可控硅动态无功功率补偿装置

1、可控硅动态无功功率补偿装置tsc型技术报告山 东 科 技 大 学2021 年 4 月 9 日7 / 48依据山东科技高校与益和电气集团股份有限公司签订的可控硅动态无功功率补偿装置tsc 型 技术开发（托付）合同，山东科技高校项目组负责该项目装置中掌握器部分的设计，并协作益和电气的产品设计、项目最终产品的型式试验工作；项目组在整个开发设计过程中，严格执行了新产品开发程序，在技术问题上准时与益和电气联系， 确保达到预期的技术经济性指标；现就该项目整个开发过程的有关情形总结分析如下：第一章 掌握策略与掌握算法设计1.1 掌握器的掌握策略本设计的无功补偿掌握器分为手动模式和自动模式；在手动模式下直接依

2、据手动的设置投切即可，在自动模式下掌握器依据掌握策略和掌握算法自动运行；本无功补偿掌握器掌握策略采纳以电网电压、无功功率作为掌握量的复合掌握策略，掌握算法采纳的是传统的比较判定算法，实行三相共补与分补相结合的补偿方式；在以往的掌握器设计中，多采纳单纯的功率因数做为判据，在并联电容器投切的过程中简洁产生投切振荡， 会对电网造成不利影响，因此本次设计统筹考虑了无功及无功功率这两个因素，综合分析掌握电容器组的投切，本掌握器掌握电容器组分为两方面内容：1、什么情形下对电容器组进行投切掌握器第一检测电网中的无功功率，判定是进行三相共补仍是各相分补，然后运算当前状态下依据刚才的判定进行掌握后对电网电压造成

3、的影响，假如超过了所设定的电压门限，并且投切间隔时间未到，就不发出掌握信号，否就，发出掌握信号；掌握策略分区如图 1.1 所示，对应掌握策略如表 1.1 所示； 能共不分 220+_10%+18v 过压回差；投门限 1.2qc，切 0.1qc；12345678910uu 上极限u 上限u 下限q 下限qq 上限图 1.1掌握策略分区图表 1.1分区掌握策略表5 区电压在范畴内，无功越下限逐个切除补偿电容器6 区电压在范畴内，无功在范畴内无动作7 区电压在范畴内，无功越上限逐个投入补偿电容器8 区电压越下限，无功越下限报警9 区电压越下限，无功在范畴内报警10 区电压越下限，无功越上限报警区号描

4、述掌握器执行的动作1 区电压越上极限 260v逐个切除补偿电容器（ 实际同时 ），并报警2 区电压越上限 242v ，无功越下限（ 系统无功多 ）逐个切除补偿电容器，并报警3 区电压越上限，无功在范畴内报警4 区电压越上限，无功越上限（系统无功少 ）报警2、怎样对电容器组进行投切此次设计的无功补偿掌握器主要是适用于等容量的补偿掌握器，即共补电容器组等 容量，分补电容器组等容量，但两者可以不等；关于电容器组的使用上总的来说是实行 “同相不同补、异相可同补、能共补不分补、循环使用”的原就，即对于同一相进行补偿时一次掌握执行动作只能投入或切除一组电容器，所以共补和分补不会同时执行相同 的动作，分相补

5、偿时三相可进行同时补偿，但是每次动作每相最多只能掌握一组电容器 投切，除了当依据检测值没有共补需要投入，但各相补偿投入的容量足以用一组共补来替代的情形发生，此时足以用共补电容器替代的那些分补电容器切除掉，同时共补电容 器投入一组，电容器的投切采纳的是先投入先切除、先切除先投入的循环使用方法，循 环的安排方法是共补电容器组一个循环，其他分相补偿电容器组各是一个循环，共补和分补的组数可以手动设定，当不需要分相补偿电容器组时，只需把分补的组数设置为0即可；1.2 电容器组容量相关的运算在无功补偿掌握器使用的过程中，需要手动设定所设计装置电容器组的参数，包括共补电容器的总组数、单个额定容量、额定电压以

6、及分补电容器组的各相的总组数、单个额定容量、额定电压；在实际补偿的过程中，由于电网电压的变动，必需依据检测的电压算出投入一组电容器组实际补偿的容量，本无功补偿掌握器的设计适合应用于共补时采纳三角形接线方式，各相分补时使用星形接线方式；由此可得出实际补偿时，共补和分补投入一个电容器组补偿的容量分别为3u auub32uc qqcna3uuub2uc2cncncn2quaacqcnu2cn2qubbcqcnu2cnqu2cq2qc（ 1.1）（ 1.2）（ 1.3）cc2cnu cn（ 1.4）其中， qac 、 qbc 、qcc 分补时各相投入一组电容器组实际补偿的容量；u a 、u b 、u

7、c 测量的三相相电压的有效值；qcn 、u cn 共补电容器组的额定容量、额定电压；qcn、u cn分补电容器组的额定容量、额定电压；qc 共补时投入一组电容器组实际补偿的容量；1.3 掌握策略软件设计依据前面的介绍，在主程序中设计的自动模式下掌握策略的软件流程示意图如下所示：开头检测电网参数 , 完成需要的运算电压越上极限 .ynnny蜂鸣器报警 ,液晶显示 ,指示灯指示电压越上限 .y蜂鸣器报警 ,指示灯指示电压越下限 .蜂鸣器报警 ,指示灯指示n对应相有分补电容器投入 .掌握间隔时间到 .y依据各相无功功率参数判定需要的掌握动作nn有共补电容器投入吗 .y切除该相一组分补电容器nny切除

8、一组共补电容器需要投入吗 .y需要切除吗 .yy需要共补吗 .n某相有分补投入吗.nyn运算假设投入一组共补电容器 , 电压变化分补的电容器能用共补代替吗.n有共补投入吗 .切除该相一组分补电容器y可以投入一组共补吗.ny投入一组共补电容器组,切除相应的分补电容器切除一组共补电容器y投入一组共补电容器组某相需要分补吗 .ny运算假设某相投入一组共补电容器 ,电压变化可以投入一组分补吗 .ny投入一组分补电容器组图 1.2掌握策略程序流程图其次章掌握器整体结构设计tsc 型无功补偿掌握器硬件主体部分一般包括检测、掌握、执行以及电源四部分；本掌握器中检测部分采纳三片cs5463 对三相电参数进行测

9、量，并将其运算测量的结果储备到自身的数据寄存器中；掌握单元采纳单片机c8051f020 通过对 cs5463 运算测量结果的读取，再依据设计掌握策略，做出投切决策并输出投切信号；执行单元主要有可控触发器（或 cf6g3 型可控硅掌握器） 和可控硅构成， 实现合适时刻对电容器的投入或切除；电网信号采样与预处理cs5463温度测量风机掌握可控硅控制器可控硅at89c2051数据储备器人机界面 按键输入 液晶显示 c8051f020实时时钟手动 /自动切换指示与报警系统电源串行通信掌握器硬件结构框图如图 2.1 所示；本系统除包含上述主体功能的硬件组成部格外， 仍包括了完成其它帮助功能的硬件模块，主

10、要包括人机界面、数据储备、实时时钟、串 行通信、报警和指示等模块电路；图 2.1掌握器硬件结构图2.1 电信号采样与测量电路模块本部分主要包括电网电压转换预处理电路（图2.2）、电流转换预处理电路（图 2.3）和 cs5463 应用电路（图 2.4）；44566r11vin+300v+r7220kpt1r91k2 20pfr8 100v-c1 21 8000pftrans12ma/2 mar1 01k2 20pfr12300vin-图 2.2电压信号转换预处理电路r28iin+300i+ct1r261k220pfr2515c15 18000pfi-trans110a/10mar271k220p

11、fr29300iin-图 2.3电流信号转换预处理电路在电压信号转换预处理（图 2.2）过程中，第一经过100k 的电阻把电网中的强电压信号转换为互感器能够接受的电流在2ma 范畴内的电流信号， 经过 2ma/2ma 变比的电流型电压互感器转换为弱电侧的电流信号，再经过合适电阻r8 转换为电能测量芯片cs5463 电压量程范畴内的电压信号，由于芯片cs5463 本身带有数字滤波器，在这里仅对转换后的电压信号作简洁的滤波处理，然后把预处理的信号接入到cs5463 的电压输入通道 vin+ ，vin- 引脚端，这样就完成了一相电压信号的采集；在电流信号转换预处理（图 2.3）过程中，第一经过变比为

12、 10a/10ma 的电流互感器把电网中的大电流信号转换为小电流信号，在经过合适电阻 r25 转换为 cs5463 量程范畴内的电压信号，经过简洁滤波后接入到 cs5463 的电流通道 iin+ 、iin- 引脚端，完成一相电流信号的采集；本系统中测量的核心部分cs5463 应用电路图，在本系统的设计中，采纳了三片cs5463 分别完成三相电参数的测量，其中一片通过4.096mhz 的晶振供应时钟信号， 后两片的时钟信号由第一片的 cpuclk 管脚供应， 这样可以使三片测量芯片工作同步； 通过 spi 串行通信总线与单片机c8051f020 通信；cs5463 是一个包含两个模 -数转换7

13、/ 48titletitle sizenu mberrevisio n器（ adc ）、功率运算功能、电能到频率转换器和一个串行接口的完整的功率测量芯片， 管脚信息如图 2.4 所示，它具有以下特性：图 2.4cs5463 的引脚封装图电能数据线性度：在1000 ：1 动态范畴内线性度为 ±0.1% 片内功能：可以测量瞬时电压、电流、irms 和、vrms、视在功率、有功功率、无功功率、有功的基波和谐波功、无功的基波功率 ,、功率因数 ,、频率具有电能 -脉冲转换功能具有系统校准和相位补偿具有温度传感器两种无功运算方式符合 iec， ansi, ，jis 工业标准功耗<12mw

14、优化的分流器接口单电源地参考信号片内 2.5v 参考电压（最大温漂 25ppm/）内带电源监视器简洁的三线数字串行接口可以从串行 eeprom 智能“自引导”，不需要微掌握器电源配置va+ = +5 v; agnd = 0 v ；vd+ = +3.3v +5 vcs5463 电压通道的量程为250 mv ，有 voltage gain 寄存器，答应一个附加可编程4 倍放大器，电流通道的量程可以设置为250mv 或者 50mv ，也有 current gain 寄存器，答应一个附加可编程 4 倍放大器，芯片的采样周期和运算周期都可以依据需要敏捷61 / 48设置，其本身又带有强大的数字滤波器，对

15、数据进行低通滤波，以去除调制器输出的高 频噪声；通道的低通滤波器由一个固定的sinc3 滤波器实现，通道的数据接下来通过一个可选 iir 补偿滤波器， 以补偿通过低通滤波器后产生的幅值损耗；两个通道都供应了一个可选的高通滤波器（用 hpf 表示），它可以加入信号通路，以在 vrms/irms、有功功率、视在功率运算之前除去电流/电压信号中的直流成分；任意一个通道中的 hpf 假如不用，就这通道将启动全通滤波器（用apf 表示），以保持电压和电流的传感信号之间的相位关系；可见， cs5463 是一款功能强大、应用便利的专用电能测量芯片；2.2 单片机 c8051f020 应用电路模块c8051f

16、020 单片机是完全集成的混合信号系统级mcu芯片，具有 64 个数字 i/o引脚，其主要特性有：高速、流水线结构的8051 兼容的 cip-51 内核（可达 25mips） 全速、非侵入式的在系统调试接口 片内）真正 12 位、100ksps的 8 通道 adc ，带 pga 和模拟多路开关真正 8 位 500ksps 的 adc，带 pga 和 8 通道模拟多路开关两个 12 位 dac ，具有可编程数据更新方式64k 字节可在系统编程的 flash 储备器4352（4096+256）字节的片内 ram可寻址 64k 字节地址空间的外部数据储备器接口硬件实现的 spi、smbus/ i2c

17、 和两个 uart 串行接口5 个通用的 16 位定时器具有 5 个捕获/比较模块的可编程计数器 /定时器阵列片内看门狗定时器、 vdd 监视器和温度传感器c8051f020具有片内 vdd监视器、看门狗定时器和时钟振荡器是真正能独立工作的片上系统；全部模拟和数字外设均可由用户固件使能/ 禁止和配置； flash储备器仍具有在系统重新编程才能，可用于非易失性数据储备，并答应现场更新8051 固件；片内 jtag 调试电路答应使用安装在最终应用系统上的产品mcu进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试； 该调试系统支持观看和修改储备器和寄存器，支持断点、观看点、单步及运行和停机命令；在使

18、用jtag 调试时，全部的模拟和数字外设都可全功能运行； 每个 mcu都可在工业温度范畴 （ -45 到+85）内用 2.7v-3.6v的电压工作；端口 i/o 、/rst 和 jtag 引脚都容许 5v 的输入信号电压；c8051f020 系列器件使用 silicon labs的专利 cip-51 微掌握器内核； cip-51 与mcs-51指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发；cip-51 内核具有标准 8052 的全部外设部件， 包括 5 个 16 位的计数器 / 定时器、两个全双工 uart、256 字节内部 ram、128 字节特别功能寄存器（

19、sfr）地址空间及 8/4 个字节宽的 i/o端口；与 mcs-51相比，c8051f020 系列器件使用的 cip-51 微掌握器内核具有以下特点：图 2.5 c8051f020 原理框图 a增加的功能c8051f020 系列 mcu对 cip-51 内核和外设有几项关键性的改进， 提高了整体性能， 更易于在最终应用中使用；扩展的中断系统向 cip-51 供应 22 个中断源（标准 8051 只有 7 个中断源），答应大量的模拟和数字外设中断微掌握器；一个中断驱动的系统需要较少的mcu干预，因而有更高的执行效率；在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是特别有用的；mcu可有多达 7 个

20、复位源：一个片内 vdd监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器 0 供应的电压检测器、 一个软件强制复位、 cnvstr引脚及 /rst引脚；/rst 引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/rst 引脚；除了 vdd监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以由用户用软件禁止；使用monen引脚使能 / 禁止 vdd监视器；在一次上电复位之后的mcu初始化期间， wdt可以被永久性使能；mcu内部有一个独立运行的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟；假如需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器， 外部振荡器可以使用晶体、 陶瓷谐振器、 电容、rc 或外

21、部时钟源产生系统时钟；时钟切换功能在低功耗系统中是特别有用的，它答应mcu从一个低频率（节电）外部晶体源运行，当需要时再周期性地切换到高速（可达16mhz）的内部振荡器；图 2.6 c8051f020 原理框图 b2.3 掌握执行电路模块单片机读取 cs5463 检测运算出的数据，依据设计的掌握策略发出掌握信号，触发掌握电路执行动作；可见，掌握执行电路在掌握器的设计中占有特别重要的位置，不但要满意电容器过零投切的要求，仍要能够有较强的牢靠性；本次设计的掌握器掌握执行电路模块主要有光电隔离电路和可控硅掌握器模块构成；由于单片机输出的触发信号是 0v 或者 5v 的规律信号， 抗干扰才能比较差，为

22、了削减因系统干扰而产生的误动作，在掌握端提高了掌握电压，使用 15v 的电压来触发可控硅掌握器，这样在单片机的触发信号和可控硅掌握模块间添加了用 tlp521 设计的光电隔离电路，其原理如图 2.7 所示；其中+5v 电源来自于单片机模块电源， +15v 电源应与+5v 电源不共地；由于单片机掌握端口都有上拉电阻，复位状态下输出高电平，所以采纳单片机输出低电平常实现投入电容器组，电路工作时，当单片机掌握端口输出低电平 信号时，可控硅掌握器端口输出 +13v 左右的电平触发可控硅掌握器使相应的可控硅导通，完成投入一组电容器的动作；当单片机掌握端口输出高电平信号时，可控硅掌握器端口输出 0v 电平

23、触发可控硅掌握器使相应的可控硅断开，完成投入一组电容器的切除；+5v1k1k+15v单片机掌握端口可控硅掌握器端口10k图 2.7光电隔离电路图触发可控硅的方案一是选用沈阳信达电力电子有限公司生产的cf6g-3 型三相沟通无触点开关可控硅掌握器，自身可供应15v 掌握电源，其特点有：高牢靠的可控硅电压过零触发， 三相独立掌握， 直流掌握电压输入 5-24v（最小电流 1ma ）脉冲变压器输出， 触发功率大；有自同步功能；一体化结构，接线简洁，互换性好；工作牢靠，抗干扰能力强；以 a 相为例，其电路原理图如图 2.8 所示，其接线端子排列如图 2.9 所示，上面一排分别接各相的可控硅， 下面 1

24、、2 端子是模块的供电电源， 8 端子是掌握电源输出端， 9、10、11 分别是各相的掌握信号输入端口，三相共补时接到同一个掌握信号端，各相分补时分别接到各自的掌握信号端；图 2.8 可控硅掌握器电路原理图（a 相）图 2.9可控硅掌握器接线端子排列图通过一段时间的使用我们发觉，虽然cf6g-3 型三相沟通无触点开关可控硅掌握器能够满意可控硅触发脉冲的要求，但是其体积大、价格高、在掌握柜中的安装不便利；针对这一问题，通过广泛的调研，我们开发出了以moc3083 为核心的触发电路模块， 作为触发可控硅的方案二；其电路原理如图2.10 所示 ；vcck1ledr32.1 kr53 30d11 n4

25、 0 01k1u1f1g1scr1con123654g1r4g2g23 30moc30 83k2r63 30d21 n4 0 01k2k1r12 7r26 80 vc10.2 2k2scr2图 2.10 可控硅触发电路方案二2.4 人机交互模块对于一个智能化系统来说，人性化的人机交互，不仅能够便利系统的使用，而且仍能通过多功能的人机交互工具，大大丰富系统的功能，通过一些实时参数显示、指示灯等动态监控电网以及掌握器的运行状况，此部分主要包括：液晶显示电路、键盘电路、指示灯电路以及手动 /自动模式转换电路五部分；1、液晶显示电路兼顾到掌握器尺寸、成本以及要显示的参数等因素，本次设计选用了金鹏电子有

26、限公司的 ocmj4*8b 液晶显示器，其引脚说明如表 2.1 所示，应用接线电路如图 2.11 所示；ocmj4x8b 系列（改进型） 中文液晶显示模块采纳金鹏电子有限公司研发的新型控制器 8133；显示模块内含gb 2312 15*15 点阵国标一、二级简体汉字和8*8 点阵及 8*16点阵 ascii 字符，用户输入 gb2312 区位码或 ascii码即可实现文本显示；是广泛用于各种仪器外表、家用电器上的显示器件；ocmj4x8b 的接口协议为恳求 /应答（ req/busy ）握手方式；应答 busy 高电平（busy =1）表示 ocmj 忙于内部处理，不能接收用户命令； busy

27、 低电平 busy =0） 表示 ocmj 闲暇，等待接收用户命令；发送命令到ocmj 可在 busy =0 后的任意时刻开头，先把用户命令的当前字节放到数据线上，接着发高电平req 信号（ req =1）通12知 odcmj 恳求处理当前数据线上的命令或数据； ocmj 模块在收到外部的 req 高电平信号后立刻读取数据线上的命令或数据，同时将应答线busy 变为高电平，说明模块已收到数据并正在忙于对此数据的内部处理，此时，用户对模块的写操作已经完成，用户可以撤消数据线上的信号并可作模块显示以外的其他工作，也可不断地查询应答线 busy 是否为低（ busy =0？），假如 busy =0，

28、说明模块对用户的写操作已经执行完毕；可以再送下一个数据；如向模块发出一个完整的显示汉字的命令，包括坐标及汉字 代码在内共需 5 个字节，模块在接收到最终一个字节后才开头执行整个命令的内部操作， 因此，最终一个字节的应答 busy 高电平（ busy =1）连续时间较长；由于本掌握器要显示的内容比较多，在应用的过程中，实行自动换屏显示的方法，c液晶显示器1 81 71 61 51 41 31 21 11 0987654321rt2rt1nc/rest req busy db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0 vdd vss le d+le d-p3. 2p3. 3p3.

29、1单片机p4 口b+5v图 2.11液晶应用接线电路图表 2.1液晶显示模块引脚说明4vddi+5v13busyo应答信号 =1 ：已收到数据并在处理中； =0：9db4i1数据 418rt22lcd 灰度调整，外接电阻端正常工作时， 软件掌握各屏自动滚动； 当检测电网中电压显现越上极限、 上限等情形时， 会自动显示出提示或警告信息；引脚名称方向说明引脚名称方向说明1led-i背光源负极（ led-0v ）10db5i数据 52led+i背光源正极（ led+5v ）11db6i数据 63vssi地12db7i数据 7a模块闲暇，可接收数据5db0i数据014reqi恳求信号，高电平有效6db

30、1i数据115resi复位信号，低电平有效7db2i数据216nc8db3i数据317rt1lcd 灰度调整，外接电阻端2、键盘电路键盘是用来设定掌握参数的基本手段以及掌握器手动模式下工作的必备工具；为方 便使用，本装置设计了 8 按键键盘，按键 k1 的功能是实现掌握器系统的硬件复位，其余按键有一片 74hc165 来驱动实现，完成系统的其他一些功能，其具体电路如图2.12所示，功能安排如下：按键 k2 ：在参数设置时实现光标的右移； 按键 k3 ：在参数设置时实现光标的左移； 按键 k4 ：实现要设置参数的加 1；按键 k5 ：调出要修改时间的界面；按键 k6 ：备用；按键 k7 ：参数设

31、置；按键 k8 ：确定键；rp14.7 k1 2 3 4 5 6 7 8 9+5vk2 k3 k4k510111213143456u1ser p0 p1 p2p3 p4p5 p6p7q7q797datak6k72151k8clk1 clk2 pl74ls1 65sclksh+5vr54.7 kk1rst图 2.1274hc165 实现 7 按键电路图3、人机交互的其它电路模块指示灯电路如图 2.13、以及手动 /自动转换电路如图 2.14，这部分电路设计比较简洁， 这里仅给出电路连接图；图 2.13指示灯电路图 2.14手动 /自动转换电路2.5 时钟电路与外部储备器电路模块实时时钟和数据储备

32、功能对于一个系统特别重要，不但能够实现系统运行中重要数 据的记录，而且能够记录相应的时刻，对于具有电网监控功能的系统具有重大意义；在 本系统中，选用 isl1208 芯片实现实时时钟 /日历功能，在掌握器断电时用可充电电池保持时钟，选用 fm24c16a 实现数据储备的功能，两者都有 i2c 通信总线，便利实现与单片机 c8051f020的通信，它们的应用电路如图2.15 所示；32.768khz1234x1 x2vbatvdd/irq/foutscl+5v 1048765p0.77wpgndisl1208sda2kp0.61 a02 a13 a2sclk6sda521k1电池2k+5vat2

33、4c16titlesize b图 2.15实时时钟和数据储备器电路图i2c（ iic ）3总线是 philip 公司推出的芯片间串行传输4总线， c8051f 的 smbus 完全与其兼容（smbus 原理框图如图 2.16 所示）；smbus 总线采纳了器件地址硬件设置的方法；它通过软件寻址，完全防止了用片选线对器件的寻址方法，从而使硬件系统扩展极为简洁敏捷； smbus 总线传输中的全部状态都生成相应的状态码，系统中的主机能够依照这些状态码自动地进行总线治理；在设计时只要在程序中装入这些标准处理模块， 并依据数据操作要求完成总线的初始化，启动总线就能自动完成规定的数据传送操作；在设计中使用

34、两根线（串行数据线，sda；串行时钟线， scl）来实现同步串行接收和发送；系统掌握器对总线的读写操作都是以字节为单位的， 由 smbus 接口自动掌握数据的date: file:5串行传输；数据传输的最大速率可达系统时钟频率的八分之一；当此值高于 smbus 的规定速度时，可以采纳延长低电平常间的方法和谐同一总线上不同速度的器件；图 2.16smbus 原理框图系统掌握器对总线的读写操作都是以字节为单位的， 由 smbus 接口自动掌握数据的串行传输；数据传输的最大速率可达系统时钟频率的八分之一；当此值高于 smbus 的规定速度时，可以采纳延长低电平常间的方法和谐同一总线上不同速度的器件；

35、图 2.17 给出了本设计中 smbus 配置；总线上全部器件的 sda 线和 scl 线分别接在一起； smbus0 接口的工作电压可以在 3.0v 和 5.0v 之间，总线上不同器件的工作电压可以不同； scl（串行时钟）和 sda（串行数据）线是双向的，必需通过一个上拉电阻或类似电路将它们连到电源电压；连接在总线上的每个器件的scl 和 sda 都必需是漏极开路或集电极开路的，因此当总线闲暇时，这两条线都被拉到高电平；总线上的最大器件数只受所要求的上升和下降时间的限制，上升和下降时间分别不能超过300ns 和1000ns；图 2.17smbus 总线电气连接图isl1208 是低功耗实时

36、时钟，带定时与晶体补偿、时钟/日历、电源失效指示器、周期或轮询报警、智能后备电池切换和后备电池供电的用户sram ；振荡器采纳外部、低成本、 32.768khz 的晶体；实时时钟用独立的时、分、秒寄存器跟踪时间，并且仍带有日历寄存器用于储备日、月、年和星期日历精确到2099 年， 具有闰年自动修正功能； isl1208 强大的报警功能，能够被设置成任意的时钟日历值， 与报警相匹配；例如可设置成每分钟、每个星期二或者3 月 21 日上午 5:23 报警；报警状态可以在状态寄存器中查询，或者可以设置器件通过irq 引脚供应一次硬件中断；报警有一种重复模式，答应产生每分钟、每小时、每天一次等的周期性

37、中断；图 2.18isl1208 原理框图该器件仍有一个后备电源输入脚vbat ，该脚答应器件用电池或大容量电容进行后备供电，可自动从 vdd 切换到 vbat；整个 isl1208 器件的工作电压范畴为 2.0v 至5.5v ，时钟日历部分在电压低至 1.8v 时仍可工作（待机模式） ；fm24c16 是 ramtroninternational公司生产的一种铁电存贮器 fram ；fram 是最近几年由 ramtron公司研制的新型存贮器，其核心技术是采纳铁电晶体 材料；该器件拥有立刻存取记忆体和非易失性存贮产品的特性；fm24c16 为 16kbit 的铁电存贮器，它和 at24c16

38、容量等同且总线结构兼容，但fm24c16 的性能指标远大于at24c16，因而在存贮器领域中， fm24c16 正逐步被推广应用和认可；随着电子外表功能的扩展，储存的数据量越来越大，而大容量的eeprom 性能指标不是很高，特别是擦写次数和速度将影响电能表自身的质量； 本设计使用 fm24c16，必将会提高数据的安全存贮特性；fm24c16 的特性传统半导体记忆体有两大体系 : 易失性记忆体 volatile memory和非易失性记忆体non-volatilememory；易失性记忆体 如 sram 和 dram 在没有电源的情形下都不能储存数据，但具有高性能、易使用等优点；非易失性记忆体如

39、 eprom、eeprom 和 flash 等，它们在断电后仍能储存数据；但由于全部这些记忆体均起源自rom 技术，所以都具有写入缓慢、读写次数少、写入功耗大等缺点；fm24c16 是一个 16kbit 的 fram ，其总线频率可高达 1mhz ，具有 10 亿次以上的读写次数且功耗很低； 与典型的 eeprom 存贮器 at24c16 相比，fm24c16 可跟随总线速度写入而无须等待时间，而 at24c16 就必需等待几毫秒 ms才能进行下一步写操作；fm24c16 可读写 10 亿次以上 几乎无限次读写 ，但 at24c16 只能进行 10 万到一百万次的读写；另外， at24c16

40、的读写能量高出 fm24c16 大约 2500 倍，由此可见， fm24c16 既包含了 ram 的技术优点，同时又拥有 rom 技术的非易失性特点；fm24c16 的基本功能引脚功能fm24c16 有 8 个引脚，采纳 soic 和 dip 两种封装形式；各引脚的功能说明如下: a0a2: 设备地址挑选口 输入;vss:接地端;sda: 串行数据口 输入、输出双向 ，可连接单片机以进行数据读写; scl:串行时钟输入，可通过单片机供应读写时序;wp :写爱护输入，当 wp 为高时，写禁止，为低时，写答应 ;vdd:5v 电源端；2.6 系统电源模块c系统电源设计对于一个系统的稳固运行至关重要

41、，在无功补偿装置的应用中，一般只有 220v 或者 380v 强电电压，在本掌握器的设计中用到+5v 电源和+3.3v 电源，所以需要将配电网的电压转换为掌握器可用的弱电电压；在这一过程中，我们第一选用了开关电源将 220v 的相电压转换成 +5v 电压，然后采纳芯片ams1117 转换成+3.3v 电压， 外加一些帮助的滤波等电路就完成了掌握器电源的设计，具体电路原理如图2.19 所示；av+3.3+5v1 vdd+3.3v+5v3ams1117vin2+3v+d n g0.1uf1d n gvout+1a相电压开关稳压电源330uf15uf 0.1uf41uf 0.1uf 1uf 0.1u

42、f1uf 0.1ufgndagndb2.7 串口通信模块图 2.19电源模块电路原理图考虑到无功补偿设备的安装及使用，为了既不增加系统的开发成本，又能在需要时将数据传输到上位机， 本系统采纳 c8051f020的全双工 uatr0 串行通信接口和 max232芯片构成具有 rs232 串行通讯接口，芯片选用 3.3v 电源供电的 max3232 ；uart0 是一个具有帧错误检测和地址识别硬件的增强型串行口；uart0 可以工作在全双工异步方式或半双工同步方式，并且支持多处理器通信；接收数据被暂存于一个保持寄存器中，这就答应 uart0 在软件尚未读取前一个数据字节的情形下开头接收第二个输入数

43、据字节；一个接收掩盖位用于指示新的接收数据已被锁存到接收缓冲器而前a一个接收数据尚未被读取；title对 uart0 的掌握和拜访是通过相关的s特ize 殊功n能um寄be存r器即串行掌握寄存器re（vissioncon0）和串行数据缓冲器（ sbuf0）来实现的；一b 个 sbuf0 地址可以拜访发送寄存器和接收date:17-may-2021sheetof寄存器；读操作将自动拜访接收寄存器，而file操:作自功率动因数访补偿问项目发讨论送生毕寄业论存文相器关相；关电路dr图a图w2n.2b.yd:db456uart0可以工作在查询或中断方式；uart0有两个中断源：一个发送中断标志ti0

44、（scon0.1）（数据字节发送终止时置位）和一个接收中断标志ri0（scon0.0）（接收完一个数据字节后置位） ；当 cpu 转向中断服务程序时硬件不清除uart0 中断标志，中断标志必需用软件清除；这就答应软件查询uart0 中断的缘由（发送完成或接收完成）；uart0 供应四种工作方式（一种同步方式和三种异步方式） ，通过设置 scon0 寄存器中的配置位挑选；这四种方式供应不同的波特率和通信协议；在本设计中采纳了方式 1；图 2.20uatr0 串行通信接口方式 1 供应标准的异步、全双工通信， 每个数据字节共使用 10 位：一个起始位、 8 个数据位（ lsb 在先）和一个停止位；

45、数据从tx0 引脚发送，在rx0 引脚接收；在接收时， 8 个数据位存入 sbuf0，停止位进入 rb80（scon0.2）；当执行一条向sbuf0 寄存器写入一个字节的指令时开头数据发送；在发送终止时（停止位开头）发送中断标志 ti0 （scon0.1）置位；在接收答应位 ren0（ scon0.4） 被设置为规律 1 之后任何时间都可以开头数据接收； 收到停止位后假如满意下述条件就数据字节将被装入接收寄存器 sbuf0：ri0 为规律 0，并且假如 sm20 为规律 1 就停止位必需为 1；假如这些条件满意，就 8 位数据被存入 sbuf0，停止位被存入 rb80，ri0 标志被置位；假如

46、这些条件不满意，就不装入sbu0f 和 rb80，ri0 标志也不被置 1；假如中断被答应，在 ti0 或 ri0 置位时将产生一个中断；方式 1 的波特率是定时器溢出时间的函数， 如方程 1 和方程 2 所示；uart0 可以使用定时器 1 工作在 8 位自动重装载方式或定时器 2 工作在波特率发生器方式产生波特率（留意， tx 和 rx 时钟可以分别挑选）；每次定时器发生溢出（从全 1（对定时器1 为 0xff，对定时器 2 为 0xffff）返回到 0）时向波特率电路发送一个时钟脉冲；通过将 tclk0 （t2con.4）和/或 rclk0 （ t2con.5）为设置为规律 1 来挑选定

47、时器 2 为tx 和/或 rx 的波特率时钟源；当 tclk0 或 rclk0中的任何一个被置 1 时，定时器2 就被强制进入波特率发生器方式并使用系统时钟的二分频作为时钟源；假如tclk0和/或 rclk0 为规律 0，定时器 1 就成为 tx 和/或 rx 电路的波特率时钟源；以下为在设计中使用的方式 1 的波特率方程为，其中： t1m 为定时器 1 时钟挑选位（ ckcon.4 ），th1 是定时器 1 的 8 位重装载寄存器， smod0 是 uart0 的波特率加倍掌握位（位于寄存器 pcon 中）， rcap2h:rcap2l 是定时器 2 的重装载寄存器；波特率32256th 1

48、波特率32sysclk65536 rcap2 h : rcap2 l c8051f020 与系统机通讯；其连接示意图如2.21 所示；2smod 0sysclk12 t 1m 1（ 1）（ 2）图 2.21c8051f020 与系统机通讯连接示意图具体电路原理如图 2.22 所示；vdd+3.3 vu11 6vccgnd15c2 9104c3 110421c3 01304cap + cap 1 +cap 1 -cap-64cap 2 +5cap 2 -c2 71 04c2 811 04627db9bp0. 0p0. 11 11 0t-in1t-in21 2r-out19r-out2max3 2

49、3 2143rt-out1rt-out2784rr-in113985rr-in2图 2.22rs232 串行通信电路max3232芯片是 maxim公司生产的低功耗、单电源双 rs232发送/ 接收器；适用于各种 eia-232e 和 v. 28/v. 24的通信接口； max232芯片内部有一个电源电压变换器, 可以把输入的 +5v电源变换成 rs-232c输出电平所需± 10v 电压, 所以采纳此芯片接口的串行通信系统只要单一的 +5v电源就可以； ma3x232外围需要 4 个电容, 是内部电源转换所需电容，其取值均为 0.1 f 电容；max3232的引脚 t1in、t2in

50、、r1ou、tr2out为接 ttl/cmos电平的引脚； 引脚 t1ou、tatitlet2ou、t r1in、r2in 为接 rs-232c电平的引脚；因此 ttl/cmos电平的 t1in、t2in 引脚sizenu mberrev isio nb应接 c8051f020的串行发送引脚 txd； r1out、r2out应接 c8051f020的串行接收引脚rxd；与之对应的 rs-232c电平d的ate: t1o1u7-m、tay t-2021o8 ut应接 pc机的接收she端etorf d； r1in 、r2infile:功率因数补偿项目讨论生毕业论文相关相关电d路r图aw图n 2b.2y.:dd b4应接 pc机的发送端 td；562.8 温度检测掌握模块为了检测掌握柜内温度、可控硅模块温度及电容器温度，设计了由at89c2051为核心，采纳 ds18b20温度传感器的温度pr检84.7k测