基于单片机的无功补偿装置_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的无功补偿装置_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

补偿前后系统的特性。 第 9 页 共 65 页 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。 功率因数测量电路 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。 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 fT 1 （ 1） 相位差  2Tt （ 2） 功率因数 cos （ 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 1T 大于 5ms，假设时间差为 t ，则处理方法为： 1Tt  msTms 50 1  110 Tmst   msTms 105 1  ms101Tt  msTms 1510 1  120 Tmst   msTms 2020 1  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。 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 第 10 页 共 65 页 过零比较电路构成。 图 2 系统硬件电路组成框图 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 率因数的测量。 图 3 外部中断的时序图 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。 第 11 页 共 65 页 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 0220V电压信号 U1变换得到 的交流电压小信号 U2，用变比公式为 60/ 21 UU 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。 T12Trans814321U4BALM339D100pFC24GNDVCC100pFC359KR231KR24GNDIP32100R26UGND 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 0100A 的电流信号 I1转换成 05V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。 第 12 页 共 65 页 T11Trans814321U4ALM339D100pFC22GNDVCC100pFC3359KR221KR33GNDIP33100R27IGND 图 5电流号测量相位电路图 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： D10C11GND100MR28U1 CH0D11C12GND100MR29I1 CH1 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，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 ，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 I\O 端口资源，本社就选用通用串 第 13 页 共 65 页 行 ADC0832 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。 CS1CH02CH13GND4VCC8CLK7DI6DO5*adc0832VCCGNDP13CH1 P14P15P16CS1CH02CH13GND4VCC8CLK7DI6DO5*1adc0832VCCGNDP30CH0 P31P34P35 图 7 ADC0832 采样电路电路 在完成图 6 的信号处理后，将输出的信号送给 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 05V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 0255 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,而通过图 6变换的来的电压信号是峰值 mU ，这里给定的是有效值 U。 则由变换公式 UU 3m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 Aun,n。 则由以下公式可以求得电压和电流的值分别为： 3/*)*256n(1kU u  （ 4） 3/*)*2 56n(2kI I  （ 5） 第 14 页 共 65 页 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 5/256/ Un  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 ，则为电压电流传感器输出电压： U1=U+，则 U1 乘以变比就为测量信号的峰值， 除以 3 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。 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。 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 第 15 页 共 65 页 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，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。