基于51单片机的无功补偿装置

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1、摘 要众所周知的，在现在的电力网中，因为现在的低压电网里面的大多数电力设施都是感性的负载，由于它的特性，所以普遍存在着功率因素较低，在电网中消耗的线路损耗较大，造成电力能量比较差，所以，在实际中，无功补偿很完美的运用在各行各业。但一些老的的做补偿装置的准确度低，容易对电网产生震荡等等缺点，所以比较难在实际中实现。在电力系统本身来说,如果需要保证电力系统运行的稳定性和它的经济性，那么保证无功补偿的稳定就是一定的，在正常的来说，当运行正常的时候，如果它的无功功率不能被其他的装置维持的话，那么电网中就需要提供大量的无功功率，这就会引起电压的降低或者线损的增加，所以，不管是需要维持电力系统的稳定还是我

2、们想要的低成本，在电网中，我们都要加装一些装置，用来补偿无功功率。 针对这种情况，本课题设计了一种全自动无功补偿装置。主要采用ST89C52单片机进行自动控制。系统对电网电压和电流进行采样、计算，从而获得COS和有功功率。本装置可实现功率因素从很低到，而且能让电容自动投切进电路，并且能显示补偿后的功率因素和补偿前的，和线路电流电压。关键字：无功补偿 ST89C52单片机 功率因素 自动控制AbstractAs we all know,In the industrial production process,Classification and statistical work of diffe

3、rent goods and commodities in the pipeline is a daunting task.Especially in the process of packing shipment of goods.In the era of manual processing.It will cost a lot of manpower. A fully automatic reactive power compensation devices. This device is in the previous inspection manual or electromagne

4、tic reactive power compensation devices based on self-designed by the author, mainly using AT89C51 single-chip microprocessor as the realization of automatic control.System to the power grid voltage and current sampling, computing, to gain COS and active. The device can be realized from the power fa

5、ctor COS = 0.6 compensation to the COS = 0.95, power factor and can ensure that changes in the automatic switching to real-time shows that the current power factor, current and active, and can achieve the manual and automatic control. The system hardware circuit structure is simple, including laser

6、sensor module, shaping circuit module, control unit module, human-computer interaction module, and digital camera interface circuit module. The control unit uses STC89C52 as the core controller. Human-computer interaction module includes a separate keyboard and LCD1602 LCD display circuit. Through t

7、he test of this design fully meet the requirements of the design requirement.Keywords: Reactive power compensation; Power Factor; Automatic control; STC89C52 目 录1. 引言11.1 选题背景11.2 本设计的要求21.3 论文的内容和论文的结构安排32 系统方案总体设计42.1 系统需求分析42.2 无功功率装置原理42.2.1无功补偿的意义42.3 系统方案选择52.3.1基于单片机的功率因数检测方案选择52.3.2无功功率补偿方案选

8、择62.4 系统总体设计72.4.1 系统整体结构组成72.4.2 系统原理73 系统硬件电路设计93.1 功率因数测量电路93.1.1 功率因数测量原理93.1.2 基于单片机的测量原理分析93.1.3 基于单片机的无功功率因数测量电路设计103.2 模数转换电路设计123.3 单片机控制单元设计143.3.1 单片机的介绍143.3.2 中断系统163.3.3 定时器163.3.4 显示部分173.3.5 控制系统电路设计173.3.6 存储电路设计193.4电容投切电路设计193.4.1 电容投切原理193.4.2电容投切电路设计203.5电源电路设计214 系统软件设计234.1 软件

9、开发环境介绍234.1.1 C语言介绍234.2 软件总体设计234.2.1系统主程序设计234.3.2系统中断程序设计254.3.3 电容投切程序设计265 系统建模与仿真结果分析285.1 系统仿真环境介绍285.2 系统建模285.3 系统仿真结果分析30结束语33文参考献34附录37附录1:原理图37附录2：系统仿真图38附录3：程序代码清单391. 引言 本章介绍了本研究课题的背景及意义，阐述了其发展状况。目前市面上传统的无功补偿装置大多数是手动投切，体积大，精度低，不能合理的实现武功补偿，易产生震荡。针对于现有装置的缺点，本文介绍的基于单片机的的无功功率补偿装置克服了以上缺点，具有

10、准确度高，能迅速投切，符合需要的经济的优点。在本章中还详细介绍了本课题的任务要求以及论文结构的安排。1.1 选题背景 随着持续增长的中国国民经济GDP(中国人民生产总值),在这个过程中，我国的电力工业取得了很大的进步，这个进步在平常的生活中是显而易注的。并且电网的无功功率补偿问题也逐渐吸引了广泛的关注,特别是我国的电力行业，这是由于电力技术和各种电力电子装置的快速发展，并且它们在电力系统、生产业、服务业及家庭中的运用越来越普遍，因为这些技术和装置让这些过程越来越简单。但是大多数电力电子装置在运行的时候的功率因数都比较低、他们消耗大部分了的无功功率，并且这些功率在电力系统占了很大的比例。而且消耗

11、无功功率的增加将会使电流和当前的设备及线路损耗也一起增加,从而会失去大量的有功能量。接下来就使功率因数降低,系统的电压下降。无功补偿如果不能进行就地补偿,负荷要消耗的无功功率都靠其他设备远距离的供给，那么就会让发电等一些设施不会完全有效的工作,恶化了电网供电质量,在严重的情况下可能会导致系统电压完全的崩溃,造成了大面积停电的情况。 电力系统的网络元件的阻抗元件主要是电感性的，因为电感性的本身特性，所以，为了提供有效的有功功率，就会需要传输端和电气终端的电压有一个相位差，它可以实现在较宽的范围里面，为了提供无功功率，则需要它们两端的电压有1个幅值差，但是这只可以实现在一个非常窄的范围里面。并且不

12、止大多数的元件需要消耗无功功率，大多数的负载同样也需要消耗无功功率，因此，最大的不合理的地方就是这么多的无功功率如果都让发电设备供给并让它长距离的输送，而且通常这种情况也不大可能。 很多人都知道以前的无功功率补偿装置为并联电容器和同步调相机。而同步调相机的原理可以认为是产生无功功率的同步电动机。在实际的工作中，如果我们需要一些大小不同的感性或者容性的无功功率的时候，我们可以通过这个同步电动机的励磁来调节，这个调节并不难，只要让它工作在欠励磁或者过励磁的状态就可以了。所以同步调相机是个不错的工具，但是同步调相机属于旋转类的设备,它的噪音和损耗在运行中都是比较大的,并且运行和维护复杂,而且反应慢,

13、很难满足要求的快速动态补偿。但并联电容器就简单多了，它的经济性、灵活性、方便性都是不错的,唯一的有点不好的地方是它的阻抗是一定的,不能够按照负载无功功率需求变化,也就是说无法实现动态无功功率补偿。 随着电力电子器件快速的发展，无功补偿控制器在也在某种意义上体现了不同的发展阶段。无功补偿控制器己由基于SCR的静止无功补偿器（Static Var Compensator-SVC）、晶闸管控制串联电容补偿器（Thyristor Controlled Series Compensator-TCSC）发展到基于GTO的静止无功发生器（Static Var Generator-SVG）、静止同步串联补偿器

14、（StaticSynchoronous Series Compensator-SSSC）。 针对以上背景，以及现有产品的一些缺陷，本文提出一种新型简单的技术方案以实现基于51单片机无功功率补偿装置，以51单片机为主控芯片，控制继电器组控制补偿电容的大小，然后通过功率因数检测电路，电压电流检测模数转换电路，液晶显示电路，键盘控制电路，数据储存电路构成的补偿装置，实现电网的功率因数补偿，这种补偿具有简单，灵活，不容易引起电网的震荡。1.2 本设计的要求 本次设计所需要做的工作是：在无功功率补偿装置要求和电网（220,100A）情况下，设计了基于51单片机的无功功率补偿装置。本系统的硬件设计内容包括

15、：功率因数检测电路，电容自动投切电路，模数转换电路，控制电路单元和人机交互单元的设计六个部分。其中控制系统采用STC89C52作为核心控制器。软件系统包括人机交互界面设计以及功率因数检测，电容投切等设计三大部分程序设计。最后，通过系统仿真测试系统的使用性。本设计的详细任务要求是：（1）了解51单片机的特点，使用方法以及相关应用系统开发技术；（2）掌握无功补偿装置的工作原理；（3）设计出基于单片机的无功功率补偿电路，设计出装置的总体方案；（4）该电路能实现对电路的功率因数检测，控制电容组投切功能；（5）该电路能实现对电路的电压电流测量，测量数据存储功能（6）该电路要求有友好的人机交互界面，能方便

16、显示当前电路的电压电流值，以及当前的无功功率因数值，以及需要补偿电容值和实际补偿电容值。（7）完成该电路的系统仿真已验证所设计产品是否满足以上要求1.3 论文的内容和论文的结构安排1）通过任务要求分析，本文主要完成如下几个设计内容：A 设计出基于电压电流互感器的功率因数测量电路；B 设计出信号调理电路以及AD转换电路；C 设计出电容组投切控制电路以及控制电路；D 设计出人机交互电路；E 设计出满足整个任务要求的系统的软件开发；F 设计出基于PROTUSE的控制系统仿真电路。2） 论文结构安排如下：第一部分，介绍本设计的背景，分析无功功率补偿装置电路背景及实用意义，同时阐明本文的机构安排。第二部

17、分，分析基于单片机无功功率补偿的原理，并对所用控制器芯片进行介绍。第三部分，完成整个系统的硬件电路设计。第四部分，完成系统的软件系统设计。第五部分，完成本设计的系统调试，并分析解决调试中遇到的问题。最后，对文章进行了总结与展望2 系统方案总体设计2.1 系统需求分析 根据任务书要求：本文要设计出一套基于单片机的无功功率补偿装置。并完成对系统电路的仿真。该系统的技术指标为：1） 该电路能实现电网电压电流测量；2） 该电路能实现无功功率因数检测，电容组自动投切功能；3） 该电路要求有友好的人机交互界面，能方便显示当前电路的电压电流值，以及当前的无功功率因数值，以及需要补偿电容值和实际补偿电容值。通

18、过建模仿真验证该系统的可靠性和实用性。2.2 无功功率装置原理 电网的输出功率由两部分组成；一个是有功功率,一个是无功功率。在同一个电路里面，电容和电感中的电流矢量的方向是完全相反的，基本是一个向东一个向西。所以在电路中可以使电感和电容的电流相互抵消，使电压和电流的矢量之间的夹角缩小，要实现这些就可以在电路中安装一些电容元件进行投切到电网中。无功补偿的事项方式是，将感性元器件电感和容性元器件电容并联在一起，使他们之间的能量进行互换，可以使他们之间的能量相互补充。2.2.1无功补偿的意义补偿无功功率，可以增加电网中有功功率的比例常数。可以减少设计发电机的运行中需要的最大容量，并且消减制作的成本，

19、当功率因数从低向高增加的时候，如果要节约设计中的设备容量，只要装设容性的器件就可以了，基本上相当与0.52KW的设备容量等于1Kvar的容性器件的容量，相反的，增加了发供电的容量，对原来设备就是增加了0.52KW的设备容量。还可以降低线路损耗，由公式得出前后的功率因数，为补偿前的系统的原有功率因数，而为补偿后的系统功率。则：，所以只要将功率因数提升后，不止能减少容量大小的设计，减少了花费，在同时还能减少它的线路损耗，这样就可以提高电网中发电设备对负荷输送的有功功率比例。还有供电行业的运行效益主要是被线路损耗的大小所影响着。所以，考核运行效益的其中一个重要指标就是功率因素，那么，无功补偿的计划和

20、进行在当前情况下是一定要进行的2.3 系统方案选择基于任务需求，无功功率补偿装置检测中的各种电路有很多方案，下面将分析各方案优缺点。2.3.1基于单片机的功率因数检测方案选择方案一：利用单片机外部中断测量。利用电压电流互感器将电网中的电压电流转换成信号调理电路可以处理的电压电流值，利用比较器构成的过零比较电路将正弦波转换成同相位的电路，将两个方波信号分别接入到单片机的外部中断中，通过测量相位差，来测量该电路的功率因数为。该方案实用性和可靠性强，能够简单的实现功率因数测量，同时便于安装。本方案实现起来硬件简单，软件比较容易实现，并且软件计算比较简单，对于处理器的要求不高，在实际应用中可以选用比较

21、便宜的单片机来处理，可以很大程度上降低成本以及难度，然而精度不是很高。方案二：利用AD0809测量方案。该方案中利用AD0809多通道并行采样的特点，测量采集实时电压电流的信号，采用两点乘积算法对各信号进行计算。具体方法是用电气角度为采样间隔的样本去采集一个周期循环内的两个数据，所以它所要求的数据窗宽度是四分之一个周期。对于50Hz的工频来说就是5ms。在一个周期内所采集的两个数据需要保证在5ms的间隔。这个时间一般由单片机的定时器来实现。按照这个方法来计算电压电流的有效值和电路的有效值和阻抗，则。该方案电路结构简单，可以同时测量电网的电压电流值以及功率因数。但是由于在电路中拥有大量的计算，包

22、括平方运算，开方运算以及复数运算，对于单片机的要求比较高，并且拥有大量的要数据存储，明显提升了电路成本以及软件开发难度。方案三：专业的芯片ADE7763测量方案。利用多功能计量芯片ADE7763来实现功率因数的测量。该芯片将AD转换器和数字信号处理功能集成到单个芯片内，能能够完成有功电能，视在电能等菜蔬的准确测量，依据有功电能和视在电能，就可以有微控制器计算出功率因数。该方案结构简单，测量精度很高。然而，由于使用专业的测量芯片，在电路中与微控制器连接起来比较简单，但是电路成本比较高，并且在控制过程中，对于微控制器要求也比较高，数据量存储要求也比较多，在实际中使用成本较高，软件难度也比较大。综合

23、以上方案对比分析，本设计功率因数测量选用方案一。2.3.2无功功率补偿方案选择在测量功率因数方案确定为基于单片机的中断法测量后，确定利用测量的功率因数来进行无功功率补偿方案如下。方案一：并联电容器进行无功功率补偿方案。静止电容器供给的无功功率与所在借点的电压V的平方成正比。静止电容器的的结构还是比较简单的，因为它就是由几个部件组成的，而装机的体积可以大点也可以根据情况搞小一点，而且又可以一起使用或者分开装来实现就地补偿无功功率。在运行中，如果我们要实现对电网的无功功率补偿，我们可以调节电容器的功率，方法有很多种，常见的是可以将电容器组合成几组，分成不同的大小组，然后可以根据负荷和电路中的变化，

24、按需求分组切除或者投入各组，那样，通过继电器投切电容器就可以实现补偿功率的调节了。我们可以根据这个原理来简单的实现我们这个设计的需求。该方法很有经济性和灵活性，而且它的损耗低，并且安装和维护都很方便，所以，在实际中我们也经常用到。方案二：同步调相机无功补偿方案。该方案下，调相机就相当于一台不带载运行的电动机。在过励磁运行时，它想让系统供给感性无功功率而起无功电源作用，能够提供系统电压；在欠励运行时，它想让系统提供感性无功功率而用来起到无功负荷作用，可降低系统电压。在本次设计中，在欠励运行的时候，系统发出感性的无功功率给它吸收而起到了无功负荷的作用，可降低系统电压。该方案因为在运行中的实际需要还

25、有稳定性的要求，过励磁的最大容量的一半左右才是欠励磁的最大容量。综合以上方案的优缺点，联系本课题研究的对象，基于51单片机的无功补偿装置设计，结合实际情况，选择方案一为无功功率补偿方案。2.4 系统总体设计2.4.1 系统整体结构组成图1 系统框图通过2.2节方案选择，本文已经确定了系统总体的方案设计。如图1所示为系统总体框架结构。整个系统硬件电路系统硬件电路包括功率因数测量电路，信号调理电路，AD数模转换模块，电容投切电路，液晶显示器（lcd1602字符型液晶），数据存储电路6大部分。2.4.2 系统原理系统原理，系统是基于51单片机的无功功率补偿装置设计，在系统中，利用51单片机作为主控制

26、器，利用电压电流互感器将电网上的电压电流变换成在以内的小信号，经过过零比较电路将信号转换成与原信号正弦波同相位的方波，然后分别将这两个方波信号输送给51单片机两个外部中断，分别利用着两个外部中断控制51单片机的定时器/计数器1的启动和停止，利用两个方波的下降沿来测量两个方波的之间的时间差，通过时间差就可以求出相位差，功率因数就是；测量出功率应属后通过利用单片机的内部运算计算出需要补偿的电容值，通过单片机驱动继电器来控制并联电容的投切，从而使电网的功率因数达到0.95以上。另外在系统中，还对系统的电压电流进行了测量，利用幅值检测电路将正弦波信号幅值检测出来，通过利用AD0832分别测量电网电压以

27、及电流值，并且计算出当前电网的有功功率和武功功率。系统还设置了包括以液晶LCD1602和键盘构成的人及交互电路，在人机交互电路中，利用指示灯指示系统功率因数的测量是否在正确的运行，利用液晶1602来显示电网的电压，电流以及功率因数等参数，也可以显示对比补偿前后的功率因数的变化，用于这些测量可以方便的得出补偿前后系统的特性。3 系统硬件电路设计如图1所示中，本设计硬件电路设计包括6大部分电路。3.1 功率因数测量电路3.1.1 功率因数测量原理本设计中采用51单片机的INT0和INT1接收的信号的时间差来测量功率因数，下面介绍功率因数测量的原理。功率因数是交流电路中电压与电流之间的相位差的余弦。

28、在我国，电网的交流信号的频率f和周期T都是知道得，所以功率因数可以根据电压，电流之间相位差对应的时间差t计算求得。其计算公式为： 周期 （1） 相位差 （2） 功率因数 （3）交流电频率为50Hz，则周期为20ms。由于功率因数的大小在零到一之间，因此t会在0到5ms。当大于5ms，假设时间差为，则处理方法为： 可以根据计数值T确定负载特性。当计数值T小于10ms，电压信号超前电流信号，负载呈感性；当计数值T大于10ms，电压信号滞后电流信号，负载呈容性。3.1.2 基于单片机的测量原理分析本设计中利用测量方法如图2所示。在改系统中主要由单片机电路，显示电路，两个过零比较电路构成。图2 系统硬

29、件电路组成框图 在本次设计中，模块采用两个比较器使交流小信号变换成同相位的方波信号，在信号中，利用两个外部中断的中断函数来控制定时器1或者2的的启动或者停止，因为变换来的方波信号和原来的交流小信号具有相同的相位和周期，都是50Hz的信号，通过运用定时器来计算出两个交流信号下降沿的的时间差，就可以计算出两个信号的相位差，通过公式（1）（2）（3）可以换算得到系统的功率因数。在得到系统的功率因素时，使用系统的显示液晶1602可以轻松的讲功率因数显示在相应的系统中。在本设计中外部中断都采用下降沿来开启中断，进入中断后一个外部中断用来开启定时器，另一个用来管段定时器，计算出这个时间差就完成了功率因数的

30、测量。图3 外部中断的时序图3.1.3 基于单片机的无功功率因数测量电路设计在本系统中，采用电流传感器和电压传感器将单相交流信号上的电压信号和电流信号采集出来，经过由运放组成的过零比较器，将电压型号和电流信号分别变换成同频率的方波。过零比较器的工作原理是当信号在0之上的时候，高电平就是它的输出，而当信号的值在0之下的时候，低电平就是它的输出了，这样输入的信号就可以转换成原来频率的方波信号。在电压互感器中，电压互感器测量过程中将电压互感器并联到单相交流电源的两端，由于运放供电的电压不是很高，所以在输入给运放的电压不易过高，由于整个系统需用的是5V电压作为供电电源，所以在本设计中选取电压互感器的次

31、级端串接两个分压电阻R23和R24，大小分别为59k和1k，采样比为1/60,这样将0-220V电压信号U1变换得到0-3.67V的交流电压小信号U2，用变比公式为可以求得上面的变化比。然后经过过零比较器器把交流电压信号变换同相位，同频率的方波信号，并且把这个方波信号提供单片机的外部中端口0使用。如图4所示。图4 电压信号测量相位电路图在电流互感器中，电流互感器测量过程中将电流互感器串联到单相交流电源的负载中在电压互感器的次级端串接两个分压电阻R22和R33，大小分别为9k和1k,采样比为1/10,并且电流互感器的变比K=10，则将电流信号通过次级的电阻转换成电压信号后可以将系统的0-100A

32、的电流信号I1转换成0-5V的电压小信号U2。然后经过LM339组成的过零比较器器将此交流电流信号转换成同相位方波信号，供给单片机的外部中端口1使用。如图5所示。 图5电流号测量相位电路图3.2 模数转换电路设计交流信号的峰值检测电路有很多种，它的作用是将交流信号的峰值通过检测电路将交流信号变换成为一个直流信号，直流信号的电压值为交流信号的峰值。详细的电路设计如图6所示： 图6 峰值检测电路在图6所示电路中所示，此电路原理是通过二极管的单向导通特性，用交流信号不断的给后级电容充电，当交流信号的电压大于电容的电压时，二极管导通，给电容充电，电容的电压不断升高，当交流信号的电压小于电容电压的时候，

33、二极管的截止，电容电压保持在前一刻值，最终使电容电压保持在交流信号的峰值。电容两侧并联100M电阻的作用是，在交流信号峰值变化时，可以使用这个旁路将电容的电放掉，但是这个电阻不能够取的太小，太小电容放电太快，电容两端的电压不稳定，输出的直流电压将是一个三角波；太大，电容放电太慢，当交流信号的峰值变化时，电路反应时间很慢，甚至电容两端电压在相当长的时间内保持在原来的值上，从而不便于信号值的测量。而这一个电路中由于二极管的压降为0.4V，所以利用这个原理使电容两侧电压始终保持为交流信号的峰值减去二极管的压降。模数转换电路如图7所示，为了充分的利用控制器IO端口资源，本社就选用通用串行ADC0832

34、作为本设计的模数转换器，图中的两个ADC分别是测量电压和电流的信号，具体控制信号详见途中的网络标号。如图7所示，CS端口接P30是控制ADC0832的使能的，当为高电平时，ADC0832不工作，当为低电平的时候，ADC0832开始工作；CLK端口接P31为它的时钟，为数据读写提供时钟源；DI端口接P34为它的写输入口，用来通过单片机向它写入一些控制命令；DO端口接P35为输出端口，用来向单片机输出采样的结果，由于本次设计中采用的是STC89C52，它的I/O口既可以读也可以写，所以当端口不够用的时候可以将DI和DO用一个引脚控制。图7 ADC0832采样电路电路 在完成图6的信号处理后，将输出

35、的信号送给ADC0832来采样，通过前级的信号调理电路中信号处理，将输入给ADC0832的信号转换成0-5V的直流电压信号。经过ADC的采样便可以求得电压电流信号的峰值。ADC0832是国家半导体公司生产的一款经典的8位单通道ADC芯片。该芯片采用电压逐次比较的方式将模拟信号量化为数字信号。并通过三条串行总线将量化后的8位数据发送到控制器。如图7所示，ADC0832中使用的电压参考源和电源共用一只脚VCC，在本设计中，使用两个ADC0832分别对电压电流进行采样，采样得到的值是0-255的数值。经过前面分析，电压电流通过互感器得到的变比分别为k1=60,电流信号转换成电压信号的变比k2=100

36、,而通过图6变换的来的电压信号是峰值，这里给定的是有效值U。则由变换公式 可以求得交流信号的有效值U;假设测量得到的电压对应数据位。则由以下公式可以求得电压和电流的值分别为： （4） （5） 上面公式的简述：由ADC0832的硬件设施，我们可以知道它的量程为256，而工作电压是5V，所以可以根据算出U，这个U就是峰值检测电路的输出电压，这个电压加上二极管的压降0.4V，则为电压电流传感器输出电压：U1=U+0.4，则U1乘以变比就为测量信号的峰值，除以就为所测信号的有效值 通过式（4）（5）中的关系，可以在程序编写中通过化简后得到相应的计算，从而简化单片机运行的时间。 使用两片ADC0832分

37、别来对电压信号和电流信号进行采样，可以有效的避免他们之间的相互干扰，可以方便快捷的测得每时每刻电压电流信号。3.3 单片机控制单元设计本设计中的控制系统包括单片机最小系统，和液晶显示电路两部分。单片机采用宏晶公司生产的STC89C52，该芯片是基于51核，冯诺依曼架构的一款8位微处理器。显示电路采用的是成本低廉的LCD1602来代替传统的数码管显示。3.3.1 单片机的介绍 单片机是单片机微型计算机的简称，因为它在控制领域的灵活和便利，所以又叫微控制器。一般来说，一个个的集成电路芯片组成了单片机，里面含有一些基本部件：比如CPU；MEMORY；I/O接口电路等等。所以只要一些合适的硬件设备加上

38、软件，让它们跟单片机组合起来，这样就可以变为一个单片机的控制系统。（1） STC89C52介绍： STC89C52是51系列单片机的典型产品，在它的内部含有CentralProcessingUnit 、RAM、ROM、Timer/counter、并行/串行接口和中断系统的几个组成部件还有控制control、数据imformation、地址add等3大总线。中央处理器(CPU)在整个单片机中的身份是一位“核心成员”,这个处理器的数据宽度是八位的,所以对于8位二进制代码来说，处理起来得心应手，在整个单元系统中，负责调度和管理的元件就是CPU，并且让它们工作在合适的位置,完成了运算和I/O控制和其他

39、的一些操作。在本次设计中我们选的是STC89C52单片机，它是一种微处理器，既可以编程又可以去除的高性能存储器。这种单片机采用了高保密的技术制造，而且不容易丢失程序，罪重要的是它跟原来设计的单片机的输出口等等都是兼容的。所以在本次设计中， 我们选的STC89C52是一个不错的选择，并且这是一种很方便，有很经济的方案。如图8所示是常用的一种单片机，型号为STC89C52。图8 STC89C52管脚分布VCC：是为单片机运行提供电压的， GND：为了安全，所以需要有接地。 P0口：这些口其实是八位的漏级输入/输出口。如果在P1口输入高电平的时候，那么我们可以确定为高电阻输入。当进行程序编译的时候，

40、它可以当做原码的输入，当运行的时候，它就当做原码的输出，这个时候它的外部就需要拉高。P1口：是一个八位的双向输入/输出口，并且可以提供上拉电阻。 P2口：P2口跟P1口差不多。但是当它作为外面存储器的时候，在输出地址1，它就可以用里面的上拉电阻，当作为外面存储器进行工作的时候，它就会输出其存储的内容。 P3口：P3口的基本物理性质跟P1和P2差不多。当它被输入1之后，就可以上拉成高电平信号，而且可以作为输入P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能口。（2）振荡器特性：XTAL1口是反向放大器的的输入口，而另外一个口XTAL2是反向放大器的输出口。在实际中，经过设计，我们就可以把这个放大器作

41、为内置的振荡器。在本次设计中，我们需要用外面的时钟驱动器件，所以，我们对XTAL2口应采取闲置。如果有需要的信号要输送到里面，那么时钟信号就必须要流过一个二分频触发器，所以，对于外面信号的脉冲宽度我们可以不做要求，但是我们一定要确定这个信号的电平的宽度。（3）STC89C52的特点和应用它有如下一些特点：1）、它能跟其他的51系列元件很好的组合；2）、它的flash memory是可以多次编程的；3）、它的工作电压很低，只有2.7-6； 4）、可以在静态的状态下面工作；5）、它的memory有锁定的功能，可以防止篡改；6）、它的输入/输出数据线有15条之多；7）、Timer/Counter都是

42、16位的，并且每样都有2个；8）、为了工作方便，中断源也有6个；9）、它有3个电压比较器，且都是准确度很高的高精度；10）、它还有直接可以让LCD动作的接口。 根据上面的介绍，我们知道，单片机有很多的好处比如体积不大，消耗的能量小，很容易和其他的设备组合起来，所以如果能跟各种传输设备连接，可以对各种需要进行测量的进行测量，比如电压，功率等等。所以，在实际中，如果用单片机代替电子电路控制的话，那样就会智能多了；用单片机可以构成形式多样化的控制系统、数据采集系统。本设计主要应用STC89C52的外部中断和定时器中断等片上自带的外部资源3.3.2 中断系统 一个外部的突发情况进入到处理器中，那么处理

43、器就会中断，这是一个对处理器很重要的一个技术。处理器在正常的运行中的时候，如果外面有个中断的请求道那里面，就能够很迅速的地进行反应，而在反应完成后又可以马上回到断点，继续去完成原来未完成的事。而中断源就是我们对于引起中断或者发出中断的这一类来源的称呼。很明显，中断源可以分为两个大类，就是发生在硬件中的或者软件中，而在硬件中的中断源还可以分成发生在外部的和发生在内部的两种。 在本设计中我们就可以运用到外部中断，因为外部中断是外部设备发出的，比如：Timer发出的中断信号等。并且由外部中断的原理来说，外部中断在我们想让它不发生的时候可以不发生，所以，我们可以运用一种中断管理器来控制中断。3.3.3

44、 定时器 在单片机的定时器里面有两个十六位的Timer/counter，在它们里面有些特殊的寄存器，用来存储数据，它们都是可以被编程的，所以，我们可以通过编程用来控制这些寄存器，这样就可以让单片机工作在我们想要的状态。下面我们对它们的特性进行阐述。51单片机内部的Timer/counter两个结构是相似的，TL0和TH0两个功能相反的寄存器构成了Timer的其中一个对应的寄存器T0，同样的是TL1和TH1这两个功能相反的寄存器就组成了Timer的另外一个寄存器T1。而用来对Timer进行控制，使它工作在我们需要的方式的寄存器是TMOD，而用来控制Timer的两个寄存器T0和T1的动作则是TCO

45、N。所以由上面可以知道，在我们进行程序仿真的时候，为了防止上一次的仿真对本次的仿真造成影响，在一开始时我们就要对Timer里面所有的寄存器进行初始化，这样我们才能确定Timer的运行状态和T1和T0的动作。3.3.4 显示部分在这次设计中， 我们选择LCD1602图9 LCD1602液晶这个液晶显示器是一个用在工业中显示字符的显示器，32个字符是它所能一起显示出来的极限。字符型液晶又是LCD1602的另一个称呼，如图8所示。26个字母、10个数字、还有不同的符号等这些都能被它显示出来。很多个5x1之类的点阵位构成了1602，而每一个要显示的东西都能被这些点阵位显示出来，而且这些位里面无论是横着

46、的位还是竖之间的位都有一定的距离，这样就有了了字符之间的行间距的用处，但是也正因为是这样的，所以显示出来的图形的效果就不是很好了（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。 1602LCD的意义是指它能显示的东西是16x2,也就是说它可以让需要显示的东西变为两行，而在每一行中都有十六个用来显示数据的模块来显示内容。 在当前，我们所知道的的大多数液晶显示器都是根据HD44780来设计的，虽然型号可能不相同，但是大多数的运行原理是相同的，所以这些显示器的控制程序都可以用那控制44780的程序。3.3.5 控制系统电路设计如图10所示为系统控制电路系统电路原理图。又C1,S3，R10组成复位电路，由数据

47、手册知51单片机为高电平复位，单片机上电时，电容C1和R10组成的RC电路中电容缓慢充电，使RST端保持一个几个微秒的高电平，使单片机上电复位，当电容C1充满电后RST脚电平通过下拉电阻将电平拉低为零，单片机开始进入运行状态，复位完成。当单片机在运行的过程中，通过按下按键S3也可以形成一个高电平状态，使单片机手动复位。电路中为了计时方便计算，本设计的晶振选用12MHz无源外部晶振。配合两个起振电容C2,C3。形成晶体谐振电路为单片机提供一个12MHz的稳定的时钟源。为了方便起振，起振电容选用22pF。电压电流的信号通过过零比较电路后，直接送到单片机的INT0和INT1口。这样单片机就能及时的捕

48、捉到传感器信号。LCD液晶接口电路如图10右所示。本设计中液晶主要用于功率因数和电压电流信号的动态显示。由于液晶显示以及程序设计灵活，可以省去数码管显示的繁琐操作。同时液晶显示显得更人性化。加上现在液晶成本低廉，在本设计中是一个很好的选择。图中单片机的P0口作为液晶显示的数据端口。由于51单片机设计者为了满足多电平的兼容性。在这次设计中，P0口作为显示电路的输出口，因为输出口电路的是集电极开路，所以可以当做液晶的数据端口。以保证单片机输出1时，液晶数据口接收到的信号为高电平。由于LED的导通电流为10mA所以需在电路上加上限流电阻，因电源电压为5V，所以在此为保证灯的亮度，选择470的电阻限流

49、，此电路用做显示中断进入成功。图10 控制器最小系统3.3.6 存储电路设计本次电路中使用64位非遗失性铁电随机存储器，它是一种串行非易失性记忆体，它的逻辑结构为8192*8位，接口为工业标准的两线接口，与串行EEPROM的功能操作相似，不同之处在于铁电存储器比EEPROM写的速度快的多，无延时,如图11所示。图11 存储电路图 在本次设计中，采用工业上传统的二线接口，通过I2C协议进行通信，由于本次设计中拥有大量的需要单片机控制的电路，所以使用此种存储器可以有效的解决单片机I/O口不够用的情况。在本次电路中，将单片机的P36和P37分别用来读写FM24C64，可以充分利用单片机资源，先使用I

50、2C协议将此款存储器的读写函数写出来，当有数据需要存储的时候，调用写命令，将数据写入到指定的存储单元，当要读存储器的数值的时候，调用读命令将对应存储单元的数值赋给一个变量即可，另外在本设计中使用此款存储电路用来存储前一次的功率因数，并且在数据显示的过程中，将存储的功率因数显示到屏幕中去。3.4电容投切电路设计 在本次设计中，核心部分就是无功补偿的电容器投切电路的设计，并且核心控制程序也是关于无功补偿的程序设计。3.4.1 电容投切原理根据设计的要求每次投切都需保证功率因素cos能从0.65达到0.95左右，所以此装置设计了几乎每种可能的需要无功补偿的情况。把功率因素从0.6到0.95的所有情况

51、都整理出来，计算出电容值，用来确定电容容量的具体的分配。通过计算功率因数，把计算出来的数字和我们原来设定好的数字比较下，根据比较的结果，送到单片机里面，让单片机自己运行需要几组电容器。为了防止其他器件的干扰和电路里面可能出现的电流电压的震荡，所以我们用来投切器件用SSR-50DA固态继电器。而SSR-50DA固态继电器为双向可控硅输出，零电压开启，零电流关断；输入回路与输出回路之间有光电隔离很好的保证了抗干扰性。SSR-50DA的控制电压大概是3到32伏特的直流电压,因此，要让它正常的运行，那么需要在输入端加上1个TTL信号。而且为了实现这次设计，在单片机的输出投切信号的端口要跟1个三极管相连

52、，所以三极管和继电器可以进行同时的导通和断开。负载电压能达到24-380VAC，完全满足设计的要求。本次设计中就选用SSR-50DA固态继电器作为电容投切的继电器，通过使用单片机输出电平信号来控制继电器的通断。单元电路原理图如图12所示。图12 SSR固态继电器及驱动电路图3.4.2电容投切电路设计在本次设计中，使用的是PNP型的三极管来驱动继电器。在电路中一共使用了八组继电器，每个继电器控制一个电容的投切，分别用单片机的P2口控制，电容的值呈现二进制编排，选择相应的驱动电阻R12可以控制驱动电流的大小，设置100完全可以使继电器工作。图13 无功补偿电容投切电路及其控制电路电路图 如图13所

53、示：无功补偿电容投切电路由继电器，三极管以及电容构成，其工作原理如下，通过单片机的P2.0口来控制PNP三极管的导通与截止，由三极管来驱动继电器的通断，从而控制电容是否投切到网络标号为HH的线路中，当单片机P2.0输入高电平时，三极管截止，继电器断开，电容不投切，当单片机P2.0输入低电平时，三极管导通，继电器闭合，电容投切到电路中。在本次设计中选取8路此种电容投切电路并联，由于电容并联是相当于容值相加，所以选取不同容值到投切到电路中，可以组成一系列的电容值，可以方便的程序的控制。3.5电源电路设计本设计中系统供电电源为5V，由于运放和外部存储单元以及ADC电路都属对电源的纹波要求较高，所以系

54、统供电采用线性电源。系统电源电路如图14所示。所接电源为220V交流市电。通过工频变压器将电压降压到9V后，整流滤波为直流电，然后再经过5V的三端稳压器将电压稳定为5V的直流电压输出为信号调理电路，单片机电路等整个系统供电。图14 系统电源电路 如图14所示，电路图的原理如下，220V交流电经过线性变压器T1变压后转换成一个峰值比较小的交流信号，通过整流桥后，交流小信号变换成一个脉动的直流信号，经过后级的电容C14和C11的滤波，信号变换成一个脉动很小的直流信号，通过5V的稳压器构成的稳压电路后，输出5V的直流电压，后级接两个电容用于稳压以及减少输出电压的的脉动。建立起这个一个系统供电电源后，

55、便可以向存储单元，单片机以及液晶，还有ADC和运放供电，使他们正常的工作。 在本设计中，设计的目标是对于220V交流电的无功补偿设计，由于系统要计算电容的补偿量，需要对系统的各种阻抗分析，所以这个辅助电源最好不能接到电网中，接到电网中将给电网带来很大的不确定因素，导致不能定量的分析，但是当系统补偿设计完成后，可以将这个辅助电源上挂到系统中。第 40 页 共 65 页4 系统软件设计4.1 软件开发环境介绍本设计中选用德国KEIL公司推出的uVision4集成开发环境作为主机程序设计的编译器。在这个软件中，我们可以用C语言编写程序，生成HEX文件用在其他的仿真软件中进行仿真。4.1.1 C语言介

56、绍C语言在发展初就是为了方便人们使用的，所以，在开始就让它结构化。其次，它丰富的运算和数据类型，便于实现各类复杂的数据解耦。不仅可用于系统软件的开发，同时也适用于应用软件的开发。另外，C语言还有效率高的，可移植性强等特点。例如，原来使用的汇编语言编写的程序，由于别人编写的程序不易被读懂，在一段时间后再去做升级和维护就会感觉非常的不方便。但在使用和维护C语言编写的程序时，就不会遇到这样的困扰，这时候C语言的优势就大大的体现出来了。4.2 软件总体设计 本设计的软件设计主要分为主程序设计和中断程序设计两大部分。其中主程序主要完成电容的投切，数据的存储以及显示，中断程序为两个外部中断，分别用于ADC

57、0832测量系统的电压以及电流，最主要的是测量电压信号和电流信号的相位差。本节将分别对系统主程序设计和中断程序设计作详细的设计说明。同时对于电容投切理论以及程序设计进行介绍。4.2.1系统主程序设计本设计中主程序流程图如图13所示。系统开机后首先进行初始化,包括定时器,中断,ADC，存储器以及液晶显示器的初始化。通过初始化，将系统的一切外设配置好。将定时器的定时值配置好，初始化完成后，开启中断。此时ADC开始实时电压电流的数据，并将电压电流数据显示到液晶显示器上。同时实时检测系统的功率因数，并且将系统的功率因数校正到0.95以上。具体如图15所示。图15系统主程序流程图用户设置完成后，开启中断

58、，实时测量系统的功率因数角以及电压电流的信号，当功率因数不满足要求的时候，开启系统电容投切程序，将系统的功率因数补偿到0.95以上，当满足要求后，将补偿前的功率因数角存入到存储器中，并且实时显示当前的电压值电流值以及功率因数角。4.3.2系统中断程序设计本系统中的中断程序是一个非常重要的程序，程序功能包括功能因数测量和电流电压的采集，这个程序相当于整个系统的眼睛的作用。该中断程序包括两个外部中断，以及定时器1工作在定时模式，用于计量功率因数角度。两个外部中断分别工作在下降沿模式，用两个外部中断程序来控制定时器1的启停，这样根据图3所示原理，就可以很方便的测量出系统的功率因数角度。中断程序流程图

59、如图16所示。图16 外部中断流程图为了方便运算，本设计中定时器工作于方式1，采用16位定时的方式。计数最大值为65535。定时器初值计算方法为：由于选用的16位定时法。当通过外部中断控制定时器开启时，定时器开始定时计数，一直等到另外一个中断来停止计数器，在这个时间段内，定时向上累加的值便是两个下降沿的时间差，由于系统的时钟是没1us计数一次，便可以方便的计算出系统的两个信号对应的相位差。每次使用定时器后需要使定时器清零，如下：TH1 = 0TL1 = 0使用外部中断可以方便控制定时器1的使能TR1的值，从而方便的控制定时器是否开始计数，是否清零，使用这种办法测量两个方波信号的相位差，具有很明

60、显的优势，并且系统占用的自然较少，且精度较高。 在实际的测量电力系统的功率因数的时候，这也是一种最为简单最为方便的方法，特别是对于在系统中对于控制器成本要求比较高的环境中，这也可以很大程度上节约成本。4.3.3 电容投切程序设计电容控制透气程序是本次程序设计中的核心程序，其中包括电容的智能增减，电容投切多少的问题。在计算投切的过程中需要理论依据，为补偿前的功率因数，是补偿后的功率因素，P是系统的功率，则计算需要补偿的电容可以用式1和式2计算得到公式3. （1） （2） （3）通过用公式3就可以通过测量出需要补偿的电容值，在实际的计算中将电容的值分别设计为25uF, 50uF, 100uF, 2

61、00uF, 400uF, 800uF, 1600F, 3200uF八组电容值，计算出电容C后，用得到的电容C除以25uF就可得到一个数值N,将这个N直接赋给控制端P2便可以得到相应的电容值。在程序设计中，通过两个定时器中断测得的这两个等效方波的时间差可以通过读取定时器的TH1和TL0来实现，计算公式如下： (4)当计算出两个方波的时间差以后，因为单片机的定时周期是1，而工频电压电流信号的周期为,所以可以通过以下算式算出相位差： (5)例如：当电感取用5mH的时候，此时可以通过仿真然间求得补偿前的功率因数为0.65，补偿完成后的功率因数为：0.95而此系统的电流为100A，电压为220V，则系统需要补偿的电容为： 而在仿真中，我们选择1200uF进行投切，防止一些误差。所以 ，在仿真中我们需要补偿的电容如下表 表1 需求补偿电容值5 系统建模与仿真结果分析通过