基于单片机无功功率的补偿控制系统的设计毕业论文2.doc

TAGS: 控制系统 设计 毕业论文 补偿 功率 基于 电压 程序 数 第4章控制方案的单片机实现 4.1.引言 目前，无功补偿装置己在电力系统得到广泛应用。无功电源与有功电源一样是维护电力系统稳定、保证电能质量和安全运行必不可少的。 电网中存在的无功功率有感性的和容性的两种，由于一般的电网中负载多为感性，如:异步电机，变压器等，传统的就地无功补偿装置是通过单片机实行控制实现电容器组的投切，即投入容性无功功率以达到减小总无功功率的目的。但是，电网中存在谐波时，投切电容有可能发生电容把高次谐波量放大，更为严重的是如果电容与电网中的感性负载在某次谐波恰好发生谐振，电网电压、电流有可能被无限放大，造成的后果不堪设想。因此，在无功补偿的同时，对电网中的谐波量进行测量和消除是非常重要的，且对系统的无功进行准确补偿也建立在对系统各项参数进行准确测量的基础上。4.2设计任务输入模拟量1.工作电压及输入电压模拟量额定工作电源电压及额定电压模拟量220V或380V20%，电源正弦波形，总畸变率不大于5%。1）功能要求功能设置要求1.1能实现三线对称补偿和分相补偿组合1.2投入、切除门限设定值1.3延时设定值1.4过压保护设定值1.5谐波超值保护设定值1.6面板功能键操作应具有容错功能1.7面板设置应具有硬件或软件闭锁功能2）显示功能2.1工作电源工作显示2.2超前、滞后_显示2.3输出回路状态显示2.4过压保护动作显示2.5控制器应具有电网即时运行参数及设定值调用功能2.6控制器应具有监测或统计数据调用功能2.7谐波超值保护动作显示2.8手动、自动指示显示3.延时及加速功能输出回路动作应具有延时及过电压加速动作功能。4.程序投切功能手动或自动投切选择，自动状态时应具有自动循环投切。5.自检复归功能控制器每次接通电源应进行自检并复归输出回路(即输出回路处在断开状态)。6.投切振荡闭锁在轻负荷时，控制器应有防止投切振荡的措施。7.闭锁报警当系统电压大于或等于一定值(该值可调)，闭锁控制器投入回路;控制器内部发生故障时，闭锁输出回路并报警;执行回路发生异常时，闭锁输出回路并报警。8. 数据传输用中间体(如抄表器)抄录实时数据和历史数据，用RS-232接口或485接口。4.3主电路设计图4.1带电力监测的无功补偿装置总电路图该装置上电后，经过一定延时，控制器再开始工作，通过对系统三相电压、三相电流采样，根据电压、电流的值计算系统无功功率，并与用户设定的投入门限、切除门限相比较，再考虑系统电压幅值情况确定电容器组的投切，投切命令输入到触发电路，由触发电路控制晶闸管在电压正向峰值时投入电容器，按照在保证电压不越限的前提下，使变压器从系统，护吸收的无功最小的原则对电容器组进行控制，能有效改善电压质量，提高功率因数，降低网络损耗。考虑系统的复杂性及经济性，电容器分组采用二进制方案，即采用(K-1)个电容，直均为C的电容和一个电容值为(C/2)的电容，这样的分组可使组成的电容值有2K级。小电容量那一路作为单位电容量，它的大小决定了补偿精度。本系统由MCS-51控制，实时监测电力系统无功功率和电压并跟踪系统无功功率的大小，采用晶闸管投切并联电容器组的无功功率补偿装置。该装置因响应速度较快、动态性能好，所以能实现对决速变化的无功进行跟踪补偿。该装置具备完整的显示控制保扩!功能。根据需要可显示功率因数、系统电压、负载电流、无功功率等值。并可实时在线设置投入门限、切除门限、过压值、延时值等参数。能延时可调、过压自基于单片机无功功率的补偿控制系统的设计毕业论文2_第2页TAGS: 控制系统 设计 毕业论文 补偿 功率 基于 电压 程序 数动切除，能有效地提高功率因数改善电压质量、降低电能损耗、消除电压波动、滤除高次谐波，抑制电压闪变，减少电压不平衡。 4.4.主控制器芯片的选取 主控制器芯片选取MCS-51单片机， 4.4.1 MCS-51单片机的内部结构及管脚功能 1）MCS-51单片机的内部结构1920 MCS-51单片机的功能框图如图1.1所示。在一块小芯片上集成了一个微型计算机的各个部分，其核心部分是中央处理器CPU，它由运算器和控制器两大部分组成。运算器用来完成算术运算、逻辑运算和进行位操作，由算术逻辑单元（ALU）、位处理器、累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2等组成。控制器是用来统一指挥和控制计算机进行工作的部件，它由控制逻辑、内部振荡电路OSC、指令寄存器及其译码器、程序计数器PC及其增量器、程序地址寄存器、程序状态字寄存器PSW、RAM地址寄存器、数据指针DPTR、堆栈指针SP等组成。图4.2MCS-51单片机的内部结构2）MCS-51单片机的管脚功能采用HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40管脚双列直插式封装；而采用CHMOS制造工艺的80C51/80C31,除采用40脚双列式直插式封装外，还有用方形的封装方式。如图1.2所示为双列直插式封装单片机管脚图。各管脚功能说明如下：1电源管脚VCC(40脚):接5V；VSS（20脚）：接地。2时钟信号脚XTAL1(19脚),XTAL2(18脚):外部时钟信号脚。3控制线1）RST/Vpd(9脚):当作RST使用时，为复位输入端；当作为Vpd使用时，当VCC掉电下，可作备用电源。2）/Vpp（31脚）：为访问内部或外部程序储存器的选择号。对片内RPROM编程时，Vpp图4.3MCS-51单片机的管脚接入21V编程电压。3）ALE/（30脚）：当访问外部储存器时，ALE信号的负跳变将P0口上的低8位送入地址锁存器，不访问外部储存器时，ALE端仍以固定的振荡频率的1/6速率输出正脉冲信号。当对片内EPROM编程时，该管脚PROG用于输入编程脉冲。4）（29脚）：外部程序存储器读选通信号。4.输入/输出口线1）P0口（3239脚）：双向I/O口，既可接地址锁存器作低8位地址I/O口使用也可以作数据I/O口使用。能驱动8个LSTTL负载。2)P1口（18脚）：具有内部上位电阻的8位准双向I/O口，可驱动4个LSTTL负载。3）P2口（2128脚）：8位具有内部上位电阻的准双向I/O口，在接收外部存储器时，P2口作为地址高8位。能驱动4个LSTTL负载。4）P3口（1017脚）：8位具有内部上位电阻的准双向I/O口，其每一位又有如下特殊功能：P3.0（RXD）：串行口输入端。P3.1（TXD）：串行口输出端。P3.2（）:外部中断0输入端，低电平有效。P3.3（）:外部中断1输入端，低电平有效。P3.4（T0）：定时/计数器0外部事件计数输入端。P3.5（T1)：定时/计数器1外部事件计数输入端。P3.6（):外部数据存储器写选通信号，低电平有效。P3.7（):外部数据存储器读选通信号，低电平有效。4.4.2单片机最小系统构成单片机最小系统是指单片机能够工作所必需的外部电路，这些电路包括晶振电路、复位电路、外部程序存储器以及数据存储器等。下面以典型MCS-51单片机为代表介绍最小系统的各个部分。1）单片机晶振电路MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，管脚XTAL1和XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器，这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式，如图4.4a所示；图4.4b所示为外部时钟方式21。ab图4.4单片机晶振电路2）单片机复位电路单片机晶振基于单片机无功功率的补偿控制系统的设计毕业论文2_第3页TAGS: 控制系统 设计 毕业论文 补偿 功率 基于 电压 程序 数电路： 无论是HMOS型还是CHMOS型单片机，振荡器处于运行状态时，如果在单片机的RST引脚保持2个机器周期（24个振荡周期）的高电平，则单片机内部执行复位操作，以后每个周期执行一次，直至RST端变低。为保证单片机可靠复位，设计复位电路时要考虑VCC的上升时间的振荡器建立时间，通常使RST端持续20ms以上的高电平。复位后单片机从程序存储器的地址0000H处开始运行，内部寄存器的状态如表4.1所示22。表4.1复位后单片机寄存器状态专用寄存器复位状态专用寄存器复位状态PC0000HTH000HACC00HTL000HB00HTH100HPSW00HTL100HSP07HTH200HDPTR0000HTL200HP0P3FFHRLDH00HIP0000BRLDL00HIE00000BSCON00HTMOD00HSBUFTCON00HPCON00000BT2CON00H注：为不确定状态复位后，ALE和PESE为高电平，内部RAM不受复位的影响，此时内部RAM的状态不确定。单片机复位电路：如图4-5所示分别为单片机的几种复位电路。a)b)c)图4.5a上电复位b按键电平复位c按键脉冲复位上电复位如图4.5a所示，它是在VCC与VSS管脚之间接入RC电路。上电瞬间RST端电位与VCC相同，随着电容充电电流的减小，RST端的电位逐渐下降。只要VCC的上升时间不超过1ms，振荡器建立时间不超过10ms，按图中的时间常数（C1=22F，R1=1K），上电复位电路就能保证在上电开机时完成复位操作。上电复位所需要的最短时间是振荡器建立时间加上2个机器周期。在这段时间内，RST端的电平应维持高于施密特触发器的下阀值。图4.5b所示为一种上电与按键复位电路，在实际应用系统中，有些外围芯片也需要复位电路，如果这些复位电平与单片机的要求一致，则可以与相连。为了防止干扰窜入复位端，引起内部某些寄存器错误复位，可在RST管脚上接一个去耦电容。在应用系统中，为了保证复位电路可靠地工作，常将RC电路在接施密特电路后，再接入单片机复位端和外围电路复位端，如图4.5c所示。系统有多个复位端时，能保证可靠地同步复位。4.5.硬件设计基于C51的带电力监测的无功补偿装置的系统总图如图3.1所示。4.5.1.模拟信号输入处理单元此模块包括电压电流信号形成回路、低通滤波回路(ALF)、基准电压(VBASE)形成回路、同步方波形成回路。此模块的作用是将电压互感器(YH)和电流互感器(LH)二次输出的电压、电流模拟量经过上述环节处理成大小与输入量成正比、相位不失真的模拟量，输入到C51的AID转换通道进行采样，将其转化为计算机能接受与识别的数字量，再进行数据处理及运算2324。根据采样定理，采用FFT测量谐波，若要求准确测量(n=1，2.3.)次谐波，则每周波采样点数应最少为个点。考虑C51的数字处理能力突出，适于进行线性运算的特点，以及测量精度的要求，取系统的采样频率为3200Hz，即每周波采样64点，可准确测量32次谐波量。信号调理电路包括信号衰减和模拟抗混叠滤波器。由互感器得到的电压电流信号线性衰减成能输入C51的量程范围，再经抗混叠滤波器滤波，输入到C51的A/D转换器中进行采样和模数转换。抗混叠滤波器的作用是把电力系统的信号进行低通滤波，滤除高频分量，使输入C51进行处理的信号是满足奈奎斯特采样定律()要求的信号，消除混叠现象，提高FFT的运算精度。功率因数的获取本设计的核心芯片是CS5460A，它将外部输入的电压和电流信号进行计算，得到电压、电流的有效值，和能量值。它与CPU的接口简单，使CPU减轻了负担。设计原理说明电压电流有效值、能量在CS5460A内部能量寄存器中是相对于该芯片满量程的百分比形式存放的。通过读带符号输出寄存器，可以读出I(瞬时电流)、V(基于单片机无功功率的补偿控制系统的设计毕业论文2_第4页TAGS: 控制系统 设计 毕业论文 补偿 功率 基于 电压 程序 数瞬时电压)、P(瞬时功率)、E(电能)、IRMS,VRMS的上一次测量结果。测量结果以二进制补码的形式读出，通过数制转化并乘以系数，可得出电能值E。单位时间的电能值即为有功功率。 CS5460A输入端250mV的直流电平将引起电压/电流有效值寄存器置1C满量程)，为了防止超量程，CS5460A输入的150mV电平对应电压、电流的有效值分别为250V400A时。满量程250mV输入对应的电压有效值和电流有效值为416.667V，666.67A。CPU每次读出的IRMS、VBMS都需要乘以一个系数，才能得到实际的电压、电流有效值。U=416.667VRMS，1=666.667IRMS，P1=416.667666.67E。1CS5460A的特性1.电能数据线性度:在1000:1动态范围内线性度0.1%2.可以测量电能，I-V,Ices,Vas，具有电能与脉冲一速率转换功能3.可以从串行EEPROM智能自引导，不需要微控制器4.功耗12mw5.单电源地参考电源6.片上2.5V基准电压7.具有简单的三线串行接口和看门狗定时器2CS5460A的介绍CS5460A总述CS5460A是具有能量计算引擎的CMOS单片功率测量芯片。它包含了一个增益可编程放大器、两个调制器、两个高速滤波器、系统校准和计算功能，用以计算电能、和瞬时功率。CS5460A可以用以各种功率测量装置，它适合与分流器或电流互感器相连来测量电流。与分压电阻或变压器相连来测量电压。上电后，芯片被初始化并可执行全部功能。为了和输入电压的不同等级相匹配，电流通道集成有一个增益可编程放大器(PGA)使信号满量程为150m和30m可选择。CS5460A包含两个高速滤波器，它以(MCLK/K)/1024的字输出速率(OWR)输出数据。为了方便与外接控制器的通讯，CS5460A集成有一个简单的三线串行接口，该接口与SPI和MICROWIRE标准兼容。串行接口的串行时钟(SCLK)输入端包含一个施密特触发器，允许使用上升/下将速度较慢的信号。运行原理CS5460A可以在单一+5V电源或2.5V电源下运行。电流通道输入范围30m或150m可选择，电压通道输入范围150。串口总述CS5460A的串行接口部分集成了一个带有发送/接收缓冲器的statemachine(状态机)，状态机在SCLK的上升沿解释8位命令字。基于对命令字的解码，状态机将执行输入的命令或者为被寻址的寄存器的数据传输做准备。系统初始化或复位后，串口状态机初始化为命令模式，等待接收有效的命令(输入串口的前8位数据)。在完成对有效命令的接收和解码后，状态机将指示转换器执行相应的指令或从内部寄存器输入或输出数据。利用命令字片段，所有有效的命令都可以被解码。状态机接收到命令后即对命令字进行解码。如果命令字的最高位(MSB)是逻辑零（B7=0)，串口进入数据传输模式。在数据传输模式中，内部寄存器被读取或写入。输入写寄存器命令字之后必须紧跟着写入24位数据。例如要写配置寄存器，用户需发送一个(0X40)命令启动写操作，紧跟着从串行时钟引脚(CSCLK)输入24个脉冲，ADC将从SDI管脚得到串行输入数据。一旦状态机得到数据，它将数据写入配置寄存器并返回命令模式。系统初始化在任意时刻对CS5460A进行软件或硬件复位。软件复位是通过向配置寄存器的RS(系统复位)位写入逻辑1来实现的，复位后该位自动恢复为逻辑0。硬件复位是通过强制拉低/RESET管脚SDO以上来实现的。内部寄存器在复位后的第一个MCLK被置为缺省值。复位后，片上寄存器初始化为以下状态，转换为命令模式，等待有效的命令。1）电流信号形成回路电流互感器T4,T5和T6的原边电流h为05A.感器CT变比为12500/1，则，其中交流地，对应的直流电平为I.65V。图4.6电流信号形成回路2）电压信号形成回路电压互感器的变比为1:1，原基于单片机无功功率的补偿控制系统的设计毕业论文2_第5页TAGS: 控制系统 设计 毕业论文 补偿 功率 基于 电压 程序 数边电阻相对于110K可以忽略，因此 图4.7电压信号形成回路 3.ALF低通滤波电路 图中D1,D2将输出信号钳制在03.3V，保证输入LF2407A/D转换口的电压在0-3.3V之间，以保证其AD转换的正常工作。令R40=R41=R，C40=C41=C,R42=R1，R43=R2，则:其中将数据带入上式，可以算出截止频率为由于需计算到工频信号的30次谐波，即需对50x30=1500Hz的信号进行准确测量，根据奈奎斯特采样定律()，系统的采样频率为周波采样64点，采样频率，因此输入C51的信号最高频率应为，即低通滤波器应将大于1600Hz的信号滤除。根据计算结果看出此低通滤波器能满足要求24。系统放大增益滤波电路输入信号为1.650.02V的正弦信号，输出为1.651.5V的正弦信号。LF2407的A/D输入应在03.3V之间，滤波放大电路的输出能够满足C51的要求。图4.8ALF低通滤波电路1.基准电压产生回路25选用LM117产生稳压电路。输出，将数据代入得图4.9基准电压产生回路2.同步方波产生回路26Va为模拟信号经过低通滤波之后的信号，运放起了电压比较的作用，VAPULSE为03.3V的方波信号，送入C51的捕捉引角，通过C51的定时器测出两个上升沿之间的时间，即通过测出正弦信号过零点之间的时间，而得出电网信号的周期。再由采样点数计算出采样频率，以保证同步采样，消除非同步采样引起的频谱泄漏，保证测量精确性。图4.10同步方波产生回路6.模数转换器(ADC)模数转换器我们采用LF2407自带的带内置采样和保持的A/D转换器，具有10位精度，转换速度最快达到500ns，并且可以同时采样16路信号。有多个触发源可以启动AD转换，包括软件启动、EVA.EVB和外部触发(ADCSOC)。模数转换模块的排序器包括两个独立的最多可选择8个模拟转换通道的排序器(SEQ1和SEQ2)，这两个排序器可被级连成一个最多可选择16个转换模拟通道的排序器(SEQ)。在这两种工作方式下，ADC模块都能够对一序列转换进行自动排序。转换后的数值结果保存在该通道相应的结果寄存器中，这样用户可以对同一个通道进行多次采样，即对某一通道实行过采样，这样得到的采样结果比传统的采样结果分辨率高。4.5.2.C51系统模块该模块包括存储器(SRAM)电路，时钟电路，电源管理电路等。1.存储器电路C51自带32K的Flash，外部可扩展64K数字存储器和64K程序存储器。将C51的TXD，RXD引脚接地，即C51工作在微控制器方式下，即从内部程序存储器(FLASHEEPROM)的0000h开始程序执行，外部扩展的存储器被分配到8000h开始的地址空间。DS和PS分别接C51的DS和PS引角，它们分别为数据空间选通引角和程序空间选通引脚，当它们为低电平时，分别表示选通数据空间和程序空间。选用的外部存储器为CYPRESS公司的CY7C1021，是64Kx16SRAM。其中32K空间扩展为程序存储器，32K空间扩展为数据存储器。A0A14为地址线的低15位，A15接DS,即SRAM的0000h7FFFh为数据空间，8000hFFFFh为程序空间27。2.时钟电路图4.11时钟电路无源晶振采用6MHz,采用最常用的连接方法，简单可靠。3.电源管理电路图4.12电源管理电路电源监控芯片选择了TI公司的TPS7333Q，此芯片可将5V电压转换成C51需要的3.3V电平，并有电平监控的功能，当OUT脚输出电平小于2.9V时，RESET就输出200mA的低电平以重起C51。基于单片机无功功率的补偿控制系统的设计毕业论文2_第6页TAGS: 控制系统 设计 毕业论文 补偿 功率 基于 电压 程序 数 本系统共有4种不同的电平，-12V、-12V,+5V和+3.3V。它们都由220V电压供电，由变压器输出+12V、-12V,+5V三种不同的电平信号，再由7912和7812稳压输出十12V和-12V电平;LM2576-5稳压输出+5V电平:TPS7333将+5V电平转换为+3.3V电平输出提供C51系统需要。 4.5.3.执行单元 由于传统机械触头动作速度与工频电压和电流的变化速度不匹配，在投切过程中由于电容器极性的存在产生涌流，难以实现无功补偿的优化运行，且经常发生过补偿。本系统选用晶闸管控制投切电容器，可以10ms的速度将补偿投入电网，并严格控制在各相电压最高点时合闸，无涌流冲击。只在电流过零时刻切除，防止产生过电压。可以频繁投切，不损坏电容器。晶闸管的触发脉冲由专门的触发电路提供，;IV.格保证相序正确。设有触发延时可调控制，具各循环投切功能。1.驱动电路本系统中采用了先进的过零触发电路，以电压过零型光祸双向晶闸管取代了由分立元件组成的功放电路及脉冲变压器等驱动环节，简化了触发控制电路的结构;同时，由于无需考虑与系统电压的同步问题且控制电路与主电路实现了光电隔离，因而提高了装置的可靠性。本文中采用MOTOROLA公司生产的MOC3083芯片设计三相晶闸管触发电路，动态响应时间小于20ms。从理论上讲，为了使补偿电容器的投入与切除过程不引发主电路的涌流冲击，即在这一过程中当电容器上的电流始终保持整周期流动而没有过渡过程，必须满足以下3个条件，即保持准备投入的电容器上的电压为电网线电压的正或负峰值:投入选择在电网线电压和电容器上的电压极性相同、峰值相等的时刻:切除时只要撤销触发信号即可，开关在电流过零之后会自行关断。山于光藕双向晶闸管的内部带有过零检测电路，因此由它组成的SCR触发电路能够在不附加同步电路的情况下实现上述补偿电容器的无过渡过程投切28。2.晶闸管的选择晶闸管的电压值选择要考虑电网上的电压，一般按式(4.1)选择: (4.1)式中为电压裕度，一般选择1.11.2;为电网电压波动系数，一般选择1.15;U为电网电压。晶闸管电流值一般按式(4.2)选择:(4.2)式中C为电容量(F)。3.显示及通讯电路设计本系统采用液晶显示测量结果，并由键盘输入命令，液晶显示和键盘都是由F2407的通用I/O口扩展。当有按键按下时，会产生外部中断，DSP执行中断程序，即键盘扫描和显示器显示程序。信号经运算处理后，可山液晶显示器显示结果，便于观察，也可由RS-232接口与上位机进行通讯，上传数据，便于存储和查询。液晶显示电路采用128*64的点阵式液晶显示器，能显示40个汉字，汉字库预先存储到程序存储器中。液晶显示器是通过C51的IO口软件模拟M6800操作时序进行控制。其中PB0PB7为数据输出，连接DB0DB7，控制信号E,CSA,CSB,D/I和R/W分别由PE1PE5控制。通讯接口电路单片机与上位机通讯单片机串行接口介绍:MCS-51系列单片机片内有一个串行I/O端口，通过引脚RXD(P3.0)和TXD(P3.1)与外设电路进行全双工的串行异步通讯。该串行口有4种工作方式，以提供不同场合使用。波特率可由软件设定，有片内的定时器/计数器产生。接收、发送均可工作在查询或中断方式，使用非常灵活。单片机串行口结构:MCS-51单片机内部的串行端口有两个控制寄存器，用来设置工作方式、发送或接收的状态、特征位、数据传送的波特率(每秒传送的位数)以及作为中断标志等。串行端口有一个数据寄存器SBUF(在特殊功能寄存器中的字节地址为99H)，该寄存器为发送和接收所共用。发送时，只写不读;接收时，只读不写。在一定条件下，向SBUF写入数据就启动了发送过程，读SBUF就启动了接收过程。控制MCS-51基于单片机无功功率的补偿控制系统的设计毕业论文2_第7页TAGS: 控制系统 设计 毕业论文 补偿 功率 基于 电压 程序 数单片机串行口的控制寄存器共有两个:特殊功能寄存器SCON和PCON。 串行口控制寄存器SCON: 该寄存器的字节地址为98H，位地址98H9FH，可位寻址。SCON格式为: SM2:仅用于方式2和方式3进行多机通讯控制位。在方式2和方式3中，若SM2=1,则接收到的RB8=1，可引起串行中断:若RB8=0，不引起串行中断。SM2=0时，RB8=1，RB8=0均可引起中断。REN:允许串行接收控制位。由软件置位时允许接收，软件清零时禁止接收。TB8:工作在方式2和方式3时要发送的第9位数据。RB8:工作在方式2和方式3时要接收的第9位数据。TI:发送中断标志位。发送前必须软件清零，发送过程中TI保持零电平，发送完一帧数据后，由硬件自动置I。再发送，必须用软件清零。RI:接收中断标志位。接收前必须软件清零，接收过程RI保持零电平，接收完一帧数据后，由片内硬件自动置I。若要再接收，必须软件再清零。串行口的工作方式:串行接口的工作方式有4种，由SCON中的SMO,SM1定义。在四种工作方式中串行通讯只使用方式1,2,3。方式0主要用与扩展并行输入输出口。1.SMO=0.SM1=0，方式Oe位移位寄存器方式。波特率固定fosc/12。数据由RXD端输入输出，TXD端输出频率为fOSC/12的同步移位脉冲。2.SMO=0,SM1=1，方式1e10位异步通讯方式。一帧数据为10位:1位起始位，8位数据位(由低位到高位)和一个停止位(1)。TXD为发送端，RXD为接收端，波特率可变，由定时器T1的溢出率和SMOD位的状态确定.(1)方式1发送一条写SBUF指令就可启动数据发送过程。在发送移位时钟(由波特率确定)的同步下，从TXD送出起始位，然后是8位数据，最后是停止位。这样一帧10位数据发送完TI=1。若要再发送，必须软件清零。(2)方式1接收当RE=1，当RXD出现由1到0的负跳变时，即被当成是串行发送来的一帧数据的起始位，从而启动一次接收过程。当8位数据接收完，并检测到高电平停止位后，即把接收到的8位数据装入SBUF置位RI。若要再接收，必须软件清零。通常情况下，串口以方式1工作时，SM2置为0。3.SMO=1，SM1，方式2011位异步通讯方式。其中，1位起始位，8位数据位(由低位到高位)，1个附加的第9位和一个停止位(1)oTXD为发送端，RXD为接收端。发送时可编程控制位(TB8)根据需要设置为0或1(TB8即可作为多机通讯中的数据标志位又可作位数据的奇偶校验位)，接收时，可编程位被送入SCON中的RB8。(1)方式2发送在方式2发送时，数据由TXD端输出，附加的第9位数据位来自SCON中的TB8。CPU执行一条写SBUF的指令后，便立即启动发送器发送，送完一帧信息后，TI被置1，在发送下一帧信息之前，TI必须清零。(2)方式2接收当REN=1时，允许串行口接收数据。数据由TXD端输入，当RXD出现由1到0的负跳变时，便开始接收一帧数据。接收的第9位放入SCON中的RB8。4.SM0=1,SMI=1，方式3。除波特率外，方式2和方式3相同。4.6软件设计系统软件为汇编语言编程，以提高编译效率。程序遵循模块化设计原则，提高了系统的通用性和维护的简易档变。程序主要包括:初始化、采样、各种电量的计算、显示和控制输出等子程序。4.6.1主程序主程序的流程图如图4.13所示。C51在一个工频周期内等间隔地采集64个瞬间电压、电流数据后，经C51处理计算出电网电压、电流(包括零序电流)、功率因数、无功功率、有功功率、电压电流、132次谐波等负荷参数值，存储并送参量显示单元显示，同时根据现场的实际情况通过控制器键盘设置参数来控制电容投切。控制器不断地监测电网负荷参数，根据用户设置的参数情况，形成投切控制字，由输出环节具体完成电容器的正确投切。将输出的9路控制信号分成3组，每组有3路控制信号，可以实现最多9组分补或最多9组共补控制，也可以实现分补、共补同时控制，分补、共补的数量取决于用户配电参数设置和具体电网中电容器的连接情况。1.初始化程序:主要完成数据存储空间的检测和初始化、通讯方式的设置、液晶显示方式设置、事件管理器工作方式设置(设置定时器)、中断设置(中断寄存器和中断优先级设置)、启动硬件看门狗、禁止开关动作等。2.显示方式设置:主要完成对液晶显示的工作方式设置，初始化液晶显示基于单片机无功功率的补偿控制系统的设计毕业论文2_第8页TAGS: 控制系统 设计 毕业论文 补偿 功率 基于 电压 程序 数页面。 3.扫描键盘命令:主要是查询IO口查看命令输入，修改系统的参数。 4.数据处理程序:主要根据采样得到的数据，应用FFT算法计算各相有效电流、电压、 有功功率、无功功率等参数。 5.控制投切电容程序:根据计算得到的参数，运用控制策略控制电容投切，达到补偿无功功率的目的。 4.6.2.电容器投切原则无功补偿的原理就是准确检测三相电路无功功率Q，然后根据Q值的大小进行电容器最优投切，从而减小Q值，以达到最优状态2930。在被谐波污染的电网中投入电容器进行无功补偿时，应注意避免产生谐波的谐振。消除谐波的方法，一般是在电容器上串联电抗，来防止电流的突变。本系统采用实时跟踪监测电网中的谐波量的力法，在电网中的谐波量超出设定值时，停止投入电容器，并报警，以防止重大事故的发生。控制器在综合考虑网络无功和电网电压因素的情况下，有下列投切规律，该投切规律符合共补、分补结合型:1.当三相电网电压都小于202V(可设定)时，装置不考虑网络无功功率Q，投入第一组补偿电容器，若检测电网电压仍小于202V时，则再投入第二组共补电容器，如此循环，直至共补电容器投完后如果仍小于202V时，则投入三相分补电容器的第一组，如果仍小于202V时，则投入第二组分补电容器，如此直至全部电容器组投完为止。若电网电压有一相或两相小于202V，则投入该相分补电容器第一组，如果仍小于202V时，则再投入第二组分补电容器，如此直至分补电容器投完为止。2.当电网电压处于202-245V(可设定)之间，装置跟踪测量电网实际无功功率Q，当感性Q大于最小一组电容值，则计算各相的实际无功功率和所需的补偿电容器，其中三相共同的无功功率由接法的共补电容器组投入来补偿，剩余部分由各相分别补偿。若跟踪测量电网容胜无功Q大于最小一组电容器值时，则装置计算各相的实际无功功率和所需切除的电容器容量，其中三相共同的无功部分将由接法的共补电容器的切除来补偿，剩余的部分无功由各相的分补电容器的切除来补偿。该区间是可投可切区间，根据无功Q的情况，电容器做出投或切的动作。3.当电网某相电压大于245V(可设定)时，装置不考虑无功Q的大小，该相电容器一组、一组地切除，直至全部切除为止。4. 在有任何一相电压或电谐波量超标情况下，装置不考虑无功Q的大小，该相电容器一组、一组地切除，直至全部切除为止。5.装置在补偿电容容量相同的情况下，遵循循环投切的原则，即先投入的电容器先切除，后投入的电容器后切除。当然，这是在共补电容器组等容量和分补电容器组等容量的情况下做出的动作。6.同组电容器切除后再投入延时时间间隔为300s(可设定)左右。7.一组电容器投或切后，再投或切的延时为10s(可设定)。8.在超压、缺相、谐波超标下保护延时为3s。程序首先对电路的二相电压、电流的谐波量和电路的电压进行判断，以判断是否能投入电容器，其结果存至flag_statet、flag-stateq和flag-states等标志中。其中flag_statet的第0位置1代表A相处于可投区，第1位置1代表B相处于可投区，第2位置1代表C相处于可投区，第3位置1代表三相平均电压处于可投区。以此对flag-stated和flagstates可作出相似的位标志定义，只是它们分别代表电压可切区和保护区。然后对电路的无功功率进行判断。在三相共补时，要考虑的是电路的三相总无功功率，而进行分补或共、分补结合时，考虑的是电路的各相无功功率。当电路呈现感性，并且电压处于可投区时，启动l0s延时标志flag_com，以触发软件定时器的计时功能。在软件定时器进行计时的同时，主程序一直检测电路的状态，并与前一状态进行比较以确定电路状态是否真正处于可投状态。当l0s延时结束时，对标志flag_com的第0位进行置位。同样对于电路可切状态的判断与此相似。当flag_com标志的第0位为1时，主租字将进行投或切电容组的判断。在判断完毕后，控制器将对某组电容器进行投或切的动作。4.6.3.中断程序1.外部中断当键盘有按键按下时就进入外部中断，执行外部中断子程序。此子程序主要完成键盘的扫描和执行相应于不同按键的命令。其中，上、下按键控制液晶显示器显示内容翻页和控制光标指示的作用。左、右键相当于+和-，即在设定参数时，相对于系统设定值的偏差，按左键即加一个单位，按右键则减一个单位。在设定参数时，按下键即为确定，则进入下一个参数的设定31。&基于单片机无功功率的补偿控制系统的设计毕业论文2_第9页TAGS: 控制系统 设计 毕业论文 补偿 功率 基于 电压 程序 数nbsp; 图4.14外部中断键盘处理子程序2.定时器中断程序(频率测量子程序)定时器捕捉中断程序由图4.15所示。程序主要完成信号频率的测量，当测量值44工频信号的频率是50Hz，但是实际的电力系统电网信号由于受到各种干扰，电信号的频率也不可避免的出现波动。电能质量电力系统频率允许偏差(GB/T15945-95)对频率偏差的限制规定为:电力系统正常频率偏差允许值0.2Hz。当系统容量较小时，偏差值可放宽到0.2Hz。用户冲击负荷引起的系统频率变动不得超过0.1Hz。即电力系统中电压电流信号的频率变化在500.5Hz的范围内。FFT运算又要求采样点数必须是2的整数次幂时，当电网的频率波动时，采样的频率也应该随之改变，否则将产生频谱泄漏。故本系统在每次采样前测量出电网频率，根据电网频率计算出采样频率，以保证同步采样。图4.15频率测量程序3.串行口中断程序串行口中断程序主要完成测量量的上传和上位机命令信号的接收。通讯波特率最大为9600，数据格式为:要正确实现C51与上位机的通信，除一般串行通信设置外，还必须正确设置SLEEP位(SCICTLI寄存器第2位)，即将所有参与多机通信的C51的SLEEP位都设成1，使得他们仅当检测到地址字节时被中断，在中断服务程序里，将接收到的地址与相应软件设置的地址(本机地址)相比较，若相同则用户程1序清除SLEEP位确保串行通信接口在收到每个数据字节时都产生一个中断，否则SLEEP位保持I以接收下一个地址。串行口中断程序如图4.16所示32。;图4.16串行口中断程序4.串行口通讯波特率设置子程序在本设计中由于是单机通讯，我们采用通讯方式1，同时根据现场情况来看，此控制器工作在强弱电并存的情况下，干扰比较严重，为了减少误码率，满足通讯距离的要求，实现数据可靠传输，我们采用2400bits。为减少误码率，本系统CPU采用特殊晶振11.0592MHZ。在本设计中采用的T1做波特率发生器。设计中取SMOD=0，所以定时初值根据公式可得:X=0F4H1.在单片机的初始化程序中应当设置通讯的工作方式、波特率设置，其方法为:MOVTMOD,#20H;定时器T1为工作方式2MOVSCON，#50H；串口为方式1，允许接收REN=1MOVPCON，#00H；SMOD=0MOVTH1，#0F4H；波特率为2400bpsMOVTL0，#0F4H；SETBTR1；启动T1工作SETBEA；开CPU中断SETBES；允许串口中断CLRP3.5;RS485处于接收状态4基于单片机无功功率的补偿控制系统的设计毕业论文2_第10页 TAGS: 控制系统 设计 毕业论文 补偿 功率 基于 电压 程序 数.7.可靠性、抗扰性设计 本控制系统以后的主要运用场合是各种环境恶劣的变配电所、室外等，系统抗干扰能力的强弱是影响本系统性能最主要的方面之一，如果系统抗干扰能力不强的话，则系统就不能正常工作，或引起并联电容器误动作，给用户造成很大的经济损失，所以本系统在设计过程中在系统抗干扰方面做了很多工作。本系统从硬件和软件两方面来提高系统的抗干扰能力。4.7.1硬件抗干扰331.电源以及输入信号方面由于系统本身的电源会给系统带来干扰，所以本系统电源与地之间并联电容来减小干扰;在信号输入方面，交流电源通过有静电屏蔽的小型变压器引入控制器。2.接地屏蔽系统由于本控制器在实际使用中可能是和其它的一些电气设备放在一起，故系统之间会带来干扰，为了屏蔽外来的干扰，本设计采用控制器外壳作屏蔽接地处理。3.合理布线系统使用的C51时钟频率较高，此高频可能会影响其他器件的正常工作，在设计时要使晶振尽量靠近C51，远离串口通讯电路，并且在设计印刷电路板时使用多层布线。4.输出采用光隔离本系统继电器输出采用了光隔离来提高系统的抗干扰能力。4.7.2软件抗干扰3435虽然控制系统在硬件设计时采取了一些措施，如各种接地处理，屏蔽和隔离、滤波等，抑制或消除了一定干扰，但完全消除各种干扰是不可能的，更何况微机控制系统还有内部干扰存在，所以控制系统不可能完全依靠硬件电路来解决干扰问题。采用微机的记忆功能，快速计算和逻辑判断，从软件方面进行设计，进行抗干扰处理。一般微机系统受干扰后表现一下问题，一是采样数据偏离实际值，二是程序运行混乱，三是计算或逻辑错误1.针对采样数据偏离实际值的问题，本系统软件编程采用了以下措施:(1)利用模拟输入量间的规律剔除虚拟点在系统控制中，对三相交流值如下瞬时关系;XA(k)+XB(k)+XC(k)=XO(k)，述X代表电流量或电压量，这里提供了一个识别各采样值是否可信的依据，当不满足上式时，就认为该点采样值不可信，应将该数据剔除。等待干扰过去，数据恢复正常后再工作。(2)数值平滑滤波法出于干扰信号的存在，常使采集到的离散信号很不光滑，为了提高信号的光滑度，消除随机干扰常通过低通滤波器以削减高频成份。数值的平滑实质上是对信号进行低通滤波。在软件设计中采用数宇滤波对采样数据进行平滑处理。2.针对程序运行混乱的问题，虽然在硬件中设计中采用了看门狗，但为了进一步提高系统的性能，本设计在软件方面采取了以下措施:(1)设置定时中断监视主程序运行状态使用定时中断来监视主程序运行状态，定时器的定时时间要稍大于主程序正常运行一个循环的时间。而且要在主程序执行过程中对定时器时间常数进行刷新操作，这就保证定时器在程序运行正常时不会出现中断，而当程序失去控制时会出现中断，再用中断服务程序使系统自动复位。(2)设置软件陷阱外界干扰有时会破坏程序寄存器EPROM的内容，因此程序在运行时会导致跑飞或死锁，为此我们在所有的子程序运行之间的空白处连续写上3个空操作指令接