制電路 D觸發(fā)器如圖3.9所示，控制切斷或者投入電容。電流信號接入D觸發(fā)的CLK端。當(dāng)電流滯后電壓時，D觸發(fā)時鐘為上升沿。D端為“0”。Q端輸出為“0”。將Q端輸出送入單片機(jī)的I/O口。單片機(jī)根據(jù)功率因數(shù)情況決定是否切斷電容。若電流超前電壓，D端置“1”，當(dāng)電壓信號來到時，CLK為上升沿，Q輸出高電平“1”。并送入單片機(jī)處理。單片機(jī)根據(jù)功率因數(shù)情況決定是否切斷電容。圖3.9 D觸發(fā)器控制電路3.5.2電流和電壓信號采集電路 電流互感器把0到5A的交流信號變換成0到50mA的小信號，此處100R是假負(fù)載，0.05AX100R=5V。經(jīng)過二極管整流和C20和C21電容濾波，R20和

45、R22分壓后，再傳給0809的IN0端進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。電路圖如圖3.10所示。圖3.10 電流采集電路電壓變壓器把交流220V變成交流9V的小信號電壓，經(jīng)過橋整，C23的濾波，以及R25和R24的分壓后，再送到0809的IN1進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。電路圖如圖3.11所示。圖3.11 電壓采集電路3.6電容補(bǔ)償控制電路本電路主要功能是投入或者切除電容。為了讓電路用較小的電流去控制較大電流，繼電器起一種“自動開關(guān)”的作用。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。而啟動繼電器則使動ULN芯片，它內(nèi)部集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器。電容補(bǔ)償分為兩組，每一組由單片機(jī)一個I/O口控

46、制。每一個I/O口又控制8組電容。單片機(jī)發(fā)串行數(shù)據(jù)給74HC595的串行輸入端口，由74HC595實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換。74HC595的CLK由單片機(jī)的I/0發(fā)送控制。由QA到QH輸出給發(fā)光二極管。二極管燈亮，表示此路電容投入工作。再由發(fā)光二極管傳入TLP521_4芯片。TLP521光耦導(dǎo)通，并將信號再傳至ULN2003的輸入端。再由ULN2003輸出端發(fā)信號啟動繼電器IN4007。繼電器通電導(dǎo)通，電容連入電路進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償后的功率因數(shù)經(jīng)單片機(jī)計算后判斷是否投入更多電容，或者切除部分電容。硬件連接如圖3.12所示。圖3.12電容補(bǔ)償控制電路4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計在軟件設(shè)計上我們采用匯編語言，用匯編語言用來

47、編制系統(tǒng)軟件和過程控制軟件，其目標(biāo)程序占用內(nèi)存空間少，運(yùn)行速度快，有著高級語言不可替代的用途。4.1主程序設(shè)計本次設(shè)計的裝置主要的投切標(biāo)準(zhǔn)是功率因數(shù)和測量電壓，本裝置采用默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)功率因數(shù)為。隨器補(bǔ)償應(yīng)以配變?nèi)萘康?%8%選擇電容器容量效果較好，因?yàn)檫@大約相當(dāng)于配電變壓器空載時的無功功率，又電容器補(bǔ)償容量可近似為，則本次設(shè)計一共設(shè)了2組容量為100nj400電容器組，方便控制和調(diào)節(jié)補(bǔ)償容量，采用2相共同補(bǔ)償。首先檢測電壓電流數(shù)值。經(jīng)計算后，若功率因數(shù)為1，則無需補(bǔ)償。再次檢測，直至功率因數(shù)不為1。當(dāng)檢測到到的功率因數(shù)小于0.90時，投入第一組電容器組；再進(jìn)行第二次檢測，計算得到功率因數(shù)再于默認(rèn)

48、值進(jìn)行比較，若實(shí)際功率因數(shù)仍然小于0.90的話，繼續(xù)投入第二組電容器組。當(dāng)檢測到功率因數(shù)大于0.90時，若電流滯后電壓，即電網(wǎng)處于容性狀態(tài)，無功補(bǔ)償過量，則立即切除第一組電容；繼續(xù)檢測電壓，若電壓仍然高于標(biāo)準(zhǔn)的話，則切除第二組電容器組。補(bǔ)償完畢后，將功率因數(shù)、電壓、電流送入顯示電路顯示。主要的程序流程如圖4.1所示。4.2中A/D轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換分為兩部分：電壓與電流轉(zhuǎn)換。電壓與電流轉(zhuǎn)換相似。如圖4.2以電壓轉(zhuǎn)換為例。首先運(yùn)行主程序，單片機(jī)P2.1口向ALE發(fā)送“1”，允許地址輸入。P2.0口向ADDA發(fā)送“1”，選中電壓口IN1。單片機(jī)P2.1口向ALE發(fā)送“0”，開啟0809的地址鎖

49、存。檢測后的電壓數(shù)據(jù)送入0809。P2.2口向0809START發(fā)送下降沿信號，開啟A/D轉(zhuǎn)換。若轉(zhuǎn)換結(jié)束，即EOC=1，EOC由一個非門向單片機(jī)的中斷INTO，則進(jìn)入延時程序，在中斷服務(wù)程序中單片機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。讀取后，由P2.2向START發(fā)上升沿復(fù)位0809。 圖4.1主程序流程圖 圖4.2 電壓轉(zhuǎn)換流程圖4.3電容補(bǔ)償控制電路軟件設(shè)計電容補(bǔ)償是在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，單片機(jī)由采到的數(shù)據(jù)控制投入或切除電容。如圖4.3所示。若計算結(jié)果，說明電壓與電流相位差為0，功率因數(shù)最高，不需要補(bǔ)償，系統(tǒng)跳回檢測狀態(tài)。若不為1，則需要判斷是否大于0.9。若小于0.9，則按計算結(jié)果再次計算，應(yīng)該投入多少電容，將2組電容投入電路。若大于0.9，則跟據(jù)D觸發(fā)器控制電路的Q輸出結(jié)果，若為“0”，說明電路程感性，不需要操作。若為“1”，說明電路呈容性。再由單片機(jī)計算切除多少電容。最后啟動顯示電路，顯示結(jié)果。程序跳回檢測狀態(tài)。圖4.3電容補(bǔ)償電路軟件設(shè)計流程圖結(jié) 論無功補(bǔ)償技術(shù)在邊沿科學(xué)如電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)發(fā)展的推動下，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域取得了很大的發(fā)展，形成了多種補(bǔ)償方式。本文在對無功補(bǔ)償