低压无功补偿控制器的设计

本科毕业论文 设计 低压无功补偿控制器的设计低压无功补偿控制器的设计 系 部 信息工程系 专 业 自动化 学 号 201207022141 学生姓名 崔民正 指导教师 贺焕林 提交日期 2014 年 月 日 2013 JX16 中工 信商 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 目录 第一章 1 1 1 研究背景 1 1 2 无功补偿装置的发展状况 1 1 3 本课题主要研究的内容 4 第二章 无功补偿的原理 5 2 1 无功补偿的原理 6 2 2 低压电网中的几种无功补偿的方式 8 2 3 确定补偿容量的几种方法 9 2 3 1 从提高功率因数需要确定补偿容量 9 2 3 2 从降低线路有功损耗需要来确定补偿容量 9 2 3 3 从提高运行电压需要来确定补偿容量 10 2 4 本章小结 10 第三章 硬件设计 11 3 1 无功补偿装置的技术要求 11 3 1 1 补偿控制应符合技术条件 11 3 1 2 测量精度 11 3 1 3 控制器原理 11 3 2 硬件介绍 12 3 2 2 A D 转换器选型 14 3 2 3 看门狗 16 3 2 4 LCD 显示 17 3 3 模拟信号调理电路 19 3 3 1 互感器信号转换及电流 电压转换电路 19 3 3 2 电压 电流采样及信号处理电路 20 3 4 输出控制电路 21 3 5 本章小结 22 第四章 软件设计 23 4 1 投切原则 23 4 2 功率因数计算 24 4 3 本章小结 26 第五章 总结与展望 27 参考文献 28 致谢 29 附录 1 硬件结构图 30 附录 2 软件程序 30 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 I 摘 要 本课题研究以低压电网无功补偿改造为背景 研制了一种低压无功功率补偿控制器 作为一种非实时的无功补偿装置 该装置以定时的电网监测数据为依据 以城镇低压网 220V 的无功补偿为对象 本文主要研究了无功补偿对电网性能的改善 以及控制器的 软硬件的配置 系统采用单片机 该单片机是美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能5189CAT 的 CMOS 8 位单片机 具有运算速度高 实时性好的特点 软件则使用汇编语言进行编 译 人机操作界面采用 LCD 显示 显示效果较好 A D 转换采用 是一款比较0809ADC 实用的 A D 转换装置 该装置可跟踪电网无功功率的变化并自动补偿 实现了无功补偿 装置的优化运行 具有体积小 原理简单 智能投切等优点 关键词 无功补偿 单片机 低电压 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 II Design of low voltage reactive power compensation controller Abstract What this article studies is based on the alteration of 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 city s low voltage power grids This thesis has discussed the importance of the reactive power compensation for the power grids and introduded the hardware and software of the controller This device s hardware core is AT89C51 SCM which has many merits such as high operating speed This monolithic integrated circuit is the low voltage which American ATMEL Corporation produces a high performance CMOS 8 monolithic integrated circuits On the software Using assembly language to compile Follow the principle of modular To improve the degree of versatility and easy maintenance of the system design The man machine operation contact surface uses the LCD demonstration the demonstration effect is quite good A D transformation uses ADC0809 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 Reactive power compensation SCM Single Chip Micyoco Low voltage 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 0 第一章 1 1 研究背景 目前 我国的电网 特别是广大的低压电网 普遍存在功率因数较低 电网线损较 大的情况 导致此现象的主要原因是众多的感性负载用电设备设计落后 功率因数较低 比如我国的电动机消耗的电能占全部发电量的 70 而由于设计和使用等方面的原因我 国电动机的功率因数往往较低 一般约为 70 0 cos 在这种情况下 采用无功补偿节能技术 对提高电能质量和挖掘电网潜力是十分必要的 世界各国都把无功补偿作为电网规划的重要组成部分 从我国电网功率因数和补偿深度 来看 我国与世界发达国家有不小差距 因此大力推广无功补偿技术是非常必要的 并 且从以下数据 我们也能看出发展无功补偿所能带来的巨大经济效益 2007 年 我国 年总发电量为 32559 亿千瓦时 统计线损率为 8 77 但是这个数字没有包含相当大的 110 千伏 35 千伏 10 千伏的输电线损及 0 38 千伏的低压电网线损 据报道 估计实 际的统计线损率约为 15 即 2007 年全国年线损量约为 4800 亿千瓦时 设全国的理论 线损与统计线损相一致 其中可变线损约占理论总线损的 80 则年可变线损电量约为 3900 亿千瓦时 设当前全国电力网总负荷的当前功率因数 采用无功功率85 0 cos 补偿后 把电力网总负荷的功率因数提高到 则每年可以降低线损约为 39095 0 cos 亿千瓦时 按 0 5 元每千瓦时计 价值约为 185 亿元 设 2007 年全国电网的最大负荷 利用小时数为 5000 小时 则电网的最大负荷约为 2 亿千瓦 当用无功功率补偿法把功 率因数 提高到 全国电网需总补偿容量约为 0 58 亿千瓦 当前85 0 cos 95 0 cos 无功功率补偿装置设备主要为电力电容器 设无功补偿设备每千瓦的平均综合造价为 50 元 则全国无功补偿装置的总投资约为 29 亿元 应当指出 节省 240 亿千瓦时约相当 于一座 400 万千瓦火电厂的年发电量 而建一座 400 万千瓦的火电厂需综合费用约为 300 亿元 同时每年需燃烧煤约为 1200 万吨 每年产生 等有害物质约为 600 2 CO 2 SO 万吨 由此可见 产生相同的电力 无功补偿的费用约为新建电厂费用 10 而且无功 补偿设备的费用仅需两个月的无功功率补偿的将损节电费用即可全部收回 综上所述 无功补偿不仅具有如上所述的节省投资 节省电力 节省燃煤及污染 等作用 同时还可以提高电力系统设备的供电能力 改善电压质量 减少用户电费开支 延缓用户的增容改造等作用 1 2 无功补偿装置的发展状况 近 20 年来 世界各地 包括美国 法国 意大利 英国 俄罗斯 日本等国 发 生的由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故引起了各国的高度重视 持续了短短 72 小时的 8 14 美加大停电给美国造成了巨大的经济损失和社会影响 这次事故提醒人 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 1 们 电网运行要有足够的无功备用容量 无功不能靠远距离传输 在电力市场环境下 必须制定统一的法规以激励独立发电商和运营商从维护整个系统安全性的角度提供充足 的无功备用 在我国也曾多次发生电压崩溃事故 如 1993 年和 1996 年南方电网的几 次事故 这些事故都促使人们采取各种措施以维持电网稳定 早期的无功补偿装置为并联电容器和同步补偿器 多用在系统的高压侧进行集中补 偿 至今并联电容器仍是一种主要补偿方式 应用范围广泛 只是控制器在不断的更新 发展 同步补偿器的实质是同步电机 当励磁电流发生改变时 电动机可随之平滑的改 变输出无功电流的大小和方向 对电力系统的稳定运行有好处 但同步补偿器成本高 安装复杂 维护困难 使其推广使用受到限制 随着近代电力电子技术的出现和发展 无功补偿技术也随之发展 在第一个工业用 晶闸管出现之前 电子半导体由于功率过小 在直流传动 交流传动 电磁合闸 交流 不间断电源和无功补偿等领域内一直没有得到应有的推广使用 晶闸管的出现标志着电 力电子技术的诞生 并以此为起点 随着半导体制造技术和变流技术的发展 新型的电 力电子器件不断问世 由此引发了众多行业的变革 如交流变频调速技术的蓬勃发展 同样电力电子技术对无功补偿技术也带来了新的发展锲机 无功补偿技术和电力电子技术的结合主要有以下三方面 1 是作为投切电容器的开关 因为电力半导体开关的响应时间短 PS 级 所以能 够选择电容的投切角度 实现零电压投切 避免了涌流的产生 提高了电容器使用的可 靠性和电力系统的稳定性 现代并联电容器补偿装置中的输出回路就引进了该项技术 2 是作为无功输出的调节开关 由于电力电子器件的高开关频率 使其能够方便 地控制电容器电流的导通角 从而实现无功的连续调节 快速跟踪负载无功的变化 静 止型无功补偿器是其中的代表 3 是引入电力电子变流技术 将变流器作为无功电源来调节无功的输入和输出 起到补偿负载无功的作用 经常用的是静止调相机和有源滤波器 由无功补偿源在主电路回路中连接方式的不同 无功补偿器可分为并联型和串联型 两种结构 依据电力电子技术在无功补偿中应用的方式不同 现代无功补偿装置大致可 分为以下几种类型 1 TSC Thyristor Switched Cpacitor 型无功补偿装置 它属于并联型无功补 偿装置 主回路如图 1 1 所示 是由多台电力电容器并联以及由可控硅构成的执行机构 组成 装置根据无功电流的大小来决定投入电容组数 由此可见 TSC 的无功调节是有级 的 它无法连续的输出无功 这使其在使用中存在合理选择电容 适当分级的问题 但 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 2 它的优点也明显 即结构简单 控制方便 电容器利用率高 使用中不存在谐波污染等 Ic U Ic1Ic2Ic3 C1 C2 C3 图 1 1 TSC 型无功补偿装置主回路 2 FC TCR Fixed capacitor Thyristor Controlled Reactor 型无功补偿装 置 它属于并联型无功补偿装置 其主回路如图 1 2 所示 FC TCR 方式是用双相可控硅 的相位控制 调整电抗器的电流 从而调整无功功率的方式 当以电压零相位为基准时 调节 TCR 中的可控硅的延迟角 可以从到范围内变化 补偿器的电流 0 90 0 180 此电流可随角的变化而变化为感性或容性 这样就改变了 FC TCR 的无功 LC iii 功率 并可连续均匀的调节 由于 TCR 中除可控硅全导通或关断之外器电流都是非正弦 的 所以它是一个电流谐波源 对电网有一定的危害 该装置在电容和电感之间形成无 功损耗 电容利用率低并且电抗器体积较大 成本高 L U Ic I IL 图 1 2 FC TCR 型无功补偿器的主回路 3 静止调相机ASVC Advantage Static Var Compensator 属于串联型补偿器 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 3 它由于输出电压可超前或滞后系统电压 因此可以和系统进行有功 无功之间的交换 它可以连续调节无功 并且能够抑制谐波 补偿特性较好 但该系统存在结构复杂 控 制难度大 制造和维护都不便 成本高等问题 不便在全国推广使用 1 3 本课题主要研究的内容 本文研究的主要有两方面 一是无功补偿的基本理论和电网中最佳补偿方式的探讨 首先是对无功补偿中一般问题进行分析 其次是对无功补偿计算方案的分析 二是在传 统的无功补偿装置的基础上 对其控制器和动作执行机构进行改进 从而开发出一种智 能无功补偿器 文中对这种补偿器的控制器的硬件设计和软件设计作了较详尽的分析 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 4 第二章 无功补偿的原理 电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工做的 磁场所具有的磁场能是由 电源供给的 电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场 在一个周期内吸收的功 率和释放的功率相等 这种功率称为感性无功功率 接在交流电网中的电容器 在一个 周期内上半周的充电功率与下半周的放电功率相等 这种充电功率叫做容性无功功率 所以无功功率被使用于建立磁场和静电场 它存储于电感和电容中 通过电力网往返于 电源和电感 电容之间 无功功率在电力网元件中流动 将会在电力网元件中引起电压 损耗和功率损耗 降低电网的电压质量 增加电网的线损率 I1 S1 R X I2 S2 U2U1 图 2 1 由局部电力网的等值电路图 由局部电力网的等效电路图2 1可知 电力网中由于无功负荷而带来的电 压损耗的计算公式为 U C U XQRP U XQRP XIRIUUU 22 2 22 2221 sincos 式中 电网的额定电压 C U 元件的末端电压 2 U 电网中的电压和电流的差角 R X 电网中元件的等效电阻和电抗 元件末端的有功负载和无功负载 2 P 2 Q 由上式可知由负荷的无功功率在元件引起的损耗的计算公式为 2 Q X U C X U XQ U 2 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 5 而由负荷的有功功率在元件中引起的电压损耗的计算公式为 可见的元 2 P C R U RP U 2 件电阻小于电抗的电网中 无功引起的电压损耗占主要部分 电网中的线损公式如下 3 2 2 2 2 22 21 jXR U Qp jXRISSS C 式中 jQPS 11222 jQPS 其中有功线损的计算公式为 RP 这其中由于无功功率在电网中流动而引起的有功线损的计算公式为 Q P R U Q P C Q 2 2 2 由上述分析可见 要减少电力网中的电压损耗和电网的线损率 提高用户端的电压 质量的重要措施之一 是减少电力网元件中的无功传输 可以从提高负荷的自然功率因 数和进行无功补偿两方面来解决这个问题 2 1 无功补偿的原理 将电容器和电感并连在同一电路中 电感吸收能量时 正好电容器释放能量 而电 感放出能量时 电容器却在吸收能量 能量就在它们之间交换 即感性负荷 电动机 变压器等 所吸收的无功功率 可由电容器所输出的无功功率中得到补偿 因此 把由 电容器组成的装置称为无功补偿装置 此外 同步电动机等也可以作为无功补偿装置 无功补偿的作用和原理可由图2 2来解释 设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为 装设无功补偿装置后 补偿无功功Q 率为 使电源输出的无功功率减少为 功率因数由提高到 C Q C QQQ cos cos 视在功率减少到 S S S S p Q Qc Q S S p Q Qc Q 2 2 2 2 2 21 C U QP PPP 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 6 图2 2 无功补偿补偿原理示意图 视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量 降低供用电设备的投 资 例如一台1000千伏安的变压器 当负荷的功率因数为0 7 时 可供700千瓦的有功 负荷 当负荷的功率因数提高到0 9时 可供900千瓦的有功功率 同一台变压器 因为 负荷的功率因数的提高而可多供200千瓦负荷 是相当可观的 2 22 jXR U QQP QjPS C 可见 因采用无功补偿措施后 电源输送的无功功率减少了 相应的也使电网和变 压器中的功率损耗的下降 从而提高了供电效率 由电压损耗计算公式 U XQQPR U C 可知 采用无功补偿措施后 因通过电力网无功功率的减少 降低了电力网中的电 压损耗 提高了用户处的电压质量 并联电容器的无功补偿作用和原理 也可以用图2 3 加以说明 I q I q I U I I c I q I 图2 3 并联电容器的补偿电流向量图 图中的用电负荷总电流可以分解为有功电流分量 和无功电流分量 电感性I P I Q I 的 当并联电容器投入运行时 流入电容器的容性电流与方向相反 故可抵消一 C I Q I 部分使电感性电流分量降低为 总电流由降为 功率因数也由 Q I Q I CQQ III I I 提高到 这时 负荷所需的无功功率全部由补偿电容供给 电网只需供给有 cos cos 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 7 功功率 根据第一章的有功电流 与无功电流的定义 还可以用图2 4理解电力系 tIR tIX 统中无功补偿的作用与原理 tIr tIC tI tU 图2 4 电力系统无功补偿原理图 设负荷实际吸收的电流为 为了使输电线路上流过纯有功电流 则需要 tI tIr 在负荷端接入一个无功补偿器 补偿器提供的电流为 则 tIC tItItI cr 这里 的就是无功电流 这就是电力系统中进行无功补偿的要点 这是完全的 tIc tIX 补偿 线路上的电流是为产生负载实际功率 平均功率 而携带能量最小的电流 因 tIr 而在线路上造成的损失是最小的 此时 的波形和相同 即电压和电流的相位 tIr tU 相同 2 2 低压电网中的几种无功补偿的方式 广大市电低压电网处于电网的最末端 因此补偿低压无功负荷是电网补偿的关键 搞好低压补偿 不但可以减轻上一级电网补偿的压力 而且可以提高用户配电变压器的 利用率 改善用户功率因数和电压质量 并有效降低电能损失 低压补偿对用户及供电 部门都有利 低压无功补偿的目标是实现无功的就地平衡 通常采用地方式有三种 随机补偿 随器补偿 跟踪补偿 随机补偿就是将低压电容器组与电动机并联 通过控制 保护装置与电机共同投切 随机补偿地优点是 用电设备运行时 无功补偿投入 用电设备停止运补偿装置也退出 不需要频繁调整补偿容量 且具有投资少 配置灵活 维修简单等优点 为防止电机推 出时产生自激过电压 补偿容量一般不大于电机的空载无功 随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧 以补偿配电变压 器空载无功的补偿方式 有很多的低压配电网中的变压器 尤其是农网配电变压器 普 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 8 遍存在负荷轻的现象 在负荷时接近空载 此时配电变压器的空载无功是电网无功负荷 的主要部分 随器补偿由于补在低压侧 可有效地补偿配变空载无功 且连线简单 做到无功地就地补偿 跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置 将低压电容器组补偿在大用 户0 4kV母线上的补偿方式 补偿电容器组的固定连接可起到相当于随器补偿的作用 补偿用户的固定无功基荷 可投电容器组用于补偿无功峰荷部分 由于用户负荷有一定 的波动性 故推荐选用自动投切方式 此法对电容器的保护比前二种要更可靠 上述三种补偿方式均可对特定种类无功负荷实现 就地平衡 的无功补偿 降损节 能效果好 2 3 确定补偿容量的几种方法 2 3 1 从提高功率因数需要确定补偿容量 设电网的最大负荷月的平均有功功率为 补偿前的功率因数为 补偿后的 pj P 1 cos 功率因数为 则所需要的补偿容量的计算公式为 2 cos c Q 21 tgtgPQ pjc 若要求将功率因数由提高的而小于 则补偿容量计算为 1 cos 2 cos 3 cos c Q 3121 tgtgPQtgtgP pjcpj 2 3 2 从降低线路有功损耗需要来确定补偿容量 设补偿前线路中的电流为 相应的有功电流为 无功电流为 补偿无功 1 I 1r I 1x I 后线路中的电流为 相应的有功电流为 无功电流为 则Q 2 I 2r I 2x I 补偿前的线路损耗为 补偿后的线路损耗为 R I RIP r2 2 22 22 cos 33 则补偿后线损降低的百分值为 若根据要求已经确定 则可求得 P P 1 cos cos 1 2 则补偿容量可以按来计算 21 tgtgPQ pjc R I RIP r2 1 12 11 cos 33 100 cos cos 1 100 2 2 1 2 21 l ll P PP P 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 9 2 3 3 从提高运行电压需要来确定补偿容量 配电线路末端电压较低 通常是通过无功补偿来提高供电电压的 因此 有时要从 提高线路电压来确定补偿容量 设补偿前线路电源电压为 线路末端电压为 线路输送的有功功率为 无 1 U 2 UP 功功率为 电阻为 电抗为 则QRX 2 12 U QXPR UU 补偿无功后 线路末端电压升为则 c Q 2 U 2 12 U XQQPR UU c 所以投入无功补偿后末端电压增量为U 2 22 U XQ UUU c 故补偿容量 X UU Qc 2 若为三相线路 则所需的补偿容量为 X UU Q ll c 2 式中 三相线路的线电压增量 KV l U 三相线路的线电压 KV l U2 2 4 本章小结 本章主要介绍了无功补偿的基本原理 本次设计的装置主要是面向低压电网的 可 以采用从提高功率因数需要来确定无功补偿 同时又可取标准电压作为电容器切除标准 这样既考虑到功率因数的需要 又考虑到稳定电网电压质量的要求 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 10 第三章 硬件设计 在一系列的理论分析之后 本次设计将采用根据功率因数来确定补偿容量的方法 再根据当前无功补偿技术的发展状况 我们采用TSC并联电容器型的无功补偿装置 它 具有连线和控制方式简单 电容使用效率高及不产生谐波污染等优点 3 1 无功补偿装置的技术要求 3 1 1 补偿控制应符合技术条件 1 控制方式 可控硅与接触器联合控制 即在投切时采用可控硅 正常运行时采 用接触器的方式 2 工作方式 动态跟踪 逻辑判断 自动及时补偿容量 3 控制物理量 以无功功率电容器的投切 4 补偿方式 采用三相共补 5 自动延时功能 电容器投切延时至少10秒 同组电容器的投切间隔时间大于5分 钟 6 保护功能 过电压快速切断功能 当电网电压大于高压保护值时 自动切除全部电容器 7 现场参数显示 可现场显示电网运行参数 比如电压 电流 功率因数 3 1 2 测量精度 1 电压 电流 1 0级 2 有功功率 无功功率 功率因数 1 0级 3 1 3 控制器原理 由以上功能 可得到控制器的机构图如下 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 11 电压互感器 电流互感器 A D 转换 AT89C51 单片机 控制 部分 LCD 显示 信号 处理 电容器 组 图3 1 控制器结构原理图 3 2 硬件介绍 AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压 高性能的CMOS 8位单片机 片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储 PEROM 和128bytes的随机存取数据存储器 RAM 器件采用ATMEL公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准MCS 51指令系统 片 内置通用8位中央处理器 CPU 和Flash存储单元 主要性能参数 与MCS 51产品指令系统兼容 4K字节可重复擦写Flash闪速存储器 1000次擦写周期 全静态操作 0Hz 24MHz 三级加密程序存储器 128 8字节内部RAM 32个可编程I O口线 2个16位定时 计数器 6个中断源 可编程窜行UART 低功耗空闲和掉电模式 管脚说明 VCC 供电电压 GND 接地 P0口 P0口为一个8位漏级开路双向I O口 每脚可吸收8TTL门电流 当P1口的 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 12 管脚第一次写1时 被定义为高阻输入 P0能够用于外部程序数据存储器 它可以被 定义为数据 地址的第八位 在FIASH编程时 P0 口作为原码输入口 当FIASH进行 校验时 P0输出原码 此时P0外部必须被拉高 P1口 P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I O口 P1口缓冲器能接收输出 4TTL门电流 P1口管脚写入1后 被内部上拉为高 可用作输入 P1口被外部下拉为 低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在FLASH编程和校验时 P1口作 为第八位地址接收 P2口 P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I O口 P2口缓冲器可接收 输出4 个TTL门电流 当P2口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作为输入 并 因此作为输入时 P2口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时 P2口输出地址 的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地址数据存储 器进行读写时 P2口输出其特殊功能寄存器的内容 P2口在FLASH编程和校验时接收 高八位地址信号和控制信号 P3口 P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I O口 可接收输出4个TTL门电流 当P3口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于外部 下拉为低电平 P3口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘故 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口 如下表所示 口管脚 备选功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断0 P3 3 INT1 外部中断1 P3 4 T0 记时器0外部输入 P3 5 T1 记时器1外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持RST脚两个机器周期的高电平时 间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 13 位字节 在FLASH编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE端以不变的频 率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的1 6 因此它可用作对外部输出的脉 冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器时 将跳过一个ALE 脉冲 如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0 此时 ALE只有在执行 MOVX MOVC指令是ALE才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执 行状态ALE禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个机 器周期两次 PSEN有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN信号将不 出现 EA VPP 当 EA保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式1时 EA将内部锁定为RESET 当 EA端 保持高电平时 此间内部程序存储器 在FLASH编程期间 此引脚也用于施加12V编 程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 振荡器特性 XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可以配置为片内 振荡器 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 如采用外部时钟源驱动器件 XTAL2应不接 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器 因此对外部时钟信号的脉宽无 任何要求 但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 3 2 2 A D 转换器选型 ADC0809是一种8路模拟输入逐次比较型A D转换器 由于价格适中 与单片机的接 口 软件操作均比较简单 目前在8位单片机系统中有着广泛的使用 ADC0809由8路模拟开头 地址锁存与译码器 8位A D转换器和三态输出锁存缓冲器 组成 表3 1 8路模拟开关与输入通道的关系表 同入通 道 IN 0 IN 1 IN 2 IN 3 IN 4 IN 5 IN 6 IN 7 A010101O1 B00110011 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 14 C00001111 ADC0809芯片可以分时处理8路模拟量输入信号 使用模拟开关切换 在某一时刻 模拟开关只能与一路模拟量通道接通 对该通道进行A D转换 表1中C B A是三条通 道的地址线 当地址所存信号ALE为高电平时 C B A 三条线上的数据送入ADC0809内 部的地址锁存器中 经过译码器译码后选中某一通道 当ALE 0时 地址锁存器处于锁 存状态 模拟开关始终与刚才选中的输入通道接通 选中通道的模拟量到达A D转换器时 A D转换器并未对其进行A D转换 只有当转 换启动信号端START出现下降沿并延迟后 才启动芯片进行A D转换 218 uScTeoc START的上升沿复位ADC0809 ADC0809的A D转换过程是在时钟信号的协调下进行的 ADC0809的时钟信号由CLOCK 端送入 其最高频率为640MHz 在这个最高频率下ADC0809的A D转换时间为100uS左右 当ADC0809用于AT89C51单片机系统时 若AT89C51采用6MHz的晶振 则ADC0809的时钟信 号可以由AT89C51的ALE经过一个二分频电路获取 这时ADC0809的时钟频率为 500KHz A D转换时间为130uS ADC0809常用的时钟电路如图 Q0 12 Q1 9 Q2 8 Q3 11 CKA 14 CKB 1 R0 1 2 R0 2 3 R9 1 6 R9 2 7 74LS90 89C51 ALE GND ADC0809 CLOCK 图3 2 ADC0809常用的时钟电路图 A D转换结束后 A D转换的结果 8位数字量 送到三态锁存输出缓冲器 此时A D转 换结果还没有现在DB0 DB7八条数字量输出线上 单片机不能获取之 单片机要想读到 A D转换结果 必须使ADC0809的允许输出控制端OE为高电平 打开三态输了锁存器 A D转换结果出现在DB0 DB7上 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 15 单片机读取A D转换结果的方法有三种 1 延迟法单片机启动ADC0809后 延时130uS以上 可以读到正确的A D转换结果 2 查询法EOC必须接到AT89C51的一条I O线上 单片机启动ADC0809后 延迟 10uS 检测EOC 若EOC 0则A D转换没有结束 继续检测EOC直到EOC 1 当EOC 1时 A D转换已经结束 单片机读取A D转换结果 3 中断法EOC必须经过非门接到AT89C51的中断请求输入线INT0或INT1上 AT89C51 的中断触发方式为下降沿触发 单片机启动A D转换后可以做其它工作 当A D转换结束 时 EOC由0 1经过非门传到INT端 AT89C51收到中断请求信号 若AT89C51开着中断 则进入中断服务程序 在中断服务程序中单片机读取A D转换的结果 3 2 3 看门狗 本系统采用 MAXIM 公司的低成本微处理器监控芯片 MAX813L 构成硬件狗 7 与 AT89C51 的接口电路如图 3 3 所示 MR 与 WDO 经过一个二极管连接起来 WDI 接单片机 的 P2 7 口 RESET 接单片机的复位输入脚 RESET MR 经过一个复位按钮接地 该监控电 路的主要功能如下 1 系统正常上电复位 电源上电时 当电源电压超过复位门限电压 4 65V RESET 端输出 200ms 的复位信号 使系统复位 2 对 5V 电源进行监视 当 5V 电源正常时 RESET 为低电平 单片机正常工作 当 5V 电源电压降至 4 65V 以下时 RESET 输出高电平 对单片机进行复位 3 看门狗定时器被清零 WDO维持高电平 当程序跑飞或死机时 CPU不能在1 6s 内给出 喂狗 信号 WDO跳变为低电平 由于MR端有一个内部250mA的上拉电流 D导 通MR获得有效低电平 RESET端输出复位脉冲 单片机复位 看门狗定时器清零 WDO又 恢复成高电平 4 手动复位 如果需要对系统进行手动复位 只要按下手动复位按钮 就能对系 统进行有效的复位 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 16 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 3INT1 13 P3 2INT0 12 P3 5 T1 15 P3 4 T0 14 EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RESET 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 GND 20 VCC 40 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 P3 1 TXD 10 PSEN 29 P3 0 RXD 10 ALEP 30 B AT89C51 WDO RESET GND MR VCC WDI MAX813L VCC 5V D S VCC 图3 3 MAX813L与89c51接口图 3 2 4 LCD 显示 本次设计采用 1602 型 LCD 显示 现在的字符型液晶模块已经是单片机应用设计中 最常用的信息显示器件了 1602 型 LCD 显示模块具有体积小 功耗低 显示内容丰富等 特点 1602 型 LCD 可以显示 2 行 16 个字符 有 8 位数据总线 D0 D7 和 RS R W EN 三个 控制端口 工作电压为 5V 并且具有字符对比度调节和背光功能 1 外型尺寸 80X36X13 LXWXH 2 接口信号说明 1602 型 LCD 的接口信号说明如表 3 2 所示 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 17 表 3 2 1602 型 LCD 接口信号说明 编 号 符号引脚说明编号符号引脚说明 1VSS电源地9D2Data I O 2VDD电源正极10D3Data I O 3VL液晶显示偏压信号11D4Data I O 4RS数据 命令选择端 H L 12D5Data I O 5R W读写选择端 H L 13D6Data I O 6E使能信号14D7Data I O 7D0Data I O15BLA背光源正极 8D1Data I O16BLK背光源负极 3 主要技术参数 表 3 3 1602 型 LCD 的主要技术参数 显示容量16X2 个字符 芯片工作电压4 5 5 5V 工作电流2 0mA 5 0V 模块最佳工作电压5 0V 字符尺寸2 95X4 35 WXH mm 4 与 8051 接口电路 M 162 液晶显示模块可以和单片机 AT89C51 直接接口 电路如图 3 4 所示 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 18 图 3 4 AT89C51 与 DM 162 接口电路 3 3 模拟信号调理电路 3 3 1 互感器信号转换及电流 电压转换电路 在此用到的是北京星格公是司研制的精密电压互感器SPT204A和电流互感器 SCT254AK 其特性分别如下 SPT204 实际上一款毫安级精密电流互感器 输入额定电 流为2mA 额定输出电流为2mA 使用时需要将电压信号变换成电流信号 推荐使用电路 如图3 5所示 图中 R1是限流电阻 不论额定输入电压多大 调整R1的值 使额定输 入电流接近为2mA 就满足使用条件 副边电路是电流 电压变换电路 当需要电压输出 时采用 调整图中反馈电阻R和r的值可得到所需要的电压输出 电容C2是400至1000pF 的小电容 用来滤波 电流 互感 器 r R1 R 运 放 C2 输出V 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 19 图3 5 电压互感器的I U转换 运算放大器视精度要求使用 使用性能较好的运算放大器较容易达到较高的精度和 较好的稳定性 此处选用的是BB公司的高精度运放OPA2277 它具有以下特点 超低失调电压 P 10 超低温漂 V 1 0 超低失调电流 nA1 高开环增益 134dB 宽供电范围 VV18 2 OPA2277具有连续的供电范围 这使它不像大多数的OP系列运放局限VV18 2 于固定的工作电压 而且轨至轨的特性使其输出电压的范围能跟随电源工作范围 这就 能在保证输出电压的大小的前提下 尽可能的减少工作电压 达到节能的目的 由于 OPA2277具有内部补偿失调电流的电路 故在使用中不需要在输入脚上接上补偿失调电 流的电阻 如上图所示 这同样减少了PCB布板和使用的复杂度 互感器的次级连接是电流转电压电路 该电路是将互感器的电流输出信号变换成电 压信号 以符合CPU采样信号是电压信号的特性 以电流互感器SCT254AK为例 若互感 器的副边电流为 要求的输出电压为 则特性为 iuiu 输入和输出脚间的跨接电阻 iRu R 选择合适的电阻R 通常采用电阻串接电位器的结构 可以使输出电压在 之间变化 VV5 5 SCT254A K是一款精密电流互感器 输入额定电流为5A 额定输出电流为2 5mA 当需要将电流输出信号变换成电压信号时 推荐使用电路和电压互感器使用电路类似 调整图中反馈电阻R和r的值可得到所需要的电压输出 电容C2是400至1000pF的小电容 用来去A和滤波 该电流互感器是接在主回路上的电流互感器之后 主回路的电流互感 器的变比视实际使用中变压器输出的电流而定 当电流较大时 可选用较大变比的电流 互感器 一般有100 1或1000 5等系列可供选用 3 3 2 电压 电流采样及信号处理电路 用电流互感采样得到交变的电流信号 在通过以下电路把电流信号转变为半波电压 信号 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 20 r R s 50A 5mA R1 R1 C1 0 1uP 电流互 感器 1 U 2 U 图3 6 电流采样调理电路 电容主要起抗干扰和滤波的作用 前个运放可实现转换 根据 1 Cui 输入和输出脚间的跨接电阻 iRu R 调节滑动变阻器 使在 变化 1 UVV5 5 第二个运放对电压进行取反 得到输出电压 从而使采样得到的电压于实 12 UU 际电流同向 0 1uP Rp R2 380V 3 8V 3 U 4 U 电压互 感器 图3 7 电压采样和调理电路 调节滑动变阻器的滑片同样可以达到调节输出电压大小的效果 3 4 输出控制电路 控制电路采用光电隔离电路 驱动电路 控制继电器 再控制电容器组投切的形式 以下是其中一路光电隔离和驱动电路 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 21 r 12V A 1A 2 A3 MOC3021 3 D LE3 Q1 器器器IN4007 12V 图3 8 光电隔离及驱动电路 这部分电路的设计采用单片机的I O口灌电流的方法控制可控硅实现开关与继电器 控制 用光电耦合器MOC3021作为可控硅的驱动器 同时实现强 弱电的隔离 光电偶 合器通过一个非门与89C51的一个输出口连接 当此脚输出高电平时 使MOC3021打开驱 动双向可控硅 使晶体管导通和继电器吸合 驱动电容器组投入运行 发光二级管发光 指示 当管脚输出为低电平时 将会封锁住MOC3021 则继电器释放 发光二级管熄灭 电容器组退出电路 3 5 本章小结 本章主要介绍了本次设计的要求和采用的硬件装置的基本功能 完成了各硬件之间 的接口连线问题 硬件主要包括的功能有数据采样和条理 模拟信号转换为单片机可读 的数字信号 单片机进行数据处理 单片机进行对显示和控制电路的控制 看门狗主要 起对单片机运行状况进行检测 在单片机运行出现问题是及时对其复位 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 22 第四章 软件设计 在软件设计上我们采用汇编语言 用汇编语言用来编制系统软件和过程控制软件 其目标程序占用内存空间少 运行速度快 有着高级语言不可替代的用途 4 1 投切原则 本次设计的装置主要的投切标准是功率因数和测量电压 本装置采用默认的标准功 率因数为 90 0 随器补偿应以配变容量的6 8 选择电容器容量效果较好 因为这大约相当于配电 变压器空载时的无功功率 又电容器补偿容量可近似 则本次设计一共设了3 组容量为25FP电容器组 方便控制和调节补偿容量 采用三相共同补偿 当检测到到的功率因数小于0 95时 投入第一组电容器组 再进行第二次检测 计 算得到功率因数再于默认值进行比较 若实际功率因数仍然小于0 95的话 继续投入第 二组电容器组 以次类推 直到实际功率因数小于标准 当检测到的三相电压大于标准电压时 通常取400V 即电网处于容性状态 无功 补偿过量 则立即切除第三组电容 继续检测电压 若电压仍然高于标准的话 则切除 第二组电容器组 以次类推 直到实际电压小于标准 主要的程序流程如下图 2 2 1 CUQ 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 23 开始 电压检测 初始化 过压 电流检测 无功计算 补偿 投电容器切电容器 Y Y N N 图4 1 单片机程序流程图 4 2 功率因数计算 在进行控制之前 首先要测量电路的各相参数 比如电压 电流 无功功率 有 功功率 功率因数等 在此采用的是有效值算法 该算法比平均值算法更具真实性 其 原理如下所述 根据定义 电压的有效值 U 是加在电阻 R 上单位时间内所做的功 其 U 数 tu tu 学表达式 2 是 dttutu RR U t O 1 2 即 t dttutuU 0 中原工学院信息商务学院毕业论文 设计 24 将上式在时间上进行离散 就得到U的离散表达式 1 0 1 N i iuiu N U 式中 电压采样周期中的第 个采样点的值 tui 对电流有效值有相似的离散表达式 I 1 0 1 N k kiki N I 式中 电流采样周期中的第 个采样点的值 kii 由上两式可得视在功率IUS 有功功率P的定义为 单位时间内 电压和电流所作的不可逆的功 其数学 tu ti 表达式是 dttituP t 0 对其作离散处理 即每隔一定的时间间隔测