自动化专业无功补偿论文

摘摘 要要 随着经济的发展和人们生活水平的提高，各行各业对供电可靠性和 供电质量提出了更高的要求。由于配电网处于电网的末端，用户多为低压 用户，许多用电器的功率因数很低，且不带补偿装置，这给电网带来很大 的功率负担和额外线损，为了维护电力系统稳定、保证电能质量和安全运 行，对电网末端变压器进行就地无功补偿很有必要。本文利用专用三相电 能专用芯片 ATT7022B 为核心构成的采样控制器，实时检测电网的电压、 电流，有功、无功、功率因数，根据用电负荷情况，通过 51 单片机控制 电容器组的自动投、切，实现无功功率的无功补偿，并利用 12232 液晶显 示器显示当前的有功、无功、功率因数等参数。 关键字：关键字：功率因数，无功补偿，ATT7022B，单片机 Abstract Along with economy of the development and people live a horizontal exaltation, every trade put forward a higher request to the power supply credibility and the power supply quality.In order to going together with the bitter end that the charged barbed wire net is placed in charged barbed wire net, customer much is low-pressure customer, many powers factors which use an electric appliances are very low, and dont take repair device, this brings charged barbed wire net very big power burden with additional line , for the sake of maintenance electric power system stability, assurance electric power quality and safety circulate, to the charged barbed wire net bitter end transformer carry on right on the spot without achievement the repair has a necessity very much.This text makes use of appropriation three mutually the chip ATT7022 of the electric power appropriation B is core constitute of sample controller, solid hour examine the electric voltage, electric current of charged barbed wire net, have a great achievement, have no achievement, power factor, according to use electricity to carry a circumstance, pass 51 single slice machine control capacitor set of automatic hurl, slice, carry out to have no achievement power of without achievement compensate, and make use of 12232 liquid crystal displays manifestation to have a great achievement at present, have no achievement, power factor etc. Keywords: Power Factor,Var Compensate,ATT7022B,Single Chip Microcomputer 目录目录 1 绪论绪论 .1 1.1 无功补偿的意义.1 1.2 静止无功补偿技术的发展.2 1.3 课题来源及主要研究内容.4 2 2 功率因数功率因数 .6 2.1 功率因数的定义.6 2.2 功率因数的意义.7 3 系统的芯片介绍系统的芯片介绍 .11 3.1 DSP(ATT7022B)芯片介绍.11 3.2 单片机介绍.16 3.3 LCD 液晶显示器.20 4 4 硬件的系统设计硬件的系统设计 .27 4.1 数据采集系统的设计.27 4.2 控制器的硬件设计.30 4.3 系统的特点.37 5 5 总结与展望总结与展望 .39 5.1 总结.39 5.2 展望.39 参考文献参考文献 .40 致谢致谢 .41 附录附录 1 1 英文文献英文文献 .42 附录附录 2 2 中文翻译中文翻译 .54 附录附录 3 3 设计原理图设计原理图 .64 1 绪论绪论 1.1 无功补偿的意义无功补偿的意义 国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高带来了电力负荷的高 速增长。尤其是近两、三年来，由于电力负荷增长迅猛，而发电装机容量 和输配电能力不足，造成全国近 20 个省市电力供应紧张，部分省市出现 限电拉闸 1。与此同时，随着电力市场的开放，电力用户对电能质量的要 求也在提高；电力生产与供应企业也比以往任何时候都重视电力系统运行 的经济性。 电力系统运行的经济性和电能质量与无功功率有重大的关系。无功功 率是电力系统一种不可缺少的功率。大量的感性负荷和电网中的无功功率 损耗，要求系统提供足够的无功功率，否则电网电压将下降，电能质量得 不到保证。同时，无功功率的不合理分配，也将造成线损增加，降低电力 系统运行的经济性。 无功功率从何而来？显然，发电机提供的无功功率相对负荷和网络对 无功功率的需求来说只是“杯水车薪” ，仅仅依靠发电机提供无功功率也 是极不经济的。无功功率最主要的来源是利用各种无功功率补偿（以下简 称无功补偿）设备在电力系统的各个环节进行无功补偿。因此，无功补偿 是电力系统的重要组成部分，它是保证电能质量和实现电力系统经济运行 的基本手段。 低压电力用户量大面广，其负荷的功率因数又大都比较低，因此在低 压电网中进行无功功率的就地补偿是整个电力系统无功补偿的重要环节。 低压电网的无功补偿主要采用并联电容器进行，它包括固定电容器 （FC）补偿和自动投切电容器的动态补偿以及两者混合补偿等方式。 电力负荷是随时变化的，所需要的无功功率也是随时变化的，为了维 持无功平衡，要求无功补偿设备实行补偿，即要根据无功负荷的变化及时 投切电容器。以往的低压动态无功补偿设备以机械开关（接触器）作为电 容器的投切开关，机械开关不仅动作速度慢，而且会产生诸如涌流冲击、 过电压、电弧重燃等现象，开关本身和电容器都容易损坏。据调查，我国 过去使用的自动投切电容器无功补偿装置在使用 3 年后损坏率达 75。 随着电力电子技术和微机控制技术的迅速发展和广泛应用，出现了智 能型的动态无功补偿装置。这种以电力电子器件作为无功器件（电容器、 电抗器）的控制或开关器件的动态无功补偿装置被称为静止无功补偿装置 （SVC：Static Var Compensator） 。 SVC 是动态无功补偿技术的发展方向，它正成为传统无功补偿装置的 更新换代产品。正因为如此，本课题选择这一技术领域进行研究。 1.2 静止无功补偿技术的发展静止无功补偿技术的发展 1.2.1 静止无功补偿的作用与类型静止无功补偿的作用与类型 对电力系统中无功功率进行快速的动态补偿，可以实现如下的功能： （1）对动态无功负荷的功率因数校正。 （2）改善电压调整。 （3）提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡。 （4）降低过电压。 （5）减少电压闪变。 （6）阻尼次同步振荡。 （7）减少电压和电流的不平衡。 应当指出，以上这些功能虽然是相互关联的，但实际的静止无功补偿 装置往往只能以其中某一条或某几条为直接控制目标，其控制策略也因此 而不同。此外，这些功能有的属于对一个或几个在一起的负载的补偿效果 （负载补偿） ，有的则是以整个输电系统性能的改善和传输能力的提高为 目标（输电补偿） ，而改善电压调整，提高电压的稳定度，则可以看作是 两者的共同目标。在不同的应用场合，对补偿装置容量的要求也不一样。 以电弧炉、电解、轧机等大容量工业冲击负荷为直接补偿对象的无功补偿 装置，要求的容量较小，而以电力系统性能为直接控制目标的系统用无功 补偿装置，则要求具有较大的容量，往往达到几十或几百兆乏。 早期的无功补偿装置的典型代表是同步调相机。同步调相机能进行动 态的无功补偿，至今在无功补偿领域中还在使用，而且随着控制技术的进 步，其控制性能还有所改善。但同步调相机是一种旋转的机械，其损耗、 噪声都很大，它正被静止无功补偿装置（SVC）所取代。 SVC 近年来获得了很大发展，已广泛用于输电系统和供电系统的无功 补偿。早期的 SVC 是饱和电抗器（SR）型的，尽管它具有静止型的优点， 但它需要工作在饱和状态，损耗和噪声都很大，而且存在非线性的问题， 因而未能占据 SVC 的主流。采用并联电容器进行无功补偿有一系列的优 点，因而在电力系统的无功补偿中获得广泛应用。 并联电容器补偿可采用固定电容器（FC）补偿和开关投切电容器的自 动补偿。前者是不能调节的，不能进行动态补偿；后者用开关投切电容器， 能进行动态无功补偿。传统的电容器动态无功补偿装置采用机械开关（接 触器或断路器）投切电容器。机械开关的开关速度较慢，不可能快速跟踪 负荷无功功率的变化；而且投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和 操作过电压，这样开关触头易受电弧作用而损坏，而且可能使电容器承受 过电压而击穿。 随着电力电子技术的迅速发展，晶闸管开始用于 SVC 装置中，出现 了晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）这两种基本结 构型式的 SVC，以及它们的混合装置，如 TCRTSC、TCRFC 等。 使用晶闸管对无功器件（电容器和电抗器）进行投切或控制的优点是 响应速度快，可以频繁投切。因此，使用晶闸管的静止无功补偿装置近年 来发展很快，静止无功补偿装置（SVC）这个词往往专指使用晶闸管等电 力电子开关器件的静止无功补偿装置。 1977 年，美国 GE 公司首次在实际电力系统中演示运行了其使用晶闸 管的静止无功补偿装置。1978 年，在美国电力研究院（EPRI）的支持下， 西屋电气公司（Westinghouse Electric Corp）制造的使用晶闸管的静止无 功补偿装置投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特 点的系列产品。我国也先后引进了数套这类装置。由于使用晶闸管的静止 无功补偿装置具有优良的性能，所以，自 20 世纪 80 年代以来，在世界范 围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据静止无功补偿装置的主导地 位。 1.3 课题来源及主要研究内容课题来源及主要研究内容 1.3.1 课题来源课题来源 本课题是针对国内现有的电容器自动投切装置存在下列问题而提出的： （1）采用接触器或断路器作投切开关，无法实现零电压（电网电压与 电容器电压之差）投切，这样会产生很大的涌流冲击，容易损坏电力电容 器和投切开关等设备。 （2）采用机械开关投切无法实现分相投切，这样在三相负荷不平衡时 达不到补偿效果，并可能出现某些相过补偿。 （3）投切判据单一，通常根据以下五种方法之一来对电容器进行投切： 电网电压高低、无功功率方向、功率因数大小、负荷电流大小、昼夜时间 划分。很明显，这种投切方式无法做到最优化补偿，有时还会出现过补偿。 以功率因数作为投切判据的无功补偿装置，在小负荷情况下会出现投切振 荡。 1.3.2 主要研究内容主要研究内容 1.功率因数的检测技术 2.无功补偿的控制方案 3.专用芯片 DSP(ATT7022B)的技术性能、与单片机的接口及读写技术。 4.单片机自动补偿控制方案。 2 功率因数功率因数 2.1 功率因数的定义功率因数的定义 在交流电路中，电压与电流之间的相位差()的余弦叫做功率因数， 用符号 cos 表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值， 即 功率因数的大小与电路的负荷性质有关， 如白炽灯泡、电阻炉等电阻负 荷的功率因数为 1，一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于 1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设 备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功 功率大， 从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电 部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。 (1) 最基本分析：拿设备作举例。例如：设备功率为 100 个单位，也 就是说，有 100 个单位的功率输送到设备中。然而，因大部分电器系统存 在固有的无功损耗，只能使用 70 个单位的功率。很不幸，虽然仅仅使用 70 个单位，却要付 100 个单位的费用。在这个例子中，功率因数是 0.7 (如 果大部分设备的功率因数小于 0.9 时，将被罚款)，这种无功损耗主要存在 于电机设备中(如鼓风机、抽水机、压缩机等)，又叫感性负载。功率因数 是电能的计量标准。 (2) 基本分析：每种电机系统均消耗两大功率，分别是真正的有功功 率(叫千瓦)及电抗性的无功功率。功率因数是有功功率与视在功率间的比 率。功率因数越高，有功功率与视在功率间的比率便越高，系统运行则更 有效率。 (3) 高级分析：在感性负载电路中，电流波形峰值在电压波形峰值之 后发生。两种波形峰值的分隔可用功率因数表示。功率因数越低，两个波 形峰值则分隔越大。无功功率补偿能使两个峰值逐渐接近在一起，从而提 高系统运行效率。 2.2 功率因数的意义功率因数的意义 2.2.1 功率因数对电气设备的影响功率因数对电气设备的影响 功率因数是交流电路的重要技术数据之一。功率因数的高低，对于电 气设备的利用率和分析、研究电能消耗等问题都有十分重要的意义。 在二端网络中消耗的功率是指平均功率，也称为有功功率，它等于 由此可以看出，电路中消耗的功率 P，不仅取决于电压 V 与电流 I 的大小， 还与功率因数有关。而功率因数的大小，取决于电路中负载的性质。对于 电阻性负载，其电压与电流的位相差为 0，因此，电路的功率因数最大（ ） ；而纯电感电路，电压与电流的位相差为 2，并且是电压超 前电流；在纯电容电路中，电压与电流的位相差则为（2） ，即电流 超前电压。在后两种电路中，功率因数都为 0。对于一般性负载的电路， 功率因数就介于 0 与 1 之间。 一般来说，在二端网络中，提高用电器的功率因数有两方面的意义， 一是可以减小输电线路上的功率损失；二是可以充分发挥电力设备（如发 电机、变压器等）的潜力。因为用电器总是在一定电压 U 和一定有功功率 P 的条件下工作，由公式 可知，功率因数过低，就要用较大的电流来保障用电器正常工作，与此同 时输电线路上输电电流增大，从而导致线路上焦耳热损耗增大。另外，在 输电线路的电阻上及电源的内组上的电压降，都与用电器中的电流成正比， 增大电流必然增大在输电线路和电源内部的电压损失。因此，提高用电器 的功率因数，可以减小输电电流，进而减小了输电线路上的功率损失。 2.2.22.2.2 功率因数对电力系统的影响功率因数对电力系统的影响 功率因数过低，对电力系统的影响很大，而尤其对电网企业影响最大： (1)当用户功率因数偏低时，需要从网上吸收无功功率，这样发电机组 就要多发无功，而发无功也是需要能量的，它少发了有功，相当于降低了 发电机的出力； (2)无功负荷在网上传送，白白占用了输、变、配电设备的资源，使上 述设备利用率降低，而设备运行效率是以有功计算的，因而它使设备达不 到额定功率，功率降低；为达到规定的功率，就要增大设备容量，提高了 设备投资额； (3)无功影响电压，无功的传输和大量消耗，使系统电压不能满足要求， 线路未端会电压很低，造成设备不能起车或达不到额定功率； (4)无功的缺乏，会使线路及电气设备中的电流增大，使损耗增大，即 线损增加，增大电费支出。 用电者是 1 千瓦的负载，那么不管功率因数是 0.5，还是 0.9，他工作 1 小 时实际上电表显示都是 1 度电，而国家规定是按有功电量收费电费。 正是因为上面 4 点原因，用户功率因数是 0.5，或是 0.9，在线路上的 损耗却是不一样的，如果各个用户功率因数都低，合在一起就不的了了， 因而要求用户无功功率“就地补偿” ，自己补偿自己的。 2.2.32.2.3 补偿的结果补偿的结果 根据检测自然平均功率因数在 0.700.85 之间。企业消耗电网的无 功功率约占消耗有功功率的 60%90%,如果把功率因数提高到 0.95 左右， 则无功消耗只占有功消耗的 30%左右。由于减少了电网无功功率的输入， 会给用电企业带来效益。 1、节省企业电费开支。提高功率因数对企业的直接经济效益是明显 的，因为国家电价制度中，从合理利用有限电能出发，对不同企业的功率 因数规定了要求达到的不同数值，低于规定的数值，需要多收电费，高于 规定数值，可相应地减少电费。可见，提高功率因数对企业有着重要的经 济意义。 2、提高设备的利用率。对于原有供电设备来讲，在同样有功功率下， 因功率因数的提高，负荷电流减少，因此向负荷传送功率所经过的变压器、 开关和导线等供配电设备都增加了功率储备，从而满足了负荷增长的需要； 如果原网络已趋于过载，由于功率因数的提高，输送无功电流的减少，使 系统不致于过载运行，从而发挥原有设备的潜力；对尚处于设计阶段的新 建企业来说则能降低设备容量，减少投资费用，在一定条件下，改善后的 功率因数可以使所选变压器容量降低。因此，使用无功补偿不但减少初次 投资费用，而且减少了运行后的基本电费。 3、降低系统的能耗 补偿前后线路传送的有功功率不变，P= IUCOS，由于 COS 提 高，补偿后的电压 U2 稍大于补偿前电压 U1,为分析问题方便，可认为 U2U1 从而导出 I1COS1=I2COS2。即 I1/I2= COS2/ COS1,这 样线损 P 减少的百分数为： P%= (1-I22/I12)100%=（1- COS21/ COS22） 100% 当功率因数从 0.700.85 提高到 0.95 时，由(2)式可求得有功损耗将降低 20%45%。 4、改善电压质量。以线路末端只有一个集中负荷为例，假设线路电阻 和电抗为 R、X,有功和无功为 P、Q,则电压损失 U 为： U=（PR QX）/Ue10-3(KV) 两部分损失：PR/ Ue输送有功负荷 P 产生的；QX/Ue输送无功负荷 Q 产生的； 配电线路：X=（24）R，U 大部分为输送无功负荷 Q 产生的 变压器：X=（510）R QX/Ue=(510) PR/ Ue 变压器U 几乎全为输送 无功负荷 Q 产生的。可以看出，若减少无功功率 Q,则有利于线路末端电 压的稳定，有利于大电动机的起动。因此，无功补偿能改善电压质量（一 般电压稳定不宜超过 3%） 。但是如果只追求改善电压质量来装设电容器是 很不经济的，对于无功补偿应用的主要目的是改善功率因数，减少线损， 调压只是一个辅助作用。 3 系统的芯片介绍系统的芯片介绍 3.1 DSP(ATT7022B)芯片介绍芯片介绍 目前的常用的功率因数的检测方法：任意两相的电压与另一相的电流 之间的相位差 。存在的问题：因为存在高次谐波的作用，过零检测时存 在多个零点，使检测的结果不准确，甚至导致错误的判断。有的资料指出 进行滤波处理，但这样会使电压产生相移，导致结果不准确。三相电能专 用芯片 ATT7022B 采用的是 DSP 基波分离技术，能够精确测量三相的有 功、无功、视在功率、功率因数等参数，无须计算，能够满足系统的需要， 利用已有的成果可以避免重复劳动。 3.1.1 芯片特性芯片特性 高精度,在输入动态工作范围(1000:1)内,非线型测量误差小于 0.1%；有 功测量满足 0.2S、0.5S，支持 IEC 62053-22，GB/T17883-1998；无功测量 满足 2 级、3 级，支持 IEC 620533-23，GB/T17882-1999；提供基波、谐波 电能以及总电能测量功能；提供视在电能测量功能；提供正向和反向有功/ 无功电能数据；提供有功、无功、视在功率参数；提供功率因数、相角、 线频率参数；提供电压和电流有效值参数；有效精度优于 0.5%；提供电压、 电流相序检测功能；提供三相电压、电流矢量和之有效值输出；提供电压 相序检测功能；提供电流相序检测功能； 提供三相电流矢量和之有效值 输出； 提供三相电压矢量和之有效值输出；提供电压夹角测量功能；提 供失压判断功能；具有反向功率指示；提供有功、无功、视在校表脉冲输 出；提供基波有功、基波无功校表脉冲输出；合相能量绝对值相加与代数 相加可选；内置温度测量传感器；可准确测量到含 21 次谐波的有功 无 功和视在功率；支持增益和相位补偿；小电流非线性补偿；具有 SPI 接 口 方便与外部 MCU 通讯；适用于三相三线和三相四线模式；单+5V 供 电。 3.1.2 功能简介功能简介 (1) 是一颗高精度三相电能专用计量芯片 适用于三相三线和三相四线 应用；（2）ATT7022B 集成了六路二阶 sigma-delta ADC 参考电压电路 以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等 电。 （3）ATT7022B 能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在 功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功 率因数、相角、频率等参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求。 （4）ATT7022B 支持全数字域的增益、相位校正、即纯软件校表。有功、 无功电能脉冲输出 CF1、CF2 提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接 到标准表，进行误差校正。 （5）ATT7022B 可以对基波有功、无功功率进 行测量，提供脉冲输出 CF3 和 CF4 提供瞬时基波有功功率以及基波无 功功率信息，可直接用于基波的校。 （6）ATT7022B 提供两类视在能量输 出，RMS 视在能量以及 PQS 视在能量，CF3 和 CF4 也可被配置为视 在能量脉冲输。ATT7022B 提供一个 SPI 接口，方便与外部 MCU 之间 进行计量参数以及校表参数的传递。所有计量参数都可以通过 SPI 接口 读出。 （7）ATT7022B 内部的电压监测电路可以保证加电和断电时正常工 作。. 3.1.3 电源监控电路电源监控电路 ATT7022B 片内包含一个电源监控电路，连续对模拟电源 AVcc 进行 监控。电源电压低于 4V 时，芯片将被复位。这有利于电路上电和掉电时 芯片的正确启动和正常工作。电源监控电路被安排在延时和滤波环节中， 这在最大程度上防止了由电源噪声引发的错误。如图 3.1 所示，为保证芯 片正常工作应对电源去耦，使 AVCC 的波动不超过 5V。 图 3.1 电源监控原理图 3.1.4 系统复位系统复位 ATT7022B 提供两种复位方式，硬件复位和软件复位。 硬件复位通过外部引脚 RESET 完成，RESET 引脚内部有 47K 电 阻上拉，所以正常工作时为高电平，当 RESET 出现大于 20us 的低电平 时，ATT7022B 进入复位状态，当 RESET 变为高电平时，ATT7022B 将 从复位状态，进入正常工作状态。 软件复位通过 SPI 口完成，当往 SPI 口写入 0 xD3 命令后，系统 进行一次复位，复位之后 ATT7022B 从初始状态开始运。 ATT7022B 在复位状态下 SIG 为高电平，当 ATT7022B 从复位到 工作状态之后，大约经过 500us 左右 SIG 将从高电平变为低电平，此时 芯片开始进入正常工作状态，方可写入校表数据，一旦写入校表数据之后 SIG 又会立刻变为高电平。 如 3.2 图所示，为 ATT7022B 的复位时序图： 图 3.2 ATT7022B 的复位时序图 3.1.5 与单片机的接口技术与单片机的接口技术 ATT7022B 内部集成了一个 SPI 串行通讯接口。ATT7022B 的 SPI 接口采用从属方式工作，使用 2 条控制线和 2 条数据线： CS、SCLK、DIN 和 DOUT，如图 3.3。 图 3.3 ATT7022B 与单片机的接线图 CS：片选（输入脚） ，允许访问串口的控制线。CS 由高电平变为低 电平时表示 SPI 操作开始，CS 由低电平变为高电平时表示 SPI 操作结 束。所以每次操作 SPI 时 CS 必须出现下降沿，CS 出现上升沿时表示 SPI 操作结。 DIN：串行数据输入(输入脚)，用于把用户的数据(如数据/命令/地址等)传 输到 ATT7022B。 DOUT：串行数据输出(输出脚)，用于从 ATT7022B 寄存器读出数据。 SCLK：串行时钟(输入脚)，控制数据移出或移入串行口的传输率。上 升沿放数据，下降沿取数据。SCLK 下降沿时将 DIN 上的数据采样到 ATT7022B 中， SCLK 上升沿时将 ATT7022B 的数据放置于 DOUT 上输。 考虑 SPI 传输信号线有可能受到干扰或者出现抖动，所以在 SPI 信 号线上串联一个小电阻。这个电阻与 IC 输入端的寄生电容 C 结合起来 可构成一个低通滤波器，可以消除 SPI 接口信号上的任何振荡，一般使用 10-100 的电阻。如果数字输入端的内部电容不够大，还可在这个输入端加 一个外接电容，可选 10pF 左右的电容。 芯片与单片机一般有 6 条线一条 RESET 复位控制线，一条握手信号 SIG。上图中的四条使 SPI 接口线，SPI 通讯格式使相同的，当通讯开始时 SCLK 为低电平，CS 由高到低，经过 32 个时钟脉冲 SCLK 表示送出 8 位 地址，24 位数据，MSB 在前，LSB 在后，CS由低变高，完成一个寄存 器的读或写操作。芯片在时钟的下降沿从 DIN 线上取单片机送出的数据， 在上升沿从 DOUT 线上向单片机送出数据。 SPI 读操作的时序图如 3.4 所示： 图 3.4 ATT7022B 读操作的时序图 在 SCLK 低于 200KHz 时，可以不需要等待，即等待时间为 0 s； 当 SCLK 频率高于 200KHz 时。则需要等待大约 3us。 SPI 写操作的时序图如 3.5 所示： 图 3.5 ATT7022B 写操作的时序图 3.23.2 单片机介绍单片机介绍 单片机在集成度、功能、性能、体系结构方面都有了飞速发展，已能 集成一个完整的功能强大、性能优良的计算机应用系统。但目前国内许多 单片机应用单位仍停留在采用片内无 ROM 等低档单片机的状态，无论在 系统设计上、使用维护上、经济效益上这都是不合算的。这种状况必须改 变。本文就单片机的发展现状进行综述，希望能对提高国内单片机技术的 应用水平有所促进。 3.2.13.2.1 单片机的硬件单片机的硬件 单片微型计算机，简称单片机，是微型计算机的一个分支。它是在一 块芯片上集成（嵌入）了 CPU、RAM 和 ROM 存储器、IO 接口等而构 成的微型计算机。因主要用于工业测控领域，故又称为微控制器或嵌入式 控制器。单片机的核心是中央处理器 CPU。用超大规模集成技术把 CPU 集成在一块芯片上，称为微处理器。微处理器、微控制器和微型计算机三 者的关系十分密切。目前，单片机在工业测控领域中已占重要地位。各电 气厂商、机电行业和测控企业都把单片机作为本部门产品更新换代、产品 智能化的重要工具。全世界单片机的生产厂家有 30 多家，能生产 60 多个 系列，1000 多个型号的产品。产量大，仅 1996 年的产量就达 18 亿片。 1、单片机的特点 单片机问世以来所走的路与微处理器是不同的。微处理器向着高速运 算、数据分析与处理能力、大规模容量存储等方向发展，以提高通用计算 机的性能。其接口界面也是为了满足外设和网络接口而设计的 。单片机 则是从工业测控对象、环境、接口特点出发，向着增强控制功能、提高工 业环境下的可靠性、灵活方便的构成应用计算机系统的界面接口的方向发 展。因此，单片机有着自已的特点，主要是： 品种多样，型号繁多。品种型号逐年扩充以适应各种需要。使系统 开发者有很大的选择自由。CPU 从 4、8、16、32 到 64 位，有些还采用 RISC 技术； 提高性能，扩大容量。集成度已达 200 万个晶体管以上。总线工作 速度已达数十微秒。工作频率达到 30MHz 甚至 40MHz。指令执行周期减 到数十微秒。存储器容量 RAM 发展到 1K、2K，RO M 发展到 32K、64K； 增加控制功能，向外部接口延伸。把原属外围芯片的功能集成到本 芯片内。现今的单片机已发展到在一块含有 CPU 的芯片上，除嵌入 RAM、ROM 存储器和 IO 接口外，还有 AD、PWM、U ART、TimerCounter、DMA、Watchdog、Serial Port、Sensor、driver、 还有显示驱动、键盘控制、函数发生器、比较器等，构成一个完整的功能 强的计算机应用系统； 低功耗。供电电压从 5V 降到 3V、2V 甚至 1V 左右。工作电流从 mA 级降到 A 级。在生产工艺上以 CMOS 代替 NMOS，并向 HCMOS 过渡； 应用软件配套。提供了软件库，包括标准应用软件，示范设计方法。 使用户开发单片机应用系统时更快速、方便。使有可能做到用一周时间开 发一个新的应用产品； 系统扩展与配置。有供扩展外部电路用的三总线结构 DB、AB、CB，以方便构成各种应用系统。根据单片机网络系统、多机系 统的特点专门开发出单片机串行总线。此外，还特别配置有传感器，人机 对话 、网络多通道等接口，以便构成网络和多机系统。 3.2.23.2.2 单片机的总线单片机的总线 一直以来，单片机没有自己的专门的总线标准，通常是由著名厂家推 出自己产品时配套设计的。如 MC S51 系列单片机就设计有完善的三总 线结构（地址总线 AB，数据总线 DB，控制总线 CB） ，要构成不同的单片 机应用系统是方便的。虽然，单片机可以归结为工控机的一种，而工控机 的成熟主流总线是 STD 总线，但单片机却没有完全执行 STD 总线标 （IEEE961） ，而以控制总线差别较大。 这里只论及完全根据单片机的特点，按照控制系统网络及多机系统的 需要而设计的串行接口总线。有了此总线，多个单片机就能以一定的拓朴 结构组成多种系统，弥补了在网络控制方面的不足。 单片机应用系统涉及多种多样的外部设备或系统的互连和通信，有必 要在单片机与外部芯片间插入有通信功能的接口。这样做的好处是： （1）串行总线连线少，结构简单，安装调整方便。在传送速度不太高的 场合，串行总线是可取的；（2）总线接口部分已集成到芯片中，系统可 以按功能模块直接联接；（3）故障诊断排除十分简单；（4）可利用软件 库进行安装，减少软件开发时间；（5）取消外部接口电路，外部接线少， 体积小，可靠，价廉。目前已生产出多种产品，但仍未有正式批准的国际 标准。常见的有以下几种总线： IIC 总线（InterIntegrated Circuit） 。这是 Philips 开发的一种内部双 向二线串行总线。一为串行数据总线。另一为串行时钟总线。线上设备可 用软件寻址，且可自动冲突仲裁 。标准传送速率 100kbits，最大 400kbits适于非高速系统。 BIT 总线。这是 Intel 开发的一种分布式机间通信的串行总线。通过 RUPI44 系列的串行接口单元，可实现点对点、多点主从、环形网三种 链路结构的通信。外同步速率 24MBs（点对点，多点） ， 10MBs（环形网） 。 MicroWire 总线。这是国家半导体开发的一种三线串行接口总线。一 为数据输出线，二为数据输入线，三为时钟线。线上只有一台机为主机， 其余为从机。MicroWireplus 是增强型。各型号功能各异。 SPISCI 总线（串行输入接口串行通信口） 。由 Motorola 开发。 SPI 为并行同步总线（两条串行数据线，一条串行时钟线）通过 SPI 的互 连可构成各种应用系统。SCI 为异步通信接口。 VESA 总线（Video Electronics StandardAssociation） 。由视频电子标 准协会等多家公司联合推出的全开放模块式的局部总线。又称 VESALocal 总线，简称 VL。此总线支持高速视频处理，总线宽 32 位，数据线可扩至 64 位。数据传输率 132MBs。适于多媒体场合。 CAN 总线（Controller Area Network） 。这是一种单片机外部串行总 线。采用多元竞争式结构。按设定仲裁字的方式进行总线仲裁。是网络系 统的一种重要总线型式。 此外，还有 Signetics 公司的芯片内部的 DDB 总线等。 1995 年末，世界上最新开发的 Intel 公司的总线产品 compact PCI 被介 绍给我国的工控，而该类产品在我国目前仍处于初创研发阶段。作为归结 为工控机类的单片机，如何彻底解决设备共享问题 ，从而加入现场控制 系统（FCS）中，一直是工控界关注的问题。 在当今社会，单片机还是十分流行的 MCU，经过不断的完善功能比 以前更加强大，并且价格便宜，实用性强。 3.3 LCD 液晶显示器液晶显示器 在本系统中采用的是 12232 液晶显示器来显示各个参数，其比 LED 数 码管显示有以下优点：1.数码管显示在有的情况下显示不清楚，而 LCD 在 光照较强的情况下显示的更清楚，在光暗的情况下有液晶功能，也能够看 清显示的数据。2.数码管容易损坏，经常更换，而液晶显示可靠性高，稳 定性好，比较耐用。 3.3.13.3.1 液晶驱动液晶驱动 ICIC 基本特性基本特性 1、具有低功耗、供应电压范围宽等特点。 2、具有 16common 和 61segment 输出，并可外接驱动 IC 扩展驱动。 3、具有 2560 位显示 RAM（DD RAM） ，即 8084 位。 4、具有与 68 系列或 80 系列相适配的 MPU 接口功能，并有专用的指 令集，可完成文本显示或图形显示的功能设置。 3.3.23.3.2 模块基本特性模块基本特性 视域尺寸：，60.518.0mm（12232-1/-2）,54.818.3mm（12232-3） ； 显示类型：黄底黑字； LCD 显示角度：6 点钟直观； 驱动方式：1/32 duty，1/6 bias； 连接方式：导电胶条，铁框； 补充说明：模块外观尺寸可根据用户的要求进行适度调整。 3.3.33.3.3 工作参数工作参数 1、逻辑工作电压（VDD-VSS）：2.46.0V 2、LCD 驱动电压(Vdd-Vlcd)：3.013.5V 3、工作温度(Ta)：055（常温） / -2070（宽温） 4、保存温度(Tstg)：-1070 3.3.43.3.4 电气特性电气特性 1、输入高电平(Vih)：3.5Vmin 2、输入低电平(Vil)：0.55Vmax 3、输出高电平(Voh)：3.75Vmin 4、输出低电平(Vol)：1.0Vmax 5、工作电流：2.0mAmax 3.3.53.3.5 接口说明接口说明 管脚说明: VDD：逻辑电源正 GND(VSS)： 逻辑电源地 VLCD(VEE,V0)：LCD 驱动电源 RET：复位端,对于 68 系列 MPU:上升沿(L-H)复位，且复位后电平须保 持为高电平（H） ；对于 80 系列 MPU:下降沿(H-L)复位，且复位后电平 须保持为低电平（L） 。 E1：读写使能。对于 68 系列 MPU，连接使能信号引脚，高电平有效； 对于 80 系列 MPU，连接/RD 引脚，低电平有效。 E2：同 E1 引脚。 /RD：读允许，低电平有效。 /WR：写允许，低电平有效。 R/W：读写选择，对于 68 系列 MPU，高电平时读数据，低电平时写数 据；对于 80 系列 MPU，低电平时允许数据传输，上升沿时锁定数据。 A0：数据/指令选择。高电平：数据 D0-D7 将送入显示 RAM； 低电平：数据 D0-D7 将送入指令执行器执行。 D0-D7：数据输入输出引脚。 3.3.63.3.6 指令描述指令描述 1、显示模式设置 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 LHLHLHLHHHD 功能：开/关屏幕显示,不改变显示 RAM(DD RAM)中的内容,也不影响内 部状态。D=0，开显示；D=1，关显示。如果在显示关闭的状态下选择静态 驱动模式，那么内部电路将处于安全模式。 2、设置显示起始行 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 LHLHHLA4A3A2A1A0 功能：执行该命令后，所设置的行将显示在屏幕的第一行。起始地址 可以是 0-31 范围内任意一行。行地址计数器具有循环计数功能，用于显 示行扫描同步，当扫描完一行后自动加一。 3、页地址设置 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 LHLHLHHHLA1A0 功能：设置页地址。当 MPU 要对 DD RAM 进行读写操作时，首先要设置 页地址和列地址。本指令不影响显示。 A1A0 页地址 000 011 102 113 4、列地址设置 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 LHLLA6A5A4A3A2A1A0 功能：设置 DD RAM 中的列地址。当 MPU 要对 DD RAM 进行读写操作前， 首先要设置页地址和列地址。执行读写命令后，列地址会自动加 1，直到 达到 50H 才会停止，但页地址不变。 A6A5A4A3A2A1A0 列地址 00000000 00000011 10011104E 10011114F 5、读状态指令 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 LLHBUSYADCOM/OFFRESETLLLL 功能：检测内部状态。 BUSY 为忙信号位，BUSY =1：内部正在执行操作；BUSY =0：空闲 状态。 ADC 为显示方向位，ADC=0：反向显示；ADC=1：正向显示。 ON/OFF 显示开关状态，ON/OFF=0：显示打开，ON/OFF=1：显示关闭。 RESET 复位状态，RESET=0：正常，RESET=1：内部正处于复位初始化 状态。 6、写显示数据 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 HHLWrite Data 功能：将 8 位数据写入 DD RAM，该指令执行后，列地址自动加 1，所 以可以连续将数据写入 DD RAM 而不用重新设置列地址。 7、读显示数据 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 HLHRead Data 功能：读出页地址和列地址限定的 DD RAM 地址内的数据。当“读-