集中式無功功率補償器的硬件電路設計【畢業(yè)設計】

1、<p><b>　?。?0_ _屆）</b></p><p><b>　　本科畢業(yè)設計</b></p><p>　　集中式無功功率補償器的硬件電路設計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 測控技術(shù)

2、與儀器 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b><

3、/p><p>　　本課題以無功補償原理為基礎，設計了一種集中式無功功率補償器。該裝置以電網(wǎng)所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)為依據(jù)，以城鎮(zhèn)低壓網(wǎng)220V電壓的無功補償為對象，對相應裝置的感、容性進行判斷，通過投切以完成無功功率的補償。本文主要研究了無功補償對電網(wǎng)性能的改善，以及控制器的硬件的配置。</p><p>　　系統(tǒng)采用的是89C52單片機，89C52是INTEL公司MCS-51系列單片機中比較基本的產(chǎn)品，

4、采用了INTEL公司可靠的CHMOS工藝技術(shù)制造的高性能8位單片機，是屬于標準的MCS-51的HCMOS產(chǎn)品。此軟件使用C語言進行編譯。A/D轉(zhuǎn)換采用了MAX197，MAX197是Maxim公司推出的具有12位測量精度的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，他只需單一電源供電，而且轉(zhuǎn)換時間很短(6ms)，并且具有8路輸入通道，還提供了標準并行接口——8位三態(tài)數(shù)據(jù)I/O口，可以和大部分的單片機直接接口，使用相當方便。8255乃是Intel公司生產(chǎn)的可編程并

5、行I/O接口芯片，它有3個8位并行I/O口。而且具有3個通道3種工作方式的可編程并行接口芯片（40引腳）。 其各口的功能可由軟件選擇，使用相當靈活，通用性很強。</p><p>　　關鍵詞：無功補償,單片機，A/D轉(zhuǎn)換器，8255</p><p>　　The Design of Hardware Circuit of Centralized Reactive Power Compensat

6、or</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This topic in reactive compensation principle as the foundation, design a kind of centralized reactive power compensator. This device with grid b

7、ased on the data to monitor, 220V voltage in town of reactive power compensation for object, the corresponding device feeling, capacitive judge, through the vote to accomplish the cutting of reactive power compensation.

8、This article mainly researches for grid reactive power compensation, and improve the performance of the hardware and software configura</p><p>　　System through 89C52. 89C52 is the INTEL corporation, in 51 se

9、ries microcontroller MCS - basic products, it USES the INTEL company reliable CHMOS technology manufacturing high performance 8-bit microcontroller, belongs to the standards of the MCS - 51 HCMOS products. Using C langua

10、ge software compilation. A/D conversion MAX197, Maxim MAX197 is adopted with 12 out the measurement precision of the high speed A/D conversion chip, just A single power supply, and the conversion time is very short (6m&l

11、t;/p><p>　　Keywords: reactive power compensation, A/D conversion,8255</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><

12、;p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1研究背景1</b></p><p>　　1.2無功功率補償?shù)陌l(fā)展狀況2</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容4</p><p>　　2設備方案設計與總體設計5</p><p>　　

13、2.1無功功率補償?shù)脑?</p><p>　　2.2 系統(tǒng)總體框圖7</p><p><b>　　3硬件設計8</b></p><p>　　3.1 硬件設計框圖及說明8</p><p>　　3.2單片機芯片選擇9</p><p>　　3.3 電壓互感器、電流互感器10</p&g

14、t;<p>　　3.3.1 電壓互感器10</p><p>　　3.2.2 電流互感器11</p><p>　　3.2 A/D轉(zhuǎn)換器MAX197與單片機接口電路11</p><p>　　3.3可編程并行接口芯片8255接口電路13</p><p>　　3.3.1 8255與單片機接口電路13</p>

15、<p>　　3.3.1 8255與數(shù)碼管接口電路14</p><p>　　3.3.1 8255與發(fā)光二極管接口電路15</p><p>　　3.4 外部數(shù)據(jù)存儲器擴展15</p><p>　　3.5地址鎖存器74LS373、譯碼器74HC13816</p><p>　　3.5.1 地址鎖存器74LS37316</p

16、><p>　　3.5.2 譯碼器74HC13817</p><p><b>　　4軟件設計18</b></p><p>　　4.1設計核心18</p><p>　　4.2程序流程圖18</p><p>　　4.2.1判斷電壓過零點18</p><p>　　4.2.2檢

17、測電流信號、確定功率因數(shù)及負載特性19</p><p>　　4.3查表程序代碼19</p><p><b>　　結(jié)論21</b></p><p><b>　　參考文獻22</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　附錄

18、24</b></p><p>　　附錄圖1 查詢表表一 I1為正，I2為負24</p><p>　　附錄圖2 查詢表表二 I1為正，I2為正26</p><p>　　附錄圖3 系統(tǒng)硬件連線圖29</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>

19、;<b>　　1.1研究背景</b></p><p>　　目前，我國的大部分電網(wǎng)，普遍存在著功率因數(shù)低、電網(wǎng)線損大的情況。然而導致此現(xiàn)象的主要原因就在于是功率因數(shù)較低，而功率因數(shù)又是由于眾多的感性負載用電設備設計落后。比如我國的電動機消耗的電能占全部發(fā)電量的70%，而功率因數(shù)一般卻只有cosΦ=0.7左右。</p><p>　　我國的互聯(lián)電網(wǎng)已然進入了大電網(wǎng)、大機組的

20、時代，對電網(wǎng)的質(zhì)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定的要求也日益地提高，對于解決終端用戶的無功補償設備綜合控制的問題也越顯緊要。然而目前我國絕大部分終端用戶依然采用傳統(tǒng)的補償裝置，控制方式落后，無法達到遠距離和總體控制的要求，所以提高補償設備整體性、效率和靈活性成了工作重點。通過智能化電網(wǎng)的建設，利用現(xiàn)代化的通信技術(shù)，整合用戶資源，實現(xiàn)終端無功平衡，可有效地提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，有效降低損耗，從而改善電網(wǎng)質(zhì)量。</p><p>　　提高

21、功率因數(shù)，合理選擇用電設備以提高自然功率數(shù)，廣泛采用并聯(lián)電容性負載的方法補償無功功率。以前傳統(tǒng)的方法是采用固定電容補償?shù)姆椒?，但是它僅使用于負載相對固定、無功功率相對穩(wěn)定的靜態(tài)用電裝置；隨著微機控制技術(shù)以及半導體器件的發(fā)展，利用電腦對電網(wǎng)進行實時的檢測、控制，并根據(jù)無功功率的變化，自動切換補償電容，能夠準確且快速地實現(xiàn)動態(tài)的無功補償，達到降低消耗、改善供電質(zhì)量的目的。</p><p>　　往往在這種情況下，采用無

22、功補償?shù)墓?jié)能技術(shù)，對于提高電能質(zhì)量和挖掘電網(wǎng)潛力是相當必要的，世界各國都把無功補償當作電網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分。</p><p>　　綜上所述 ，無功補償不僅具有節(jié)省投資、節(jié)省電力、節(jié)省燃煤以及污染等等作用，同時還能夠提高電力系統(tǒng)設備的供電能力，提高電壓的質(zhì)量，減少用戶用電費用等等作用。無功補償技術(shù)的發(fā)展，他存在以下意義。  (1)補償無功功率,能夠使電網(wǎng)中有功功率的比例常數(shù)增加；(2)能夠減少供電設備的

23、設計容量,從而減少投資,例如當功率因數(shù)cosΦ=0.8增加到cos4=0.95時,裝有1Kvar電容器可以節(jié)省設備容量達到0.52KW之多;相反,增加0.52KW.對原有設備來說,相當于增大了供電設備的容量。所以,對于新建以及改建的工程.應當充分考慮到無功補償,因為這樣可以減少設計的容量,從而減少投資. (3)有效降低線損,從公式△P%=(1-cosΦ’/cosΦ)X100%中可以得出cosΦ’是補償后的功率因數(shù),cosΦ是補償前的功率

24、因數(shù)，可得cosΦ’>cosΦ,所以提高功率因數(shù)后,線損率也相對下降了不少。因此減少設計的容量,減少投資,增加電網(wǎng)中有功功率的輸送比例,及降低線損都直接影響了供電企業(yè)的經(jīng)濟效益，也起到?jīng)Q定性的作用。所以說,功率因數(shù)是考核經(jīng)濟效益的一項重要指標,實施無功補償是符合時代要求的一種技術(shù)。</p><p>　　在第一個晶閘管出現(xiàn)以前，電子半導體因為功率過小，所以在直流傳動，交流傳動，電磁合閘，交流不間斷電源以及無功

25、補償?shù)阮I域內(nèi)一直沒有得到相應的推廣使用。晶閘管的誕生標志著電力電子技術(shù)的出現(xiàn)，并因此為起點，隨著半導體制造技術(shù)和變流技術(shù)的相應發(fā)展，新型的電力電子器件不斷出現(xiàn)，由此引發(fā)了很多行業(yè)的變革，比如交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。同樣，電力電子技術(shù)對于無功補償技術(shù)也同樣帶來了新的發(fā)展契機。</p><p>　　1.2無功功率補償?shù)陌l(fā)展狀況</p><p>　　近20年以來，世界各地所發(fā)生的由電壓穩(wěn)定以及電

26、壓崩潰引發(fā)的大面積停電事故引起了各國（包括美國、法國、意大利、英國、俄羅斯、日本等國）的高度重視。曾經(jīng)持續(xù)了短短72 小時的8.14 美加大停電給美國造成了巨大的經(jīng)濟損失，產(chǎn)生了不良的社會影響，這次事故提醒了大家，電網(wǎng)運行要有足夠的無功備用容量，無功不能僅僅靠著遠距離的傳輸，在電力市場的環(huán)境下，必須制定一個統(tǒng)一的法規(guī)以激勵獨立發(fā)電商和運營商從維護整個系統(tǒng)安全性的角度提供充足的無功備用。在我國也曾多次發(fā)生電壓崩潰的事故

27、，比如說1993 年和1996 年的南方電網(wǎng)的幾次嚴重事故，這些事故都警告人們要采取各種措施來維持電網(wǎng)的穩(wěn)定。</p><p>　　隨著近代電力電子技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，無功補償技術(shù)也隨之發(fā)展。在第一個工業(yè)用晶閘管出現(xiàn)之前，電子半導體由于功率過小，在直流傳動，交流傳動，電磁合閘，交流不間斷電源和無功補償?shù)阮I域內(nèi)一直沒有得到應有的推廣使用。晶閘管的出現(xiàn)標志著電力電子技術(shù)的誕生，并以此為起點，隨著半導

28、體制造技術(shù)和變流技術(shù)的發(fā)展，新型的電力電子器件不斷問世，由此引發(fā)了眾多行業(yè)的變革，如交流變頻調(diào)速技術(shù)的蓬勃發(fā)展。同樣電力電子技術(shù)對無功補償技術(shù)也帶來了新的發(fā)展契機。</p><p>　　早期的無功補償裝置為并聯(lián)電容器和同步補償器，多用在系統(tǒng)的高壓側(cè)進行集中補償。至今并聯(lián)電容器仍是一種主要補償方式，應用范圍廣泛，只是控制器在不斷的更新發(fā)展。同步補償器的實質(zhì)是同步電機，當勵磁電流發(fā)生改變時，電動機可隨之平滑的改變輸出

29、無功電流的大小和方向，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有好處。但同步補償器成本高，安裝復雜，維護困難，使其推廣使用受到限制。</p><p>　　無功補償技術(shù)和電力電子技術(shù)的結(jié)合主要有以下三方面：</p><p>　　1．是引入電力電子變流技術(shù)，將變流器作為無功電源來調(diào)節(jié)無功的輸入和輸出，起到補償負載無功的作用。經(jīng)常用的是靜止調(diào)相機和有源濾波器。</p><p>　　2．是作為

30、投切電容器的開關。因為電力半導體開關的響應時間短(PS級)，所以能夠選擇電容的投切角度，實現(xiàn)零電壓投切，避免了涌流的產(chǎn)生，提高了電容器使用的可靠性和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性?，F(xiàn)代并聯(lián)電容器補償裝置中的輸出回路就引進了該項技術(shù)。</p><p>　　3．是作為無功輸出的調(diào)節(jié)開關。由于電力電子器件的高開關頻率，使其能夠方便地控制電容器電流的導通角，從而實現(xiàn)無功的連續(xù)調(diào)節(jié)，快速跟蹤負載無功的變化。靜止型無功補償器是其中的代表。

31、</p><p>　　由無功補償源在主電路回路中連接方式的不同，無功補償器可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種結(jié)構(gòu)。依據(jù)電力電子技術(shù)在無功補償中應用的方式不同，現(xiàn)代無功補償裝置[4]大致可分為以下幾種類型：</p><p>　　1． FC - TCR( Fixed capacitor-Thyristor Controlled Reactor)型無功補償裝置，它屬于并聯(lián)型無功補償裝置。其主回路如圖1-2

32、所示。由于TCR中除可控硅全導通或關斷之外器電流都是非正弦的，所以它是一個電流諧波源，對電網(wǎng)有一定的危害。該裝置在電容和電感之間形成無功損耗，電容利用率低并且電抗器體積較大，花費更高。FC-TCR方式是用雙相可控硅的相位控制，調(diào)整電抗器的電流，從而調(diào)整無功功率的方式。當以電壓零相位為基準時，調(diào)節(jié)TCR中的可控硅的引燃角?？梢詮牡椒秶鷥?nèi)變化。補償器的電流，此電流可隨角的變化而變化為感性或容性，這樣就改變了FC-TCR的無功功率，并可連續(xù)均

33、勻的調(diào)節(jié)。</p><p>　　2．TSC (Thyristor Switched Cpacitor)型無功補償裝置，它屬于并聯(lián)型無功補償裝置。主回路如圖1-1所示，是由多臺電力電容器并聯(lián)以及由可控硅構(gòu)成的執(zhí)行機構(gòu)組成。裝置根據(jù)無功電流的大小來決定投入電容組數(shù)。由此可見TSC的無功調(diào)節(jié)是有級的，它的優(yōu)點也明顯，即結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，電容器利用率高，使用中不存在諧波污染等。但它無法連續(xù)的輸出無功，這使其在使用中存在

34、合理選擇電容，適當分級的問題。</p><p>　　3．靜止調(diào)相機ASVC (Advantage Static Var Compensator),屬于串聯(lián)型補償器。它由于輸出電壓可超前或滯后系統(tǒng)電壓，因此可以和系統(tǒng)進行有功、無功之間的交換。它可以連續(xù)調(diào)節(jié)無功，并且能夠抑制諧波，補償特性較好。但該系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復雜，控制難度大，制造和維護都不便，成本高等問題，不便在全國推廣使用。</p><p&g

35、t;　　1.3課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本設計的主要內(nèi)容是通過電壓互感器、電流互感器、A/D轉(zhuǎn)換器MAX197、單片機AT89C52、譯碼器74LS373和8255芯片來完成系統(tǒng)設計。按照電力供電系統(tǒng)的要求設計功率因數(shù)補償器，總體方案設計重點是通過I1、I2 的值計算出功率因素角φ的值，并且查詢相對應的cosφ'的值，假如cosφ'不大于0.95，則要對電容進行相應的投切來使功率因素

36、提高。</p><p><b>　　設計分三部分：</b></p><p>　　1、數(shù)據(jù)的采集：通過電壓互感器和電流互感器從高壓線路上對補償系統(tǒng)中的電壓和電流信號進行測量，檢測出需要的電壓和電流信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換器將所測得的電壓、電流信號的模擬量轉(zhuǎn)換為計算機相應可以識別的數(shù)字信號。</p><p>　　2、單片機89C52對數(shù)據(jù)進行處理，主

37、要是通過89C52對前部分所收集到的數(shù)據(jù)信號進行運算處理，此部分的處理主要有現(xiàn)行電力線路無功功率的計算和功率因素補償值?？偟膩碚f，這部分是根據(jù)得到的電壓和電流信號的值對所需要的補償?shù)娜萘窟M行計算。</p><p>　　3、執(zhí)行環(huán)節(jié)，計算出結(jié)果后就到了這個階段，此階段主要是單片機輸出的信號去具體執(zhí)行，這部分主要是根據(jù)計算所得的無功補償量，將之轉(zhuǎn)化為對應的補償電容的投切控制，通過電容的投切來完成最后的補償。</

38、p><p>　　2設備方案設計與總體設計</p><p>　　2.1無功功率補償?shù)脑?</p><p>　　電網(wǎng)的輸出的功率總共包括兩部分;一是有功功率，二是無功功率。直接消耗電能,把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能,熱能,化學能等等,利用這些能來做功,這部分功率則是有功功率;不消耗電能;只是把電能轉(zhuǎn)換為另一種形式的能,這種能作為電氣設備能夠做功的必備條件,并且,這種能是在電網(wǎng)中與電

39、能進行周期性轉(zhuǎn)換,這部分功率稱為無功功率,如電磁元件建立磁場占用的電能,電容器建立電場所占的電能.電流在電感元件中做功時,電流超前于電壓90°。但是電流在電容元件中做功時,電流滯后電壓90°。在同一電路中,電感電流與電容電流方向是相反的,大約互差180°。假如在電磁元件電路中有比例地安裝電容元件,可以使兩者的電流相抵消,使電流的矢量與電壓矢量之間的夾角縮小,從而提高電能做功的能力,這就是無功補償?shù)脑怼?l

40、t;/p><p>　　無功補償?shù)淖饔眉霸砜梢酝ㄟ^由圖2-1來解釋：</p><p>　　假設電感性負荷需從電源吸取的無功功率是，裝上無功補償裝置之后，補償無功功率為，電源輸出的無功功率減少為，功率因數(shù)由提高到，視在功率減少到。</p><p>　　圖2-1 無功補償原理示意圖</p><p>　　S的減少可相應減少供電線路截面和變壓器的容量，降

41、低了供用電設備的投資。比方說一臺1000千伏安的變壓器，負荷的功率因數(shù)為0.7 時，可以供700千瓦的有功負荷，但是，當負荷的功率因數(shù)提高到0.9，卻可使有功功率達到900千瓦。對于同一臺變壓器，由于負荷的功率因數(shù)的提高而可多供200千瓦負荷，這是相當可觀的一種效果。</p><p>　　由此可見，當采用無功補償措施后，電源輸送的無功功率明顯減少了，很明顯，也使電網(wǎng)和變壓器中的功率損耗有效地祈禱了下降的效果，從而

42、大大提高了供電效率。</p><p><b>　　由電壓損耗計算公式</b></p><p>　　從上公式可得，當采用無功補償以后，電力網(wǎng)無功功率明顯減少了許多，降低了電力網(wǎng)中的大部分電壓損耗，從而提高了用戶的電壓質(zhì)量。</p><p>　　并聯(lián)電容器的無功補償作用和原理，也可以用圖2-2 加以說明。</p><p>　

43、　圖2-2 并聯(lián)電容器的補償電流圖</p><p>　　圖中的總電流可以分解為有功電流分量，和無功電流分量(電感性的)。并聯(lián)電容器投入運行時，流入電容器的容性電流與方向剛好相反，所以能夠抵消一部分使得電感性電流分量降低為，總電流由降為，功率因數(shù)也由提高到。此時，負荷所需的無功功率全部由補償電容供給，電網(wǎng)只需供給有功功率既可。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)總體框圖</p>

44、<p>　　系統(tǒng)總體框圖如圖2-2所示：</p><p>　　簡而言之，系統(tǒng)主要是通過電壓互感器以及電流互感器輸入所需要的電壓和電流信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換器將輸入的信號模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；然后單片機AT89C52對所收集到的數(shù)據(jù)進行運算，如無功功率的計算以及功率因數(shù)補償?shù)臄?shù)值；最后根據(jù)計算所得的無功補償量，轉(zhuǎn)化為對應的補償電容的投切控制，通過電容的投切完成最終的補償，并在數(shù)碼管中顯示最后的功率因數(shù)。&l

45、t;/p><p><b>　　3硬件設計</b></p><p>　　本次設計用到的硬件主要有單片機AT89C52，A/D轉(zhuǎn)換器MAX197，可編程外圍并行接口芯片8255，地址鎖存器74LS373，譯碼器74HC138，電壓互感器、電流互感器和外部數(shù)據(jù)存儲器。</p><p>　　3.1 硬件設計框圖及說明</p><p>

46、;　　硬件設計框圖如下圖所示，</p><p>　　圖3-1 硬件設計框圖</p><p>　　系統(tǒng)通過電壓互感器以及電流互感器輸入所需要的電壓和電流信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換器將輸入的信號模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送給單片機；然后單片機對所收集到的數(shù)據(jù)進行運算，如無功功率的計算以及功率因數(shù)補償?shù)臄?shù)值；然后通過地址鎖存器74LS373把數(shù)據(jù)送入兩片8255中，最后根據(jù)計算所得的無功補償量，轉(zhuǎn)化為對應

47、的補償電容的投切控制，通過電容的投切完成最終的補償，在發(fā)光二極管中顯示電容投切狀態(tài)，并在數(shù)碼管中顯示最后的功率因數(shù)。</p><p>　　在89C52的P1.0口設置開關裝置，當單片機工作，通過鍵盤輸入投切信號。本設計采用4X4鍵盤，1-8鍵分別對應投1-8組電容，9-16鍵分別對應切1-8組電容，當單片機通過軟件計算所得結(jié)果，通過74LS373鎖定第一片8255，確定系統(tǒng)的感、容性，確定以后，通過鍵盤決定投切1

48、-8組中的哪一組電容，然后由8255所連接的驅(qū)動來控制投切，完成之后，在固定時間內(nèi)再一次進行測量，假如功率因數(shù)依然達不到要求，則繼續(xù)判斷系統(tǒng)感、容性，依次循環(huán)，直到系統(tǒng)的功率因數(shù)達到要求，最后完成投切，并且通過與另外一片8255連接的數(shù)碼管顯示功率因數(shù)。</p><p>　　在P1.1口設置自動/手動切換裝置，P1.2口接綠色LED燈，所設置為運行燈，若單片機工作則綠燈亮，P1.3接紅色LED燈，所設置為停止燈，

49、工作停止，則紅燈亮。P1.4設置黃色LED等，若判斷電容為感性，則黃燈亮，最后設置P1.5接藍色燈，若判斷電容為容性，則藍燈亮。INT0口接一個中斷停止裝置，用于緊急停止。</p><p>　　本設計中單片機應用系統(tǒng)需要大容量外部數(shù)據(jù)RAM及較多的I/O接口，僅靠線選法是不夠用的，因此采用譯碼法對I/O接口進行編址。譯碼器選用3線—8線譯碼器74HC138，將單片機的P2.7、P2.6、P2.5作為其輸入，譯碼器

50、輸出Y0、Y1、Y2、Y3分別接MAX197、8255（1）、8255（2）芯片、數(shù)據(jù)存儲器芯片6264的片選信號。這樣避免了各芯片的地址重復，避免在數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生錯誤。</p><p>　　3.2單片機芯片選擇</p><p>　　雖然MCS-51系列單片機相對來說已經(jīng)是比較早期的產(chǎn)品，但是其結(jié)構(gòu)完善，性能優(yōu)良，是公認的單片機經(jīng)典機種。配合本課題的要求，需滿足A/D轉(zhuǎn)換器10us的轉(zhuǎn)

51、換速度，經(jīng)多方面考慮，選擇AT89C52作為本設計的單片機。</p><p>　　AT89C52是屬于89C51的增強型，與INTEL公司的80C52在引腳排列、硬件組成、工作特性和指令系統(tǒng)等方面完全兼容。其主要工作特性是：</p><p>　　·片內(nèi)程序存儲器內(nèi)含8KB的FLASH程序存儲器，可擦寫壽命為1000次；</p><p>　　·片內(nèi)

52、數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)涵256字節(jié)的RAM；</p><p>　　·具有32根可編程I/O口線；</p><p>　　·具有3個可編程定時器；</p><p>　　·中斷系統(tǒng)是具有8個中斷源，6個中斷矢量、2級優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)；</p><p>　　·串行口是具有一個全雙工的可編程串行通信口；</p>

53、<p>　　·具有一個數(shù)據(jù)指針DPTR；</p><p>　　·低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式；</p><p>　　·具有可編程的3級程序鎖定位；</p><p>　　·AT89C52工作電源電壓為5（1±0.2）V，且典型值為5V，AT89LV52工作電源電壓為2.7-6V，是低電壓單片機；&l

54、t;/p><p>　　·AT89C52最高工作頻率為24MHz，AT89LV52最高工作頻率為12MHz。</p><p>　　與AT89C51相比，AT89C52主要增加了以下功能：</p><p>　　·程序存儲器由4KB增加到8KB；</p><p>　　·片內(nèi)RAM由128字節(jié)增加到256字節(jié)；</p&

55、gt;<p>　　·定時器由2個增加到3個；</p><p>　　·P1.0和P1.1口增加了替代功能；</p><p>　　·中斷系統(tǒng)由6個中斷源增加到8個，中斷矢量由5個增加到6個。</p><p>　　AT89LV52屬于低電壓型單片機，與AT89C52的主要區(qū)別是：</p><p>　　&#

56、183;AT89C52的電源電壓為5（1±0.2）V；AT89LV52的電源電壓為2.7V-6V。</p><p>　　·AT89C52的最高頻率為24MHz；AT89LV52的最高頻率為12MHz。</p><p>　　·AT89C52的編程頻率是3-24MHz，編程啟動電流為1mA；AT89LV52編程頻率為3-12MHz，編程啟動電流為25μA。<

57、/p><p>　　3.3 電壓互感器、電流互感器</p><p>　　電壓互感器和電流互感器分別與A/D轉(zhuǎn)換器的通道0、通道1相連，將電壓和電流模擬信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　3.3.1 電壓互感器</p><p>　　電壓互感器的作用是把高電壓按比例關系變換成100V或更低等級的標準二次電壓，供保護、計量、儀表裝置取用。同時

58、，使用電壓互感器可以將高電壓與電氣工作人員隔離。可以說，電壓互感器是一個被限定結(jié)構(gòu)和使用形式的特殊變壓器。</p><p>　　為了保證測量的精度，應把電壓互感器的誤差限制在一定范圍內(nèi)，通常用準確級表示。電壓準確級是指在規(guī)定的一次電壓和二次負荷變化范圍內(nèi)，負荷功率因數(shù)為額定值時，電壓誤差的最大值。我國測量用電壓互感器誤差限值標準如表3－1所示。</p><p>　　由于電壓互感器誤差與二次

59、負荷有關，所以同一臺電壓互感器對應于不同的準確級便有不同的容量。通常，額定容量是對應最高準確級的容量。在本設計中所要檢測的是電壓信號的相位，所以本人選擇的為相位誤差相對較小的0.2級電壓互感器。具體可使用JDZ型號電壓互感器。</p><p>　　表3-1 電壓互感器準確級和誤差限值標準</p><p>　　3.2.2 電流互感器</p><p>　　電流互感器

60、的選擇同電壓互感器的要求基本相同，用于電氣測量的電流互感器要求在正常工作范圍有較高的準確度，而當其通過故障電流時，則希望電流互感器過早飽和，以免儀表受到短路電流的損害。對不同的測量儀表應選用不同準確級的電流互感器。在本次設計中，所需要的電流互感器的相位誤差要求盡可能的小，根據(jù)實際補償容量，選用LR-35-300（0.5級）的電流互感器。</p><p>　　表3-2 電流互感器準確級和誤差限值</p>

61、;<p>　　3.2 A/D轉(zhuǎn)換器MAX197與單片機接口電路</p><p>　　本設計采用的電壓互感器準確級為0.1，對應的電壓誤差即精度為0.1％，所以分辨率至少為1/0.1％，即1000，所以我們至少采用10位的A/D轉(zhuǎn)換器。而在估算時A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)至少要比總精度要求的最低分辨率高一位，所以至少為11位，但是一般的A/D轉(zhuǎn)換器只有8位、10位12位等，所以我們采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器MA

62、X197，它的分辨率為1/4096，即0.0244%。</p><p>　　MAX197是MAXIM公司生產(chǎn)的一種易于微處理器接口，可軟件選擇多量程輸入的、最大采樣率為100kSPS的12位并行A/D轉(zhuǎn)換器。MAX197僅需要單一+5V電源供電，但其輸入電壓值可大于5V，也可小于0V。具有8個模擬輸入通道，且通過編程可選擇輸入電壓的范圍有10V、5V、0~10V和0~5V四種，這些通道的過壓容限為16.5V。正由

63、于此，用戶可以靈活地讓4~20mA、12V和15V供電的傳感器與單一+5V系統(tǒng)接口。另外，MAX197內(nèi)部還包含一個5MHZ帶寬的采樣/保持器、一個內(nèi)部時鐘、8+4位的并行接口和一個放大緩沖后電壓為4.096V的基準。MAX197具有兩種省電工作模式，可通過芯片本身的一個引腳和軟件設定。MAX197可應用在自動測試設備（ATE）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、機器人技術(shù)和信息等領域。 </p><p>

64、　　MAX197的主要電氣特性為：積分非線性、微分非線性、增益誤差和偏移誤差的最大值分別為1LSB、1LSB、10LSB和10LSB；增益溫度系數(shù)的典型值為510-6/℃；等級模擬輸入電路中，輸入動態(tài)電阻的典型值為21kΩ或16kΩ，輸入電容的最大值為40pF；當使用內(nèi)部時鐘、CLK端到低端間接一個100 pF電容時，逐次逼近型ADC轉(zhuǎn)換時間的最大值為10μs，最小值6μs；在輸入電壓10V、5V、0~10V和0~5V范圍內(nèi)，小信號帶寬

65、的典型值分別為5MHZ、2.5MHZ、2.5MHZ、1.25MHZ；當使用內(nèi)部電壓基準和外部2MHZ時鐘時，完全省電模式所消耗電流最大值為120μs。</p><p>　　在單極性方式下，輸出數(shù)據(jù)格式為二進制數(shù)，輸入電壓范圍為0~VREF×1.2207或0~ VREF×2.4414，轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)為0000H~0FFFH；在雙極性方式下，輸出數(shù)據(jù)格式為補碼形式的二進制數(shù)，輸入電壓范圍為

66、7;VREF×1.2207或±VREF×2.4414，轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)為0 ~ VREF×1.2207或0~ VREF×2.4414對應0000H~0FFFH，- VREF×1.2207 ~0或者- VREF×2.4414 ~0對應0FFFH ~0800H。其中，VREF為MAX197REF端的基準電壓。</p><p>　　MAX197與單片機

67、接口電路如圖所示</p><p>　　圖3-2 MAX197與單片機接口電路</p><p>　　根據(jù)接線圖可得MAX197的地址為 000A1A0， MAX197的地址空間為000000000000~000111111111，即0000H~1FFFH。</p><p>　　3.3可編程并行接口芯片8255接口電路 </p><p>　　8

68、255A是Intel公司生產(chǎn)的可編程外圍接口芯片。它具有3個8位并行I/O口，分別稱為PA口、PB口和PC口，其中PC口又分為高4位和低4位口。它們都可以通過軟件編程來改變其I/O口的工作方式。8255A可與89C52單片機系統(tǒng)直接接口。</p><p>　　單片機與8255A之間的接口是通過對其數(shù)據(jù)總線、標準的讀/寫以及片選信號的控制來完成的。對8255A設置不同的控制字，可使其選擇以下3種基本的工作方式：&l

69、t;/p><p>　?。?）方式0——基本輸入/輸出：</p><p>　?。?）方式1——選通輸入/輸出；</p><p>　?。?）方式2——口A為雙向總線</p><p>　　3.3.1 8255與單片機接口電路</p><p>　　并行接口芯片8255與單片機相連是很簡單的，出了需要一個8位鎖存器來鎖存P0口送出的

70、地址信息外，幾乎不需要任何附加的硬件。本設計由于芯片較多，采用譯碼法分配地址，故還需一個3線—8線譯碼器，連到芯片的片選口。</p><p>　　圖3-3 8255與單片機接口電路</p><p>　　本設計中共有2片8255接口芯片，片選信號分別由譯碼器的輸出端Y1、Y2輸入。第一片的地址為001A1A0，地址范圍為00100000000~ 001111111111，即2000H~3F

71、FFH。第二片的地址為010A1A0，地址范圍為01000000000~ 010111111111，即4000H~5FFFH。</p><p>　　3.3.1 8255與數(shù)碼管接口電路</p><p>　　數(shù)碼管分為共陰和共陽兩種類型。數(shù)碼管內(nèi)所有LED的陰極相連構(gòu)成的是共陰極數(shù)碼管，陽極相連構(gòu)成的是共陰極數(shù)碼管。所有LED連在一起的端口成為公共端。</p><p>

72、;　　從數(shù)碼管顯示方式看，數(shù)碼管分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式。靜態(tài)顯示就是系統(tǒng)中每位數(shù)碼管的顯示值都保持不變，直到顯示新值為止；動態(tài)顯示就是系統(tǒng)工作的每個時刻僅僅顯示1位數(shù)碼管的值，在人眼的視覺暫留效應的時間范圍內(nèi)，顯示所有數(shù)碼管的值。兩種方式各有優(yōu)缺點，實際使用時，需要根據(jù)系統(tǒng)地要求采用合適的顯示方式。例如，在一個亮暗顯示可程序控制的數(shù)碼管顯示系統(tǒng)中，因為數(shù)碼管的亮暗控制很容易通過改變數(shù)碼管動態(tài)刷新時間實現(xiàn)，因此更適合采用動態(tài)顯示方

73、式。本設計采用動態(tài)顯示方式。</p><p>　　8255與數(shù)碼管接口電路用于功率因數(shù)值的輸出，如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 8255與數(shù)碼管接口電路</p><p>　　3.3.1 8255與發(fā)光二極管接口電路</p><p>　　8255與發(fā)光二極管接口電路用于指示電容的投切狀態(tài)，投入一組電容，相應地二極管就發(fā)光，切除

74、或不投切則不亮。接口電路如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 8255與發(fā)光二極管接口電路</p><p>　　3.4 外部數(shù)據(jù)存儲器擴展</p><p>　　AT89C52單片機片內(nèi)RAM的容量不大，僅256字節(jié)。本次設計所需數(shù)據(jù)存儲空間較大，所以需要對單片機進行外部數(shù)據(jù)存儲器擴展。根據(jù)本設計所需空間，選用8K×8位的6264數(shù)據(jù)存儲器芯片。

75、6264是8K×8位的靜態(tài)隨機存儲器芯片，采用CMOS工藝制造，由單一的+5V供電，額定功耗為200mV，典型存取時間為200ns。為28線雙列直插式封裝。</p><p>　　當片選2為低電平時，6264處于未選中狀態(tài)，在一般情況下需將此引腳拉至高電平。當把引腳拉至小于或等于0.2V時，RAM就進入數(shù)據(jù)保持狀態(tài)。片選1為高電平時芯片未被選中，為低電平時芯片被選中。</p><p&g

76、t;　　圖3-6為6264與單片機的接口電路。</p><p>　　圖3-6 6264與單片機的接口電路</p><p>　　6264芯片的片選引腳與譯碼器的輸出引腳Y3相連，其地址為011A1A0，地址范圍為011000000000~011111111111，即6000H~7FFFH。</p><p>　　3.5地址鎖存器74LS373、譯碼器74HC138 &

77、lt;/p><p>　　3.5.1 地址鎖存器74LS373</p><p>　　74LS373共有 54S373 和 74LS373 兩種線路　結(jié)構(gòu)型式，為三態(tài)輸出的八 D 透明鎖存器,其主要電器特性的典型值如下(不同廠家具體值有差別):</p><p>　　54S373/74S373 7ns 525mW</p><p>　　54LS373/7

78、4LS373 17ns 120mW</p><p>　　74LS373 的輸出端 O0~O7 可直接與總線相連。</p><p>　　當三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時，O0~O7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負載或總線。當 OE 為高電平時，O0~O7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。</p><p>　　當鎖存允許端 LE

79、 為高電平時，O 隨數(shù)據(jù) D 而變。當 LE 為低電平時，O 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當 LE 端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善 400mV。</p><p><b>　　引出端符號：</b></p><p>　　D0～D7 數(shù)據(jù)輸入端</p><p>　　OE 三態(tài)允許控制端（低電平有效）</p>&

80、lt;p><b>　　LE 鎖存允許端</b></p><p><b>　　O0~O7 輸出端</b></p><p><b>　　真值表如下所示：</b></p><p>　　3.5.2 譯碼器74HC138</p><p>　　74HC138是3線—8線譯碼器，有3位

81、二進制輸入A2、A1、A0，它們共有8種狀態(tài)的組合，即可譯出8個輸出信號Y0~Y7，輸出低電平有效。此外，還設置了E3、E2、E1 3個使能輸入端，微電路功能的擴展提供了方便。</p><p><b>　　4軟件設計</b></p><p><b>　　4.1設計核心</b></p><p>　　本設計的程序核心在于功率因

82、數(shù)查詢方式，軟件部分由主程序以及各個模塊程序組成，各功能模塊可由主程序直接調(diào)用。這里主要介紹查詢模塊。</p><p>　　軟件主要實現(xiàn)的功能是：</p><p>　?。?）判斷電壓過零點；</p><p>　?。?）采樣800個點后對其進行篩選；</p><p>　?。?）查詢功率因數(shù)表；</p><p>　?。?）

83、對電路電容進行投切控制</p><p><b>　　4.2程序流程圖</b></p><p>　　4.2.1判斷電壓過零點</p><p>　　4.2.2檢測電流信號、確定功率因數(shù)及負載特性</p><p><b>　　4.3查表程序代碼</b></p><p>　　查表程序

84、以10個數(shù)據(jù)為例，代碼如下：</p><p>　　#include <reg51.h></p><p>　　#include<stdio.h></p><p>　　#include<math.h></p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>

85、;　　#define uchar unsigned char</p><p>　　void comm_init()</p><p>　　{SCON =0x52;</p><p>　　TMOD=0x20;</p><p>　　TH1=TL1=0xfd;</p><p><b>　　TR1=1;</b>

86、;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void main()</p><p>　　{char sgn;</p><p><b>　　uint dgr;</b></p><p>　　uint code sin_tab[ ] =</p>

87、<p><b>　　{ </b></p><p>　　10000, 9994, 9976, 9945, 9903,</p><p>　　9848, 9781, 9703, 9613, 9511</p><p><b>　　}</b></p><p>　　comm_int ;<

88、/p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{ sgn=1;</b></p><p>　　printf(“\nstep = 2 ,dgr(0-360)=?”);</p><p>　　scanf(“\nstep = 2,dgr( 0 -360 ) = ?”);</

89、p><p>　　scanf(“%u”,&dgr);</p><p>　　if(dgr>=180)</p><p>　　{ dgr-=180;</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　經(jīng)過這么長時間的畢業(yè)設計，迷茫過，也彷徨過，不知道該怎么下手，因為雖然接觸的都是以前

90、專業(yè)所學的內(nèi)容，但是并沒有真正深入了解過這次畢業(yè)設計所需要用到的知識，所以，通過這次設計我也學到了曾經(jīng)在課堂上沒有學到的東西。</p><p>　　起初，這對于我真的是個艱巨且?guī)缀鮾?nèi)心覺得不可能完成的任務，因為朱老師前幾次把我們叫去了解這個課題，我都覺得似懂非懂，半懂不懂。懷著忐忑的心情去找資料，去找原器件然后了解各個引腳，然而，即便如此，依然不懂整個設計的細節(jié)。當然，隨著時間的積累，我慢慢了解了整個畢設的大體情

91、況，朱老師的多次教導，也讓我知道該從何著手完成這個任務。最終完成后，無論他人還是自己，都是一件很欣慰的事情。</p><p>　　此次的畢設讓我系統(tǒng)性地認識和掌握了無功功率補償器的一些基本知識，于此同時，還學到了發(fā)電廠對工廠以及生活社區(qū)的供電情況。無功功率的損耗在現(xiàn)實中的一種體現(xiàn)，我是主要負責硬件設計這方面的，所以在選擇畫圖上一開始就比較糾結(jié)，不知道用什么畫圖軟件，后來還是決定用Protel進行畫圖，這個軟件以前

92、聽說過，但是從來沒有真正用到實戰(zhàn)中進行畫圖，所以一開始安裝好以后根本無從下手，無奈的只好在網(wǎng)上搜索Protel的使用方法，通過下載了各類資料以及各類視頻總算初步掌握了Protel的使用方法，然后在庫文件中找到了89C52、8255、74LS373的模板，無奈MAX197沒有，所以又只能自己摸索去畫一個MAX197，最后在Protel中進行連線等工作，說不上什么很辛苦，但是依然是一件頭疼的事情，畢竟需要連的線路錯綜復雜很容易一不小心弄錯，

93、而且，由于電路相對復雜，排版也是一個大問題，當然，最后這一切都還是迎刃而解了，這對于自己的計算機操作也算是有了一種不錯的實踐。</p><p>　　相信，本次設計是我大學四年來最終學識的體現(xiàn)，也是對自己動手能力與所學知識能否完美結(jié)合的一次鍛煉。找自己的不足，然后才能更好地進步，最后，這次設計定然存在著種種不足，但是這次的設計對于自身的鍛煉卻是遠遠高于本身設計所帶來的意義，相信他對我將來的工作生活等等也會造成很大的

94、影響，讓我能夠執(zhí)著地去做一件事情并努力把他做好。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]邱光源.電路[M].北京：高等教育出版社,1999：205-208.[2]康華光，鄒壽彬，秦臻.電子技術(shù)基礎數(shù)字部分[M].北京：高等教育出版社,2006：444-460.[3]李朝青.單片機原理及接口技術(shù)[M].北京：北京航天航空大學出版社,

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