解决三相不平衡问题的无功补偿器的设计

目 录摘 要I ABSTRACTII 第一章 绪论1 第二章 功率因数补偿系统的设计概述5 2.1 功率因数的计算.5 2.2 低压无功功率设备安装的原则与方法.6 2.2.1 电容器装置控制方式的选择7 2.2.2 各种无功补偿设备及补偿方式7 2.3 投切方式分类9 2.3.1 延时投切方式9 2.3.2 瞬时投切方式10 2.3.3 混合投切方式11 2.4 无功功率补偿器设计的总体框图11 第三章 功率补偿系统单元电路的设计13 3.1 AT89C52单片机13 3.2 相位差检测单元电路的设计20 3.2.1 相电压、相电流输入电路21 3.2.2 相位差的检测22 3.2.3 相位差的计算24 3.3 投切电容电路的设计28 3.3.1 8255A28 3.3.2 柔性投切电路.30 3.3.3 过零投切电路与8255A的接口33 3.4 三相功率因数的显示电路设计34 3.4.1 LED显示器34 3.4.2 8255A与LED显示器的接口36 3.5 RS-232C串行通信接口38 3.5.1 RS-232C标准38 3.5.2 MAX232与AT89C52的接口电路39 3.6 “看门狗”单元电路设计40 3.6.1 微处理器监控器MAX690A40 3.6.2 MAX690A与AT89C52的接口42 3.7 电源电路设计44 第四章 系统软件部分设计45 4.1 主程序设计流程图45 4.2 子程序设计流程图46第二章 功率因数补偿系统的设计概述2.1 功率因数的计算 在交流输电线路中，由于负载特性的影响，电路中相电压，相电流之间存在相位差，其角度大小取决于负载所呈现的感性或容性的程度。若以表示相位差，则：= (2-1) 式中：R为负载电阻； XL为负载电抗， XC为负载容抗。 负载中消耗的有功功率为P： (2-2)由(2-1) 式可得： p=UIco (2-3)如图2-1所示，表示有功功率、无功功率和及视在功率之间的关系。图 2-1 功率三角形图式（2-3）中：U,I分别为电力线路中母线上的相电压和相电流的有效值，若令S=UI,称S为视在功率（其中包括有功功率和无功功率），则(2-3)写作：p=Scos则：cos=若用Q表示补偿电容的容量，则Q=PK；其中P为有功功率；K=tan1-tan2； 1为改善前的功率因数角； 2为改善后的功率因数角； 在确定并联电容器的容量后，就可以选择并联电容器的型号和规格，并确定并联电容器数量。如果为单相补偿，还应取为3的倍数，以便三相均衡分配。2.2 三相不平衡功率补偿设备安装原则与方法 1. 在电力系统中，安装容性设备或装置以提高功率因数时，其安装位置应尽量靠近负载端，以增大补偿的效率。 2. 容性装置安装在低压侧时，对低压用电设备容量较大的电器(如：感应电动机、感应电炉、电焊机等)，可以采用个别装设的办法，以补偿局部无功功率消耗的情况；而对于低压小容量零星设备，则可以采用集中在低压配电柜母线侧加装低压电容器的办法集中补偿，既经济又方便维护。 3. 对低压侧电动机做个别补偿时，电容器的开关与电动机同时运行(见图2-2)，则效果最好。因为当电动机不工作时，则不必加装补偿电容，以避免由于补偿过度，而导致线路中的无功电流反向增大的现象。 4. 补偿电容器的容量以提高功率因数至90%为宜，不需要提高太多，以节约投资，同时避免由于补偿过度，而导致线路中过大的充放电电流。 图 2-2 电容器位置与开关同步操作2.2.1 电容器装置控制方式的选择 任何改善功率因数的装置，都是通过降低无功电流来达到减小总电流，但当电容量补偿过大时，又会形成部分无功电流过大而导致总电流反而增大的现象。如何才能达到最佳的补偿效果，这与用电设备的使用时间和连续性、非连续性有着很大的关系。根据用电设备的使用情况，将补偿电容器进行设计分组，采用不同的控制方式，以适应不同的电力设备，无功功率补偿装置在电子供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统，电压波动，谐波增大等诸多因素。表2-3、2-4是通过研究得出的电容器装置分组情况及控制方式。 表 2-3 补偿电容器装置分组情况用电设备运转特性电容器装置分组全部连续性部分连续运行型，部分为半连续型非连续运行型固定型补偿固定型补偿器一组，可切换补偿器一组固定型补偿器椅子，补偿器三组表 2-4 补偿电容器装置控制方式控制方式用电设备特性计算机自动控制计算机时间控制手动控制用电量较大，负载变动大，且各时段设备开关率都不同每日定时变化用电量（工作时段较固定）；每周设备的开关情况基本稳定24小时用电量差异不大，或偶尔变化量较大时，且可以方便手动操作的场合第三章 补偿系统单元电路的设计 单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点，故此设计应用单片机来实现无功功率补偿器的各种功能。 单片机作为最典型的嵌入式系统，它的成功应用推动了嵌入式系统的发展。近年来，除了各种类型的工控机，各种以通用微处理器构成的计算机方板模块，以通用微处理器为核，片内扩展一些外围功能电路单元构成的嵌入式微处理器，甚至单片形态的PC机等，都实现了嵌入式应用，成为嵌入式系统的庞大家族。 16位单片机虽然拥有运算速度快、处理能力强、I/O接口较丰富等优点，但其价格亦相对于8位单片机较昂贵，而此设计8位单片机已能够实现，故仍用8位单片机。 在众多的单片机系列中，AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系列可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，也适用于常规编程。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超高效的解决方案。 AT89C52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，3个16位定时器/计数器，一个响亮2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89C52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。故此选用AT89C52单片机。3.1 AT89C52单片机3.1.1 AT89C52单片机的硬件结构 如图3-1所示，为AT89C52的硬件结构图。AT89C52单片机的内部结构与MCS-51系列单片机的构成基本相同。CPU是由运算器和控制器所构成的。运算器主要用来对操作数进行算术、逻辑运算和位操作的。控制器是单片机的指挥控制部件，主要任务的识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。它的程序存储器为8K字节可重擦写Flash闪速存储器，闪烁存储器允许在线+5V电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。数据存储器比51系列的单片机相比大了许多为256字节RAM。AT89C52单片机的指令系统和引脚功能与MCS-51的完全兼容。FLASHCPU串行通讯口RAM输入输出接口计数器定时器时钟 图 3-1 单片机89C52结构框图3.1.2 主要性能参数 8K字节可重擦写Flash闪速存储器 1000次可擦写周期 全静态操作：0Hz-24MHz 三级加密程序存储器 2568字节内部RAM 32个可编程I/O口线 3个16位定时/计数器 8个中断源 可编程串行UART通道 低功耗空闲和掉电模式 图 3-2 AT89C52外部引脚图3.1.3 AT89C52管脚说明VCC：电源GND：接地P0口：P0口是一个8位漏级开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0口端口写“1”时，引脚作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接受指令字节：在程序效验时，输出指令字节。程序效验时，需要外部上拉电阻。 P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位是双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑电平。对P1口写“1”时，内部上拉电阻的原因，将输出电流ILL。 此外，与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输出（P1.1/T2EX），具体如下表所示。 表 3.1 P1.0和P1.1的第二功能 引脚号功能特性P1.0T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出P1.1T2EX定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制 在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑电平。对P2口写“1”时，通过内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流ILL。 在访问外部好曾许存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在Flash编程和校验时，P2口接收低8位地址字节和一些控制信号。 P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑电平。对P3口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入端口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流ILL。P3口除了作为一般、的I/O口线外，更重要的是它的第二功能，如下表所示。 表 3.2 P3口引脚第二功能引脚号第二功能P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD（串行输出）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通） 在Flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 RST：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期以高电平将使用单片机复位。 ALE/：地址锁存器控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚（）也使用作编程输入脉冲。 在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。 如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 ：外部程序储存器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。当AT89C52从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据储存器时，将不被激活。 ：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000HFFFFH的外部程序存储器读取指令，端必须保持低电平（接地）。为了执行内部程序指令，应该接VCC。 在flash编程期间，也接受12伏VPP电压。 XTA L1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 XTA L2：振荡器反相放大器的输出端。3.1.4 存储器结构 MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。1. 程序存储器 如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于89C52，如果EA接VCC，程序先从内部存储器（地址为0000H1FFFFH）开始，接着从外部寻址，寻址范围为：2000HFFFFH。2. 数据存储器 AT89C52有256字节RAM。高128字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于7FH的地址时，寻址方式决定CPU访问高字节RAM还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。3.1.5 定时器1. 定时器0和定时器1在AT89C52中，定时器0和定时器1都是16位加法计数结构，分别由TH0（地址8CH）和TL0（地址8AH）及TH1（地址8DH）和TL1（地址8BH）两个8位计数器组成。这4个计数器均属于专用寄存器之列。每个定时器/计数器都有定时和计数两种功能。2. 计数功能 所谓的计数功能是指对外部事件进行计数。外部事件的发生以输入脉冲表示，因此计数功能的实质就是对外脉冲进行计数。MCS-51系列的芯片有T0（P3.4）和T1（P3.5）两个信号引脚，分别就是这两个计数器的计数输入端。外部输入的脉冲在负跳变时有效，进行计数器加1。计数方式下，单片机在每个机器周期的S5P2拍节对外部计数脉冲进行采样。如果前一个机器周期采样为高电平，后一个机器周期采样为低电平，即为一个有效计数脉冲。在下一个机器周期的S3P1进行计数。可见采样计数脉冲是在2个机器周期进行的。鉴于此，计数脉冲的频率不能高于振荡脉冲的频率不能高于振荡脉冲频率的1/24。3. 定时功能 定时器也是通过计数器的计数来实现的，不过此时的计数脉冲来自单片机的内部，即每个机器周期产生一个计数脉冲。也就是每个机器周期计数加1。由于一个机器周期等于12个振荡脉冲周期，因此计数频率为振荡频率的1/12。如果单片机采用12MHz晶体，则计数频率为1MHz。即每微秒计数器加1。这样不但可以根据计数值计算出定时时间，也可以反过来按定时时间的要求计算出计数器的预置值。4. 定时器2 定时器2是一个16位定时器/计数器，它既可以作定时器，又可以做事件计数器。其工作方式由特殊寄存器T2CON中的C/T2位选择（如表2所示）。定时器2有三种工作模式：捕捉方式、自动重载（向上或向下计数）和波特率发生器。如表3.3所示，工作模式由T2CON中的相关为选择。定时器2有2个8位寄存器：TH2和TL2。在定时工作方式中，每个机器周期，TL2寄存器都会加1。由于一个机器周期由12个晶振周期构成，因此，计数频率就是晶振频率的1/12。表 3.3 定时器2工作模式RCLK+TCLKCP/RL2TR2MODE00116位自动重载01116位捕捉11波特率发生器0不用 在计数工作方式下，寄存器在相关外部输入角T2发生1至0的下降沿时增加1。在这种方式下，每个机器周期的S5P2期间采样外部输入。一个周期采样到高电平，而下一个周期采样到低电平，计数器加1。在检测到跳变的这个周期的S3P1期间，新的计数值出现在寄存器中。因为识别10的跳变需要2个机器周期（24个晶振周期），所以，最大的计数频率不高于晶振频率的1/24。为了确保给定的电平在采样前采样到一次，电平应该至少在一个完整的机器周期内保持不变。表3.4 T2MOD-定时器2控制寄存器 T2MOD地址：0C9H 复位值：00B-T2OEDCEN76543210符号功能无定义，预留扩展T2OE定时器2输出允许位DCEN置1后，定时器2可配置向上或向下计数3.1.6 中断 AT89C52有6个中断源：两个外部中断（INT0和INT1），三个定时中断定时器0、1、2和一个串行中断。每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。IE还包括一个中断总控制位EA，它能禁止所有中断。 如表3.5所示，IE.6位是不可用的。对于AT89S52，IE.5位也是不能用的。用户软件不应给这些位写1。它们为AT89系列新产品预留。定时器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的或逻辑触发。程序进入中断服务后，这些标志位都可以由硬件清0。实际上，中断服务程序必须判定是否是TF2或EXF2激活中断。标志位也必须由软件清0。定时器0和定时器1标志位TF0和TF1在计数溢出的那个周期的S5P2被置位。它们的值一直到下一个周期被电路捕捉下来。然而，定时器2的标志位TF2在计数溢出的那个周期被置位，在同一个周期被电路捕捉下来。表 3.5 中断允许控制位符号位地址功能EAIE.7中断允许控制位，EA=0，中断总禁止；EA=1，各中断由各自的控制位设定-IE.6预留ET2IE.5定时器2中断允许控制位ESIE.4串行口中断允许控制位ET1IE.3定时器1中断允许控制位EX1IE.2外部中断1允许控制位ET0IE.1定时器0中断允许控制位EX0IE.0外部中断0允许控制位3.1.7 晶振特性 AT89C52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。从外部时钟远驱动器件的话，XTAL2可以不接，而从XTAL1接入。由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有其它要求，最长低电平持续时间和最少高电平持续时间等还是要符合要求的。 石英晶振 C1，C2=30PF+-10PF 陶瓷谐振器 C1，C2=40PF+-10PF3.1.8 空闲模式 在空闲工作模式下，CPU处于睡眠状态，而所有片上外部设备保持激活状态。这种状态可以通过软件产生。在这种状态下，片上RAM和特殊功能寄存器的内容保持不变。 空闲模式可以被任一个中断或硬件复位中止。由硬件复位终止空闲模式只需两个机器周期有效复位信号，在这种情况下，片上硬件禁止访问内部RAM，而可以访问端口引脚。空闲模式被硬件复位终止后，为了防止预想不到的写端口，激活空闲模式的那一条指令的下一条指令不应该是写端口或外部存储器。3.1.9 掉电模式在掉电模式下，晶振停止工作，激活掉电模式的指令是最后一条执行指令。片上RAM和特殊功能寄存器保持原值，直到掉电模式终止。掉电模式可以通过硬件复位和外部中断退出。复位重新定义例如SFR的值。在VCC未恢复到正常工作电压时，硬件复位不能无效。并且应保持足够长的时间以使晶振重新工作和初始化。表 3.6 空闲模式和掉电模式下的外部引脚状态模式程序存储器ALEPESNPORT0PORT1PORT2PORT3空闲内部11数据数据数据数据空闲外部11浮空数据地址数据掉电内部00数据数据数据数据掉电外部00浮空数据数据数据3.2 相位差检测单元电路的设计 如图3-5所示相位差检测单元电路的设计主要包括以下几部分： 1. 采集要进行补偿线路的信号（及该线路的电压和电流）并进行相应的处理。由于直接采集到的线路电压和电流都比较大，不能直接进行分析和控制。可以将采集到的线路电压U和电流I分别经过电压/电流互感器处理后再进行分析。为了便于比较，I经过电流互感器处理后再经过I/U变换后变成Ui信号。 2. 将得到的U和Ui信号分别传送到电压比较器，得到两组方波信号1、2。电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元。 3. 将得到的两组方波信号输入鉴相电路。输出信号0的宽度反映了两信号之间的相位差。电压比较器将输入的交流信号变成方波信号1、2，经过由D触发器构成的鉴相电路后，输出信号0的宽度反映了两信号之间的相位差。 4. 将得到的信号送入计数器8253处理，并将8253与单片机AT89C52进行连线。AT89C52单片机检测到计数结束信号后，通过总线从8253读出计数值，供单片机处理。 图 3-5 相位差检测框图3.2.1 相电压、相电流输入电路 线路上的电压和电流都比较大，不能直接用来进行分析，可以用一定的方法将其降压后再进行处理。本设计中使用电压/电流互感器来进行降压。电压互感器按原理分为电磁感应式和电容分压式两类。电磁感应式多用于 220kV及以下各种电压等级。电容分压式一般用于110kV以上的电力系统,330765kV超高压电力系统应用较多。电压/电流互感器和变压器的工作原理基本相同,都是运用电磁感应原理来工作的。基本结构也是铁心和原、副绕组。特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态。电压互感器本身的阻抗很小，一旦副边发生短路，电流将急剧增长而烧毁线圈。为此，电压互感器的原边接有熔断器，副边可靠接地，以免原、副边绝缘损毁时，副边出现对地高电位而造成人身和设备事故。变压器的作用是将一种等级的电压变换成另一种等级的同频率的电压,它只能实现电压的变换,不能实现功率的变换。互感器分为电压互感器和电流互感器。电压互感器的作用是供给测量仪表,继电器等电压,从而正确的反映一次电气系统的各种运行情况。使测量仪表,继电器等二次电气系统与一次电气系统隔离,以保证人员和二次设备的安全,将一次电气系统的高电压变换成同样标准的低电压值(100伏,100/1.732伏,100/3伏)。电流互感器的作用与电压互感器的作用基本相同,不同的就是电流互感器是将一次电气系统的大电流变换成标准的5A或1A供给继续电器,测量仪表的电流线圈。本设计为三相不平衡功率补偿，所以可以用电磁感应式电压互感器。图 3-6 相电压、相电流输入电路如图所示以A线为例，从三相交流输电线A相取电压信号U，从A取电流信号I，U通过电压互感器电路变换成5V电压信号UU，I通过电流互感器和I/U转换等电路转换成同相位的电压信号Ui。图中的电阻R1、R2、起分压作用。3.2.2 相位差的检测为了将得到的电压信号转化为数字信号进行分析，可以先把电压和电流的余旋波形经过一定的方法转化为方波信号。本设计中采用电压比较器。电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元。本设计中电路只有一个阀值电压，故可采用单限比较器。也称为过零比较器，其阀值电压UT=0V。电路如图3-7所示图3-7 过零比较器电路 为了限制集成运放的差模输入电压，保护其输入端，可加二极管限幅电路，如图3-8所示。 图 3-8 电压比较器电路图把得到的电压信号输入由D触发器构成的鉴相电路（如图3-9）后可以得到两信号的相位差。图 3-9 由D触发器构成的鉴相电路 以A相为例，A相的电压由电压互感器降压隔离后加到电压比较器的输入端，A相的电流由电流互感器经 I/U 变换后加在另一电压比较器的输入端。两电压比较器将输入的交流信号变成方波信号1、2，经过由D触发器构成的鉴相电路后，输出信号0的宽度反映了两信号之间的相位差，如图3-10所示。 图 3-10 相位检测波形图3.2.3 相位差的计算3.2.3.1 计数器8253 1. 引脚及功能 图 3-10 可编程定时器8253外部引线图 D0D7:8位双向数据线。用来传送数据、控制字和计数器的计数初值。 ：选片信号，输入。底电平有效。由系统高位I/O地址译码产生。当它有效时，此定时器芯片被选中。 ：读控制信号，输入。底电平有效。当它有效时表示CPU要对此定时器芯片进行读操作。 ：写控制信号，输入。底电平有效。当它有效时表示CPU要对此定时器芯片进行写操作。A0，A1：地址信号线。高地址信号经译码产生选片信号，决定了8253芯片所具有的地址范围。而A0和A1地址信号则经片内译码产生4个有效地址，分别对应了芯片内部3个独立的计数器（通道）和一个控制寄存器。具体规定如表3.7所示： 表 3.7 计数器选择 A1A000选择计数器001选择计数器110选择计数器211选择控制寄存器 CLK0CLK2：每个计数器的时钟信号输入端。计数器对此时钟信号进行计数。CLK信号是计数器工作的计时基准，因此要求其频率要很精确。 GATE0GATE2：门控信号，用于控制计数的启动和停止。多数情况下，GATE=1时允许计数，GATE0=0时停止计数。但有时仅用GATE的上升沿启动计数，启动后则GATE的状态不再计数过程。 OUT0OUT2：计数器输出信号。在不同的工作方式下将产生不同的输出波形。 2. 8253的内部结构和工作方式 8253的工作方式有6种，本论文的设计主要用到方式0，详细介绍： 方式0：计数结束中断。在这种方式下，在第一个写信号有效时向计数器写入控制字CW，之后其输出端OUT就变成低电平。在第二个有效时装入计数初值，然后经过一个CLK信号的上升沿和下降沿，初值进土计数器。当计数减到零计数结束后，OUT输出变为高电平，该输出信号可作为中断请求信号使用。 在这种方式，当控制字CW(Control Word)写入控制字寄存器，则使OUT输出端变低；在CLK脉冲上升沿检测GATE信号是否有效；若为高电平，则在写入计数初值后，在CLK脉冲下降沿，初值由CR置于CE中；通道开始减1计数，在计数过程中OUT线一直维持为低；直到计数减至“0”时，OUT输出变高。特点有： 由CR-CE的置数只置一次，当减计数到0时，并不重复置入，且输出OUT保持为高。只有再一次写入一个计数值时，才开始新的计数。 在写计数值命令后经过一个输入脉冲，才将计数值装入计数单元CE，下一个脉冲才开始计数。因此，如果设置计数初值为 N，则输出信号OUT是在N+1个CLK脉冲之后才变高的。这个特点在方式1、方式2、方式4和方式5时也是同样的。 在计数过程中，可由门控信号GATE控制暂停。当测得GATE=0时，计数暂停，当GATE变高后就接着计数。 在计数过程中可改变计数值。若是8位计数，在写入新的计数值后，计数器将按新的计数值重新开始计数。如果是16位计数，在写入第一个字节后，计数器停止计数，在写入第二个字节后，计数器按照新的数值开始计数。即改变计数值是立即有效的。 3. 8253计数启动方法 8253计数器的计数过程，可以由程序指令启动，称为软件启动；也可由电路信号启动，称为硬件启动。本设计主要用到软件启动。 软件启动就是CPU用输出指令想计数器写入初值后就启动计数。写入初值后的第一个CLK信号将初值积存器中内容送到计数器中，而从第二个CLK脉冲的下降沿开始，计数器才真正进行减1计数。之后每来一个CLK脉冲都会使计数器减1。4. 相位差检测电路图 3-12 相位差检测电路图8253共占用了4个接口地址，地址范围由高位地址信号决定，高位地址的译码输出接到片选信号，A0和A1分别接到74LS373上，用来寻址芯片内部的3个计数器及控制寄存器。信号、A0、A1与读信号、写信号配合，可以实现对8253的各种读写操作。U0通过与门加到8253的计数器0的门控信号GATE0上，当GATE0为高电平时，计数器计数；GATE0为低电平时，计数器停止计数。门控信号同时还受,AT89C52的P1.2控制，P1.2为高电平时禁止计数，只有当P1.2为低电平时才允许计数，AT89C52的P3.2检测到计数结束信号后，通过总线从8253读出计数值，供单片机处理。5. 计数器8253初始化程序8253计数器的0计数器地址为0800H；1计数器地址为0801H；2计数器地址为0802H；2计数器控制寄存器地址为0803H。0计数器初始化：MOV DPTR , # 0803H ；MOV A,#30H ；MOVX DPTR,A ；MOV DPTR , # 0800H ；MOV A, # 0FFH ；MOVX DPTR, A ；MOVX DPTR, A ；1计数器初始化：MOV DPTR ，#0803H ；MOV A, #70H ；MOVX DPTR, A ；MOV DPTR ,#0801H ；MOV A,#0FFH ；MOVX DPTR, A ；MOVX DPTR, A ；2计数器初始化：MOV DPTR , # 0803H ；MOV A ,#B0H ；MOVX DPTR, A ；MOV DPTR , #0802H ；MOV A, #0FFH ；MOVX DPTR, A ；MOVX DPTR, A ；3.3 投切电容电路的设计 电容器的投切控制元件采用大功率的过零型固态继电器SSR，由于该元件本身封装有过零触发模块且自行工作不需CPU控制，既满足了补偿电容无冲击电流投切的要求，同时也有效地克服了执行元件采用晶闸管控制模块所带来的控制复杂及易受干扰而产生误动作的弊端，提高了系统的可靠性。3.3.1 8255A 8255A是Intel公司生产的为X86系列CPU配套的可编程并行接口芯片。8255A的通用性较强，使用灵活，是一种典型的可编程并行接口。 3.3.1.1 8255A内部结构和工作原理 8255A内部结构包括三个并行数据输入/输出端口，两个工作方式控制电路，一个读/写控制电路和8位总线缓冲器。 1. 8255端口 8255A具有3个8位并行I/O口，称为PA口，PB口和PC口。其中PC口又分为高四位和低四位 A口：是一个数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。 B口：是一个数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器。 C口：是一个数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器。 通常，A口，B口作为数据输入/输出端口，C口作为控制/状态信息端口。C口内部又分为两个4位端口，每一个端口有一个4位锁存器，分别与A口和B口配合使用，作为控制信号输出或状态信息输入端口。 2. 工作方式控制通过控制字设定可以选择三种工作方式：基本输入/输出、选通输入/输出、PA口为双向总线。工作方式控制电路有两个，一个A组控制电路，另一个是B组控制电路。这两组控制电路共有一个控制命令寄存器，用来接收中央处理器发来的控制字。A组控制电路用来控制A口和C口的上半部分。B组控制电路用来控制B口和C口的下半部分。 3. 总线数据缓冲器 总线数据缓冲器是一个三态双向8位缓冲器，作为8255A与系统总线之间的接口，用来传送数据，指令，控制命令以及外部状态信息。 4. 读/写控制逻辑电路读/写控制逻辑电路接收CPU发来的控制信号、RESET、地址信号、等,然后根据控制信号的要求,将端口数据读出,送往CPU或将CPU送来的数据写入端口.5. 各端口的工作状态表 3.8 各端口工作状态端口地址选择操作选择所选端口CPU操作功能0（选中）00A口01读A口内容01B口01读B口内容10C口01读C口内容00A口10写入A 口01B口10写入B口10C口10写入C口11控制寄存器10写入控制字1未选中3.3.1.2 8255A的引脚及引脚功能 8255A共有40个引脚,采用双列直插式封装,如图3-14。图 3-14 8255A的引脚图 ：三态双向数据线 ：A口输入/输出线 ：B口输入/输出线 ：C口输入/输出线 ：片选信号线 ：读信号线 ：写信号线 ：+5V电源 ：复位信号线 ，：地址线 ：地线3.3.2 柔性投切电路为了实现柔性控制，可以使用过零型故态继电器作为控制开关。3.3.2.1 过零型固态继电器 单片机测控系统免不了要对工业现场的各种电气设备进行控制, 这样, 就存在一个单片机的电子电路和电气电路互相连接的问题, 一方面要使单片机的控制信号能够控制电气电路的执行元件(如电动机、电磁铁、继电器、灯泡等负载) , 另一方面, 又要为单片机的电路和电气电路提供良好的电隔离, 以保护单片机电路和人身的安全, 固态继电器(So lidState Relay, 简称SSR ) 能很好地完成这一桥梁作用。 SSR 是一种无触点功率半导体器件, 其特点是: 1. 输入控制电压低(314V ) , 直流或脉冲电压均能作输入控制信号, 驱动电流小, 输入控制电压与TTL、HTL、CMO S、PMO S 电平兼容。 2. 输出、输入间一般采用光电隔离, 隔离绝缘大于2kV , 符合国际电气安全标准。 3. 输出无触点、无噪声、无火化, 开关速度快。 4. 有交流、直流输出方式, 输出电压有多种规格选择。 5. 采用环氧树脂全灌封装, 防尘、耐湿、耐振、寿命长。 由于以上优点, SSR 在单片机测控系统中得到了广泛的应用。根据负载电流的不同, SSR 分交流(AC SSR )和直流(DC SSR ) 2 种, 又根据触发控制形式的不同,ACSSR 又分随机导通(P 型) 和过零触发(Z 型)2 种, 由于ACSSR (Z 型) 对外的干扰非常小, 应用更广。此次设计主要用到过零型故态继电器。 ACSSR (Z 型) 电路如图3-15所示. 图 3-15 过零触发型交流固态继电器结构图 其内部结构由信号输入电路、零电压检测和控制电路、双向可控硅输出及RC 吸收电路构成。当无信号输入时, T 1 管导通, SCR 处于关断状态, SSR 是断开状。 当有信号输入时, T 1 管截止, R5、R6、T 2 组成过零电压检测, 只要R4、R6 的分压超过T 2 的基、射极压降, T 2 管饱和导通, 它使SCR 的控制极箝位在低电压上, 而不能导通, 只有当输入信号加入的同时, 负载电压又处在零电压附近(+ 10V+ 20V 范围) , 来不及使T 2 进入饱和导通, 此时SCR 才能通过R3 注入控制电流而导通, 双向可控硅TRAC 通过R7整流桥SCR整流桥, 得到了触发电流, 故TRAC 导通, 将负载与电源接通.当输入信号撤销后, T 1 进入饱和状态, 它旁路了SCR 的控制电流, 因此, 在SCR 电流过零的瞬间, SCR 将截止, 一旦SCR 截止后, TRAC 也在其电流减小到小于坚持电流的瞬间自动关断, 切断负载与电源间的电流通道。 电路是有过零时开启(并非电压为0V 处导通,而是有一定电压) , 电流过零时关断的特性。固态继电器的驱动电路可以包括隔离耦合电路、功能电路和触发电路三部分。隔离耦合电路，目前多采用光电耦合器和高频变压器两种电路形式。常用的光电耦合器有光三极管、光双向可控硅、光二极管阵列(光伏)等。高频变压器耦合，是在一定的输入电压下，形成约10MHz的自激振荡，通过变压器磁芯将高频信号传递到变压器次级。功能电路可包括检波整流、过零、加速、保护、显示等各种功能电路。触发电路的作用是给输出器件提供触发信号。出电路主要由输出器件(芯片)和起瞬态抑制作用的吸收回路组成，有时还包括反馈电路。目前，各种固态继电器使用的输出器件主要有晶体三极管(Transistor)、单向可控硅(Thyristor或SCR)、双向可控硅(Triac)、MOS场效应管(MOSFET)、绝缘栅型双极晶体管(IGBT)等。如图3-16所示为过零型固态继电器在无功功率补偿电路中的工作原理，只有当单片机发出投切信号且过零检测有同步脉冲信号时，“产生触发脉冲”模块才产生触发脉冲并保持，使过零型固态继电器内部的晶闸管接通，电容平稳投入。需要切除时只要单片机发出切除信号，固态继电器在其流过的电流过零时自然关断，电容器被切除。采用过零型固态继电器能实现等电压投入，零电流切除，所以该控制器对电网冲击小。系统有电后即可打开中断过零检测，过零检测模块在A相电压正向过零时刻产生中断触发脉冲，系统进入中断服务程序。在中断程序运行过程中，对电网的电流、电压进行检测，从而计算出电网无功功率的盈缺量。系统根据盈缺量作为投入或切除补偿电容量大小的依据达到补偿无功功率的目的。 图 3-16 过零型固态继电器工作原理图 图3-17是由固态继电器构成的投切电容电路，通过过零型固态继电器的控制可以达到设计要求的柔性投切。 图 3-17 由固态继电器构成的电容投切电路3.3.3 过零投切电路与8255A的接口如图3-18所示，投切电容器电路主要用到8255A、锁存器74LS373、过零固态继电器等元器件。 图 3-18 投切电容电路图该电路的8255A软件控制字方式为2，即使用PC口的位操作功能，可控制8个量：通过AT89C52的P1.5、P1.6、P1.7控制锁存器74LS37