可控硅动态无功功率补偿装置

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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2009年4月9日按照山东科技大学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（委托）合同，山东科技大学项目组负责该项目装置中控制器部分的设计，并配合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，在技术问题上及时与益和电气联系，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况总结分析如下：第一章 控制策略与控制算法设计1.1控制器的控制策略本设计的无功补偿控制器分为手动模式和自动模式。在手动模式下直接按照手动的设置投切即

2、可，在自动模式下控制器根据控制策略和控制算法自动运行。本无功补偿控制器控制策略采用以电网电压、无功功率作为控制量的复合控制策略，控制算法采用的是传统的比较判断算法，实行三相共补与分补相结合的补偿方式。在以往的控制器设计中，多采用单纯的功率因数做为判据，在并联电容器投切的过程中容易产生投切振荡，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，综合分析控制电容器组的投切，本控制器控制电容器组分为两方面内容：1、什么情况下对电容器组进行投切控制器首先检测电网中的无功功率，判断是进行三相共补还是各相分补，然后计算当前状态下按照刚才的判断进行控制后对电网电压造成的影响，如果超过了所

3、设定的电压门限，并且投切间隔时间未到，则不发出控制信号，否则，发出控制信号。控制策略分区如图1.1所示，对应控制策略如表1.1所示。能共不分220+_10%+18V过压回差。投门限1.2Qc，切0.1Qc。QUU上极限 U上限 U下限 12345689710Q上限 Q下限 图1.1 控制策略分区图表1.1 分区控制策略表区号描述控制器执行的动作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，无功在范围内报警4区电压越上限，无功越上限（系统无功少）报警5区电压在范围内，无功越下限逐个切除补偿电

4、容器6区电压在范围内，无功在范围内无动作7区电压在范围内，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，无功在范围内报警10区电压越下限，无功越上限报警2、怎样对电容器组进行投切此次设计的无功补偿控制器主要是适用于等容量的补偿控制器，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采取“同相不同补、异相可同补、能共补不分补、循环使用”的原则，即对于同一相进行补偿时一次控制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，分相补偿时三相可进行同时补偿，但是每次动作每相最多只能控制一组电容器投切，除了当根据检

5、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况发生，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，电容器的投切采用的是先投入先切除、先切除先投入的循环使用方法，循环的分配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计算在无功补偿控制器使用的过程中，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

6、压的变动，必须依据检测的电压算出投入一组电容器组实际补偿的容量，本无功补偿控制器的设计适合应用于共补时采用三角形接线方式，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 （1.1） （1.2） （1.3） （1.4）其中，、分补时各相投入一组电容器组实际补偿的容量；、测量的三相相电压的有效值； 、共补电容器组的额定容量、额定电压；、分补电容器组的额定容量、额定电压； 共补时投入一组电容器组实际补偿的容量。 1.3 控制策略软件设计 根据前面的介绍，在主程序中设计的自动模式下控制策略的软件流程示意图如下所示：图1.2 控制策略程序流程图第二章 控制器

7、整体结构设计TSC型无功补偿控制器硬件主体部分一般包括检测、控制、执行以及电源四部分。本控制器中检测部分采用三片CS5463对三相电参数进行测量，并将其计算测量的结果存储到自身的数据寄存器中；控制单元采用单片机C8051F020通过对CS5463计算测量结果的读取，再根据设计控制策略，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型可控硅控制器）和可控硅构成，实现合适时刻对电容器的投入或切除。控制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分外，还包括了完成其它辅助功能的硬件模块，主要包括人机界面、数据存储、实时时钟、串行通信、报警和指示等模块电路。图

8、2.1 控制器硬件结构图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）。图2.2 电压信号转换预处理电路图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，首先经过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范围内的电流信号，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电压量程范围内的电压信号，因为芯片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单的滤波处理，然后把预

9、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，首先经过变比为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量程范围内的电压信号，经过简单滤波后接入到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，采用了三片CS5463分别完成三相电参数的测量，其中一片通过4.096MHz的晶振提供时钟信号，后两片的时钟信号由第一片的CPUCLK管脚提供，这样可以使三片测量芯

10、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-数转换器（ADC）、功率计算功能、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2.4 CS5463的引脚封装图l 电能数据线性度：在1000 ：1 动态范围内线性度为 0.1% l 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 l 两种无功计算方式 l 符合IEC， ANSI,，JIS

11、工业标准 l 功耗12mW l 优化的分流器接口 l 单电源地参考信号 l 片内2.5V 参考电压（最大温漂25ppm/） l 内带电源监视器 l 简单的三线数字串行接口 l 可以从串行EEPROM 智能“自引导”，不需要微控制器 l 电源配置 VA+ = +5 V; AGND = 0 V；VD+ = +3.3V+5 VCS5463电压通道的量程为mV，有Voltage Gain寄存器，允许一个附加可编程4倍放大器，电流通道的量程可以设置为mV或者mV，也有Current Gain寄存器，允许一个附加可编程4倍放大器，芯片的采样周期和计算周期都可以根据需要灵活设置，其本身又带有强大的数字滤波器

12、，对数据进行低通滤波，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。 两个通道都提供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、视在功率计算之前除去电流/电压信号中的直流成分。 任意一个通道中的HPF如果不用，则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、应用方便的专用电能测量芯片。2.2 单片机C8051F020应用电路模块C8051F020 单片机是完全集

13、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： l 高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS） l 全速、非侵入式的在系统调试接口(片内） l 真正12位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关 l 真正 8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关 l 两个12位DAC，具有可编程数据更新方式 l 64k字节可在系统编程的FLASH存储器 l 4352（4096+256）字节的片内RAM l 可寻址 64k字节地址空间的外部数据存储器接口 l 硬件实现的SPI、SMBus/ I2C和两个UART串行接口 l

14、 5个通用的16位定时器 l 具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列 l 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。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051 固件。片内JTAG 调试电路允许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。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG 调试时，所有的模拟和数

15、字外设都可全功能运行。每个MCU 都可在工业温度范围（-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 微控制器内核。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 的所有外设部件，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 字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及8/4个字节宽的I/O 端口。与MCS-51相比，C8

16、051F020 系列器件使用的CIP-51 微控制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 提供22个中断源（标准8051 只有7个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。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非常有用的。MCU 可有多达7个复位源：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 提供的电压检测器、

17、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。如果需要，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 或外部时钟源产生系统时钟。时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的，它允许MCU 从一个低频率（节电）外部晶体源运行，

18、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 控制执行电路模块单片机读取CS5463检测计算出的数据，按照设计的控制策略发出控制信号，触发控制电路执行动作。可见，控制执行电路在控制器的设计中占有非常重要的位置，不但要满足电容器过零投切的要求，还要能够有较强的可靠性。本次设计的控制器控制执行电路模块主要有光电隔离电路和可控硅控制器模块构成。由于单片机输出的触发信号是0V或者5V的逻辑信号，抗干扰能力比较差，为了减少因系统干扰而产生的误动作，在控制端提高了控制电压，使用15V的电压来触发可控硅控制器，这样在单片机的触发信号和可控硅控制模块

19、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。由于单片机控制端口都有上拉电阻，复位状态下输出高电平，所以采用单片机输出低电平时实现投入电容器组，电路工作时，当单片机控制端口输出低电平信号时，可控硅控制器端口输出+13V左右的电平触发可控硅控制器使相应的可控硅导通，完成投入一组电容器的动作；当单片机控制端口输出高电平信号时，可控硅控制器端口输出0V电平触发可控硅控制器使相应的可控硅断开，完成投入一组电容器的切除。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型三相交

20、流无触点开关可控硅控制器，自身可提供15V控制电源，其特点有：高可靠的可控硅电压过零触发，三相独立控制，直流控制电压输入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，接线简单，互换性好；工作可靠，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、2端子是模块的供电电源，8端子是控制电源输出端，9、10、11分别是各相的控制信号输入端口，三相共补时接到同一个控制信号端，各相分补时分别接到各自的控制信号端。图2.8 可控硅控制器电路原理图（A相）图2.9 可控硅控制器接线端子排列图通过一段时间

21、的使用我们发现，虽然CF6G-3型三相交流无触点开关可控硅控制器能够满足可控硅触发脉冲的要求，但是其体积大、价格高、在控制柜中的安装不方便。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。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，不仅能够方便系统的使用，而且还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控制器的运行状况，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

22、显示电路兼顾到控制器尺寸、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用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仪表、家用电器上的显示器件。OCMJ4X8B的接口协议为请求/应答（REQ/BUSY）握手方式。应答BUSY高电平（BUSY =1）表示OCMJ忙于内

23、部处理，不能接收用户命令；BUSY低电平BUSY =0）表示OCMJ空闲，等待接收用户命令。发送命令到OCMJ可在BUSY =0后的任意时刻开始，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）通知OCMJ请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高电平信号后立即读取数据线上的命令或数据，同时将应答线BUSY变为高电平，表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？），如果BUSY =0，表明模块对用

24、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，模块在接收到最后一个字节后才开始执行整个命令的内部操作，因此，最后一个字节的应答BUSY 高电平（BUSY =1）持续时间较长。由于本控制器要显示的内容比较多，在应用的过程中，采取自动换屏显示的办法，正常工作时，软件控制各屏自动滚动。当检测电网中电压出现越上极限、上限等情况时，会自动显示出提示或警告信息。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（LE

25、D+5V）11DB6I数据63VSSI地12DB7I数据74VDDI+5V13BUSYO应答信号=1：已收到数据并在处理中；=0：模块空闲，可接收数据5DB0I数据014REQI请求信号，高电平有效6DB1I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9DB4I数据418RT2LCD灰度调整，外接电阻端2、键盘电路键盘是用来设定控制参数的基本手段以及控制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的功能是实现控制器系统的硬件复位，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

26、体电路如图2.12所示，功能分配如下：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K7：参数设置；按键K8：确定键。图2.12 74HC165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单，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 时钟电路与外部存储器电路模块实时时钟和数据存储功能对于一个系统非常重要，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

27、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，在控制器断电时用可充电电池保持时钟，选用FM24C16A实现数据存储的功能，两者都有I2C通信总线，方便实现与单片机C8051F020的通信，它们的应用电路如图2.15所示。图2.15 实时时钟和数据存储器电路图I2C（IIC）总线是Philip公司推出的芯片间串行传输总线，C8051F的SMBus完全与其兼容（SMBus原理框图如图2.16所示）。SMBus总线采用了器件地址硬件设置的方法。它通过软件寻址，完全避免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单灵活。SMBus总线传

28、输中的所有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管理。在设计时只要在程序中装入这些标准处理模块，并根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。系统控制器对总线的读写操作都是以字节为单位的，由SMBus接口自动控制数据的串行传输。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，可以采用延长低电平时间的方法协调同一总线上不同速度的器件。图2.16SMBus原理框图系统控制器对总线的读写操作都是以字节为单位的，由SMBus接

29、口自动控制数据的串行传输。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，可以采用延长低电平时间的方法协调同一总线上不同速度的器件。图2.17给出了本设计中SMBus配置。总线上所有器件的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，必须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都必须是漏极开路或集电极开路的，因此当总线空闲时，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

30、限制，上升和下降时间分别不能超过300ns和1000ns。图2.17 SMBus总线电气连接图ISL1208 是低功耗实时时钟，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。振荡器采用外部、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，并且还带有日历寄存器用于存储日、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

31、器件通过IRQ引脚提供一次硬件中断。报警有一种重复模式，允许产生每分钟、每小时、每天一次等的周期性中断。图2.18 ISL1208原理框图该器件还有一个后备电源输入脚VBAT，该脚允许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器件的工作电压范围为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RAMTRON INTERNATIONAL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，其核心技术是采用铁电晶体材料。该器件拥有随即存取记忆体和非易失性存贮产品的特性。F

32、M24C16为16kbit的铁电存贮器，它和AT24C16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正逐渐被推广应用和认可。随着电子仪表功能的扩展，保存的数据量越来越大，而大容量的EEPROM性能指标不是很高，尤其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)在没有电源的情况下都不能保存数据，但具

33、有高性能、易使用等优点。非易失性记忆体如EPROM、EEPROM和FLASH等，它们在断电后仍能保存数据。但由于所有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则必须等待几毫秒(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的读写能量高出FM2

34、4C16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，采用SOIC和DIP两种封装形式。各引脚的功能说明如下:A0A2:设备地址选择口(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，可通过单片机提供读写时序;WP :写保护输入，当WP为高时，写禁止，为低时，写允许;VDD:5V电源端。2.6 系统电源模块系统电源设计对于一个系统的稳定运行至关重要，在无功补偿装置的应用中，一般只有220V或者380V强电电压，在本控制

35、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控制器可用的弱电电压。在这一过程中，我们首先选用了开关电源将220V的相电压转换成+5V电压，然后采用芯片AMS1117转换成+3.3V电压，外加一些辅助的滤波等电路就完成了控制器电源的设计，具体电路原理如图2.19所示。图2.19 电源模块电路原理图2.7 串口通信模块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，本系统采用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

36、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，这就允许UART0 在软件尚未读取前一个数据字节的情况下开始接收第二个输入数据字节。一个接收覆盖位用于指示新的接收数据已被锁存到接收缓冲器而前一个接收数据尚未被读取。对UART0 的控制和访问是通过相关的特殊功能寄存器即串行控制寄存器（SCON0）和串行数据缓冲器（SBUF0）来实现的。一个SBUF0 地址可以访问发送寄存器和接收寄存器。读操作将自动访问接收寄存器，而写操作自动访问发送寄存器。UART0 可以工作在查询或中断方式。UART0

37、 有两个中断源：一个发送中断标志TI0（SCON0.1）（数据字节发送结束时置位）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，中断标志必须用软件清除。这就允许软件查询UART0 中断的原因（发送完成或接收完成）。UART0 提供四种工作方式（一种同步方式和三种异步方式），通过设置SCON0 寄存器中的配置位选择。这四种方式提供不同的波特率和通信协议。在本设计中采用了方式1。图2.20 UATR0串行通信接口方式1 提供标准的异步、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

38、）和一个停止位。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始数据发送。在发送结束时（停止位开始）发送中断标志TI0（SCON0.1）置位。在接收允许位REN0（SCON0.4）被设置为逻辑1 之后任何时间都可以开始数据接收。收到停止位后如果满足下述条件则数据字节将被装入接收寄存器SBUF0：RI0 为逻辑0，并且如果SM20 为逻辑1 则停止位必须为1。如果这些条件满足，则8 位数据被存入SBUF0，停止位被存入RB80，RI0 标志被置位。如果这些条件不满足，则不

39、装入SBU0F 和RB80，RI0 标志也不被置1。如果中断被允许，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（注意，TX 和RX 时钟可以分别选择）。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）为设置为逻辑1 来选择定时器2为TX 和/或RX 的波特率时钟源。当TCLK0或RCLK0 中的

40、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。如果TCLK0 和/或RCLK0 为逻辑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 时钟选择位（CKCON.4），TH1是定时器1 的8 位重装载寄存器，SMOD0 是UART0 的波特率加倍控制位（位于寄存器PCON中），RCAP2H:RCAP2L是定时器2的重装载寄存器。 （1） （2）C8051F020与系统机通讯。其连接示意图如2.21所示。图2.21 C8051F020与系统机通讯连接示意图具体电路原理如图2.

41、22所示。图2.22 RS232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,所以采用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0.1F电容。MAX3232的引脚T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT为接TTL/CMOS电平的引脚。引脚T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN为接RS-232C电平的引

42、脚。因此TTL/CMOS电平的T1IN、T2IN引脚应接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电平的T1OUT、T2OUT应接PC机的接收端RD； R1IN、R2IN应接PC机的发送端TD。2.8 温度检测控制模块为了检测控制柜内温度、可控硅模块温度及电容器温度，设计了由AT89C2051为核心，采用DS18B20温度传感器的温度检测控制模块。其原理图如图2.23所示。图2.23 温度检测控制模块电路原理图AT89C205l是一带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器(EEPROM)的低压，高性能8位C

43、MOS微型计算机。如图2.24所示。它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS51指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的CPU和闪速存储器，ATMEL的 AT89C2051是一强劲的微型计算机，它对许多嵌入式控制应用提供一高度灵活和成本低的解决办法。AT89C205l提供以下标准功能：2K字节闪速存储器，128字节RAM，15根IO引线，两个16位定时器计数器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一精密模拟比较器以及片内振荡器和时钟电路。此外，AT89C2051是用可降到0频率的静态逻辑操作设计的并支持两种可选的软件节电工作方式。空闲方式停止CPU工作但允许RA

44、M，定时器计数器，串行口和中断系统继续工作。掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止所有其它部件的工作直到下一个硬件复位。图2.24 AT89C205l内部结构框图DS18B20是DALLAS 半导体公司生产的“一线总线”数字化温度传感器，测量温度范围为 -55C+125C，在-10+85C范围内,精度为0.5C。现场温度直接以一线总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。1.DS18B20的新性能 (1)可用数据线供电，电压范围：3.05.5V； (2)测温范围：-55+125，在-10+85时精度为0.5； (3)可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0

45、.125和0.0625； (4)12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字； (5)负压特性：电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 2. DS18B20的外形和内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图2.25所示。 图2.25 DS18B20的管脚排列引脚定义： (1)DQ为数字信号输入/输出端； (2)GND为电源地； (3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 内部结构 图2.26DS18B20内部结构图DS18B20有4个主要的数

46、据部件： （1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 （2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。 表2.2 DS18B20温度值格式表 这是12位转

47、化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。 例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为FC90H。 表2.3 DS18B20温度数据表（3）DS18B20温度传感器的存储器 DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低

48、温度触发器TH、TL和结构寄存器。 （4）配置寄存器 该字节各位的意义如表2.4所示：表2.4 配置寄存器结构TMR1R011111低五位一直都是1 ，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）分辨率设置如表2.5所示： 表2.5 温度值分辨率设置表R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms3. 高速暂存存储器 高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表2.6所示。当温度

49、转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如表1所示。对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值,第九个字节是冗余检验字节。 表2.6 DS18B20暂存寄存器分布寄存器内容字节地址温度值低位0温度值高位1高温限值TH2低温限值TL3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC检验8根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条R

50、OM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。 表2.7 ROM指令表指 令约定代码功 能读ROM33H读DS1820ROM中的编码（即64位地址）符合ROM55H发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS1820使之作出响应，为下一步对该DS1820的读写作准备。搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上DS1820的个数和识别64位ROM地址。为操作各器件作好准备。跳过ROM

51、0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS1820发温度变换命令。适用于单片工作。告警搜索命令0ECH执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。表2.8 RAM指令表指 令约定代码功 能温度变换44H启动DS1820进行温度转换，转换时最长为500ms（典型为200ms）。结果存入内部9字节RAM中。读暂存器0BEH内部RAM中9字节的内容写暂存器4EH发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。复制暂存器48H将RAM中第3、4字节的内容复制到EEPROM中。重调EEPROM0B8H将EEPROM中内容恢复到RAM中的第3、4字节。读供电方

52、式0B4H读DS1820的供电模式。寄生供电时DS1820发送“0”，外接电源供电DS1820发送“1”。- 47 - 第三章 控制器的软件研发与设计3.1 控制器软件整体结构设计本系统要求首先是通过电能测量芯片CS5463对电网交流电路的六路信号、进行采样与计算，把计算好的各电网相关数据存储到相应寄存器，通过单片机C8051F020读取相关数据再经过简单的运算得出电网参数的实际数据，然后按照设计好的控制策略发出控制信号，控制可控硅的导通或关断，从而实现电容器组的投切以完成无功补偿的任务。控制器软件部分主要包括CS5463应用软件模块、人机交互软件模块、实时时钟与数据存储软件模块、控制算法软件

53、模块等。主程序软件执行的流程示意图如图3.1所示。图3.1 主程序流程图3.2 初始化程序模块控制器上电后，首先执行初始化程序。主要完成C8051F020的系统配置、交叉开关配置、定时器初始化、中断系统初始化、液晶显示初始化等。其主要的程序清单如下：/-/ SYSCLK配置/-/ 配置系统时钟使用外部晶振void SYSCLK_Init (void) int i; / delay counter OSCXCN = 0x67; / start external oscillator for (i=0; i 1ms) while (!(OSCXCN & 0x80) ; / Wait for cry

54、stal osc. to settle OSCICN = 0x08; / select external oscillator as SYSCLK / source and enable missing clock /-/ PORT配置/-void PORT_Init (void) XBR0 = 0x07; / Enable UART0,SPI,SMBUS XBR1 = 0x14; XBR2 = 0x44; / Enable crossbar and weak pull-ups P0MDOUT |= 0x01; / enable TX0 as a push-pull output P1MDIN

55、 |= 0x20; P1MDOUT = 0x01; / P1.0口设为推挽方式 P2MDOUT = 0x0; / P2口设为漏极开路方式 P3MDOUT = 0x00; / P3口设为漏极开路方式 P74OUT = 0x00;/P4口设为漏极开路方式 lcd_busy=1;/该引脚被配置为输入方式 DAT_165=1;/该引脚被配置为输入方式/-/ UART0配置/-/ Configure the UART0 using Timer1, for and 8-N-1.void UART0_Init (void) SCON0 = 0x50; / SCON0: mode 1, 8-bit UART,

56、 enable RX TMOD = 0x20; / TMOD: timer 1, mode 2, 8-bit reload CKCON |= 0x10; / Timer1 uses SYSCLK as time base TH1 = 0xdc; TR1 = 1; / start Timer1 TI0 = 1; / Indicate TX0 ready/-/ SPI0 配置/-void SPI0_Init (void) SPI0CFG = 0x07; / data sampled on 1st SCK rising edge / 8-bit data words SPI0CKR = SYSCLK/2/3000001; / SPI clock = 8MHz (limited by SPI0CN = 0x03; / Master mode; SPI enabled; flags /-/ T0 配置及中断/-void Timer0_Init (void) CKCON&=0xf7; /选择系统时钟的12分频；