1、<p><b>　?。?0_ _屆）</b></p><p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計</b></p><p>　　集中式無功功率補償器的軟件設(shè)計</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 測控技術(shù)與儀

2、器 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p

3、><p>　　近年來，隨著變配電網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，以及用戶對電網(wǎng)無功電源的要求的日益提高，功率因數(shù)的提高正在逐漸成為一項重要的技術(shù)工作。功率因數(shù)的高低，直接影響到用戶的用電質(zhì)量。解決好電網(wǎng)的無功補償問題，對社會、經(jīng)濟都有著極其重要的意義。</p><p>　　本文介紹了一種基于單片機AT89C52的集中式無功功率補償器。該補償器采用三相平衡電路，通過檢測B、C相的電壓與A相的電流來獲得相位差，從

4、而得到功率因數(shù)。采用型號為MAX197的A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)采集，通過單片機AT89C52實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理以及輸入、輸出的控制，通過8255接口芯片輸出并顯示功率因數(shù)及電容投切狀態(tài)。經(jīng)過本補償器補償后，系統(tǒng)的功率因數(shù)可達到0.95以上。</p><p>　　本文主要側(cè)重于介紹此功率補償器的軟件部分，列出了詳細的軟件程序流程圖，并給出了部分程序的代碼。</p><p>　　關(guān)鍵詞：無功補償，功率

5、因數(shù)，軟件設(shè)計</p><p>　　The Design of Software of Centralized Reactive Power Compensator</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years, with the continuous development of p

6、ower distribution network, and the increasing requirement of reactive power, how to increase power factor is gradually becoming an important technical work. Power factor directly affects the quality of electricity using.

7、 It has a very important significance for our social and economic to solve the problem of reactive power compensation.</p><p>　　This paper introduces a centralized SCM AT89C52 based reactive power compensati

8、on. The compensation circuit is a three-phase equilibrium, we obtain the phase difference by detecting the phase of BC voltage and A current, then get the power factor. We use the A/D convert MAX197 to collect data, SCM

9、AT89C52 for data processing , input and output control. Output and display the power factor and capacitance of switching state from 8255 parallel port. The system’s power factor can reach 0.95, after t</p><p&g

10、t;　　This article mainly describes the software part of this compensator, and detailed software program flow chart and some program code is listed here.</p><p>　　Keywords: reactive power compensator , power f

11、actor, software design</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1

12、.1課題的來源1</p><p>　　1.2課題的意義1</p><p>　　1.3無功補償技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.4課題研究的主要內(nèi)容3</p><p>　　2集中式無功功率補償器總體設(shè)計概述5</p><p>　　2.1總體設(shè)計方案5</p><p>　　2

13、.2原理分析與參數(shù)計算5</p><p>　　2.2.1相位差的測量與計算5</p><p>　　2.2.2電容組數(shù)計算7</p><p>　　2.3算法說明及簡化8</p><p><b>　　3硬件設(shè)計9</b></p><p>　　3.1單片機接口電路設(shè)計框圖9</p>

14、;<p>　　3.2硬件選擇說明9</p><p>　　3.3芯片控制端口地址分配10</p><p>　　3.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器MAX197控制端口地址10</p><p>　　3.3.2接口芯片8255（1）控制端口地址11</p><p>　　3.3.3接口芯片8255（2）控制端口地址11</p>

15、<p>　　3.3.3數(shù)據(jù)存儲器芯片6264地址范圍11</p><p>　　4軟件設(shè)計（主體部分）12</p><p>　　4.1軟件設(shè)計思路12</p><p>　　4.2 程序流程圖及說明12</p><p>　　4.2.1主程序12</p><p>　　4.2.2子程序1：檢測并確定電壓

16、過零點14</p><p>　　4.2.3子程序2：確定功率因數(shù)、判斷感容性14</p><p>　　4.2.4子程序3：排序及數(shù)字濾波15</p><p>　　4.2.5子程序4：控制電容投切16</p><p>　　4.3部分程序介紹17</p><p>　　4.3.1按鍵掃描程序17</p>

17、;<p>　　4.3.2冒泡排序與數(shù)字濾波程序22</p><p>　　4.3.3查表程序23</p><p><b>　　結(jié)論24</b></p><p><b>　　參考文獻25</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p>

18、<b>　　附錄27</b></p><p>　　附錄1 功率因數(shù)查詢表27</p><p>　　附錄2 單片機接口電路圖32</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1課題的來源</b></p><p>　　

19、近年來，隨著變配電網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，以及用戶對電網(wǎng)無功電源的要求的日益提高，功率因數(shù)的提高正在逐漸成為一項重要的技術(shù)工作。用戶功率因數(shù)的高低，直接關(guān)系到電網(wǎng)中的功率與電能的損耗，關(guān)系到供電線路的電壓損失和波動，而且關(guān)系到電能節(jié)約以及用戶的用電質(zhì)量。因此，如何提高配電網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)，已經(jīng)成為一個值得廣大供電企業(yè)深入研究的重要課題。</p><p>　　電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)的傳輸功率包括功功率和無功功率。在供電系統(tǒng)中，大多

20、數(shù)用電設(shè)備都具有電感特性，這些設(shè)備不僅需要吸收有功功率，還需吸收無功功率來產(chǎn)生其正常工作所必需的交變磁場。根據(jù)有功功率=視在功率×功率因數(shù)，可知在一定的額定電壓和額定電流下，電網(wǎng)的功率因數(shù)越高，有功功率所占的比重就越大。電網(wǎng)的自然平均功率因數(shù)一般在0.70～0.85 之間，企業(yè)消耗的無功功率占總功率的60%-70%，約占有功功率的60%-90%。若將功率因數(shù)提高到0.95 以上，則無功消耗只占有功消耗的30%左右。根據(jù)《全國供

21、用電規(guī)則》的規(guī)定，一般工業(yè)用戶的功率因數(shù)在0.85～0.9 以上,凡功率因數(shù)不能達到指標的用戶，供電部門可終止或限制對其供電。因此，對于工業(yè)用戶來說，提高功率因數(shù)勢在必行。</p><p>　　提高功率因數(shù)的方法主要有兩種，即提高自然功率因數(shù)法和無功補償法。提高自然功率因數(shù)法，是指通過降低各變電、用電設(shè)備所需的無功功率來改善與提高其功率因數(shù)的方法。這種方法是最經(jīng)濟的提高功率因數(shù)的方法，因為它不需要增加投資。若工業(yè)

22、用戶采用提高自然功率因數(shù)法后，其功率因數(shù)仍沒有達到《全國供用電規(guī)則》的要求，這時就需要設(shè)置無功補償裝置來對功率因數(shù)進行人工補償。無功補償法，是指采用無功補償設(shè)備來補償用電設(shè)備的無功功率，以達到提高功率因數(shù)的目的。</p><p>　　本課題的思想就是采用無功補償法，運用單片機實現(xiàn)無功功率因數(shù)的補償，使系統(tǒng)的功率因數(shù)達到0.95以上。</p><p><b>　　1.2課題的意義&

23、lt;/b></p><p>　　若無功功率太低, 會對電網(wǎng)帶來許多不利的影響。基本上的交流電源設(shè)備都是根據(jù)其額定電壓和額定電流來進行設(shè)計、制造和使用的。若功率因數(shù)過低，電源提供給負載的有功功率就相對偏低，這樣電源設(shè)備的潛力就無法得到充分利用。另一方面，設(shè)備的功率因數(shù)低，必然要求輸電線路中的電流更大，這就促使工廠增大內(nèi)部啟動控制裝置、測量儀表等設(shè)備的規(guī)格，增大了投資費用。同時也會使得輸電線路上得有功功率損耗

24、增大，引起加在用電設(shè)備的電壓下降，嚴重影響其正常運行。除此之外，對于發(fā)電設(shè)備來說，無功電流的增大會增強發(fā)電機轉(zhuǎn)子的去磁效應(yīng)，使得勵磁電流過度增大，進而造成轉(zhuǎn)子繞組的溫度升高而超過允許范圍。為了保證轉(zhuǎn)子繞組的正常工作，發(fā)電機就不能達到預(yù)期設(shè)定的出力，影響機組的發(fā)電量。</p><p>　　電網(wǎng)中的大部分用電設(shè)備，如變壓器、電動機等，都具有電感特性，在工作過程中都需要吸收一定的無功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等無功補

25、償設(shè)備，可以補償感性負載所消耗的無功功率，減少電源向感性負載提供的無功功率。對于供電系統(tǒng)來說，提高功率因數(shù)可以使發(fā)電機有盡量多的有功功率，在最大程度上利用發(fā)電機的容量，以便充分利用系統(tǒng)內(nèi)各發(fā)電變電設(shè)備的容量，增加其輸電能力。對于用電企業(yè)來說，提高功率因數(shù)可以提高企業(yè)各用電設(shè)備的利用率及其工作效率，充分體現(xiàn)企業(yè)的設(shè)備潛在動力，為企業(yè)節(jié)約電能，減少電費支出，從而降低生產(chǎn)成本。</p><p>　　總的來說，功率因數(shù)的

26、提高可以降低輸電線路的功率和電壓損失， 提高電網(wǎng)的輸電效率，減弱電壓的波動，保證各用電設(shè)備的運行條件，使其可以正常穩(wěn)定地工作，從而有效改善和提高用電質(zhì)量。因此，提高功率因數(shù)不僅對提高用戶的用電質(zhì)量有所幫助，更對整個供電系統(tǒng)節(jié)約電力資源有著重要意義。</p><p>　　1.3無功補償技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　無功補償技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從同步調(diào)相機到開關(guān)投切固定電容，到靜止無功補

27、償器（SVC），直到今天的靜止無功發(fā)生器（SVG）等幾個不同的階段。其中，同步調(diào)相機響應(yīng)速度慢，損耗大，噪音大，且技術(shù)陳舊，已是淘汰技術(shù)；開關(guān)投切固定電容屬于慢響應(yīng)補償方式，其連續(xù)性及可控能力差，也已逐漸淘汰；靜止無功補償器SVC是目前相對先進的實用無功補償技術(shù)，并且已在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用；靜止無功發(fā)生器SVG是一種更為先進的新型靜止型無功補償裝置，是靈活柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）技術(shù)和定制電力（CP）技術(shù)的重要組成部分，已成為現(xiàn)代

28、無功功率補償裝置的發(fā)展方向。</p><p>　　靜止無功發(fā)生器（SVG）是出現(xiàn)于20世紀80年代的相對先進的靜止無功補償裝置，又被稱為靜止同步補償器（STATCOM）。日本、美國、德國等國家的政府及科研單位一開始就相當重視SVG裝置的研制。1980年，第一臺20Mvar 的SVG由日本研制成功。90年代，研究出現(xiàn)了突破性的進展，日本和美國分別于1991年和1994年成功研制出一套80Mvar和一套100Mvar

29、的采用GTO晶閘管的SVG裝置，并且均成功投入商業(yè)運行。1998年，德國西門子公司單機容量為8Mvar的SVG裝置也順利投入使用。</p><p>　　目前，我國普遍采用的無功補償裝置是并聯(lián)電容器、晶閘管控制電抗器(TCR)和晶閘管投切電容器(TSC)。1994年，為了適應(yīng)無功補償技術(shù)新的發(fā)展趨勢，電力部將研制大容量SVG列為重點科研攻關(guān)項目。1999年3月，河南電力局和清華大學(xué)FATCS研究所共同研制的用于22

30、0kV電網(wǎng)的±20Mar SVG在河南電網(wǎng)成功投入使用。很快，國家電力公司電力自動化研究院研發(fā)的±2OOkvar SVG也于2001年2月正常投入運行。在理論水平顯著提高的基礎(chǔ)上，加上通過之前諸多研究所獲得的實踐經(jīng)驗， SVG的應(yīng)用規(guī)劃仿真研究也在各相關(guān)部門相繼展開。清華大學(xué)FACTS研究充分所利用河南±20Mvar SVG的研制經(jīng)驗，繼續(xù)對上海西郊變電站±5OMvar SVG的關(guān)鍵技術(shù)展開研究，

31、以較快的速度研制成功，并于2006年2月28日在上海黃渡分區(qū)西郊變電站進行試運行。此±5OMvar SVG裝置在建模、主電路設(shè)計及參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)控制策略等方面的研究上取得了重大突破，其核心技術(shù)更是達到了國際先進水平，標志著我國無功補償技術(shù)的進一步成熟。</p><p>　　目前生產(chǎn)制造SVG并市場化的廠家僅有少數(shù)家，廠家大多通過技術(shù)合作或技術(shù)引進的方式，采用清華大學(xué)FACTS研究所的SVG技術(shù)。我國生產(chǎn)

32、 SVG的主要廠家有：遼寧鞍山榮信，上海思源清能（四方清能），許繼集團，南車株洲時代，天津先導(dǎo)倍爾，山東新風光電子和山大華天等。目前這些廠家對SVG的生產(chǎn)制造均處于小批量生產(chǎn)試制及推廣階段，尚未形成一定的規(guī)?；爱a(chǎn)業(yè)化。但可以肯定的說，隨著電力電子技術(shù)的進步發(fā)展和SVG技術(shù)的改進與完善，SVG必將成為電力系統(tǒng)無功補償裝置的重要組成部分。</p><p>　　在國外，SVG的理論研究起步較早，目前已進入工業(yè)化應(yīng)用階

33、段，而SVG的工業(yè)化應(yīng)用對其理論研究又起到極大的推動作用，促進新的理論研究成果不斷出現(xiàn)。與之相比，我國在SVG方面的研究起步相對較晚，直到20世紀90年代以后，才有一些高等院校和科研機構(gòu)陸續(xù)開始研究SVG。經(jīng)過各方面的努力，理論和實際應(yīng)用都已取得了較大的進步。到目前為止，SVG的研究依然是FACTS領(lǐng)域中的一個重要課題，我國仍需在這方面投入大量的人才資源，進一步深入其研究以達到更高水平。 </p><p>　　1

34、.4課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本課題研究的主要內(nèi)容包括集中式無功功率補償器的總體方案設(shè)計、單片機接口電路設(shè)計以及部分主要程序的設(shè)計。</p><p>　　總體方案設(shè)計思路是，通過檢測三相電路中B、C相的電壓與A相的電流獲得相位差來得到系統(tǒng)的功率因數(shù)，并通過判斷系統(tǒng)負載特性來確定電容投切狀態(tài)。采用12位并行A/D轉(zhuǎn)換器MAX197進行電壓、電流的數(shù)據(jù)采集，用單片機AT89C52

35、實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、輸入輸出控制以及電容投切控制等功能，通過8255并行接口芯片輸出后，顯示功率因數(shù)值和電容的投切狀態(tài)。</p><p>　　單片機接口電路主要包括單片機AT89C52與A/D轉(zhuǎn)換器MAX197的接口電路、單片機AT89C52與并行接口芯片8255的接口電路和單片機AT89C52與數(shù)據(jù)存儲器芯片6264的接口電路。用一片74LS373地址鎖存器芯片及74HC138譯碼器來對MAX197、兩片8255芯片

36、和數(shù)據(jù)存儲器芯片6264進行線選。鍵盤與驅(qū)動結(jié)合用于控制電容組的投切。兩片8255并行接口芯片分別接發(fā)光二極管和7段數(shù)碼管，分別用來顯示電容投切狀態(tài)和功率因數(shù)值。</p><p>　　軟件設(shè)計是在總體設(shè)計與硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，分析具體算法，確定地址分配。根據(jù)具體算法思路，列出詳細的軟件主程序流程圖及各模塊程序流程圖。最終結(jié)合流程圖，有選擇性地編寫主要模塊的程序代碼。</p><p>　　2集

37、中式無功功率補償器總體設(shè)計概述</p><p>　　總體設(shè)計是整個設(shè)計的基礎(chǔ)，有了總體的設(shè)計方案，才能進一步展開硬件與軟件的設(shè)計?？傮w設(shè)計主要包括總體方案的設(shè)計、原理分析及參數(shù)計算、算法說明及簡化。</p><p><b>　　2.1總體設(shè)計方案</b></p><p>　　集中式無功功率補償器的系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。</p>

38、<p><b>　　圖2-1 系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　電壓互感器與電流互感器分別用于產(chǎn)生電壓、電流信號；用A/D轉(zhuǎn)換器將采集到的電壓、電流模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到單片機；單片機從A/D轉(zhuǎn)換器中讀取轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量，根據(jù)算法對數(shù)據(jù)進行分析、計算及處理，并其輸出到接口芯片，同時控制電容的投切；鍵盤輸入投切信息，與驅(qū)動結(jié)合控制電容投切；接口芯片與LED指示燈、數(shù)碼管等顯示

39、器件結(jié)合，顯示電容投切狀態(tài)及功率因數(shù)值。</p><p>　　2.2原理分析與參數(shù)計算</p><p>　　2.2.1相位差的測量與計算</p><p>　　本課題是針對三相電路進行研究的，檢測B、C相的電壓與A相的電流，通過電壓的相位來檢測電流的相位，從而獲得兩者的相位差。電壓與電流的關(guān)系如圖2-2所示。由圖2-2（b）可知，，根據(jù)所測得值的不同，系統(tǒng)負載特性及功

40、率因數(shù)存在以下三種情況：</p><p>　　若0°<<90°，則UA超前于IA，系統(tǒng)為感性。>0 ，功率因數(shù)為cos=cos(90°-)。</p><p>　　若=90°，則UA與IA同相，=0 ，即cos=1。</p><p>　　若90°<<180°，則UA滯后于IA，系

41、統(tǒng)為容性，<0 ，功率因數(shù)為cos=cos(-90°)。</p><p>　　(a) （b）</p><p>　　圖2-2 三相電路電壓、電流關(guān)系圖</p><p>　　圖2-3 電壓過零點、相位差檢測原理圖</p><p>　　圖2-3為電壓過零點、相位差檢測原理

42、圖。首先，要找到電壓的過零點。由原理圖可知，零點左側(cè)的電壓值為負，右側(cè)的電壓值為正，即零點是介于負值與正值之間的。由于采樣時有一定的采樣間隔，故恰好檢測到過零點的幾率相當小。為了將這個問題引起的誤差減到最小，這里采用的方法是，檢測電壓值，比較所測點中距離零點最近的負值與正值的絕對值，選取絕對值小的那點作為電壓過零點，記為A點。另外，考慮到電壓信號可能存在一定的干擾，特向后延遲了5個點，以驗證A點是否確實為過零點。</p>

43、<p>　　過零點確定后，在向后延遲5點的基礎(chǔ)上，檢測該點的電流信號波形，測得t1時刻的電流值I1。向后延遲5ms，即90°后，再次檢測電流信號波形，得到t2時刻的電流值I2。根據(jù)電流有效值與瞬時值的關(guān)系，可得：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　（2-2）</b></p>

44、<p>　　其中，t1 = 0，=314 rad/s ， （2-3）</p><p>　　將（2-2）式代入（2-1）式，</p><p>　　得 ，即 （2-4）</p><p>　　聯(lián)立（2-1）與（2-3）可得</p><p><b>　?。?-5）</b&

45、gt;</p><p>　　即 （2-6）</p><p>　　最后，由圖2-3可得，</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　經(jīng)過上述一系列公式的推導(dǎo)、計算，最終得到電壓與電流的相位差，即功率因數(shù)角。</p>

46、<p>　　2.2.2電容組數(shù)計算</p><p>　　企業(yè)的在功率因數(shù)在未補償前一般為0.7左右，對于總功率為110kw的系統(tǒng)來說，其最大無功補償量可根據(jù)來計算。</p><p>　　已知，P=110kw，=0.7，計算得 。則</p><p>　　若每組電容可補償?shù)臒o功功率為15kvar，則</p><p>　　112.3/1

47、57.5，</p><p>　　因此，需要準備的電容組數(shù)為8組。</p><p>　　2.3算法說明及簡化</p><p>　　為了保證電容投切的準確性，選擇在檢測1000次之后再決定是否投切。每次檢測完，得到功率因數(shù)值，并判斷其容感性。若每次檢測完都按照2.2．1中的7個公式一一計算，那工程量將是非常浩大的。為了避免這一點，事先列出一系列表格，將各個值存放在固定的

48、存儲空間中，程序中用查表的方式而不是通過計算得到功率因數(shù)。表格如附錄1所示。</p><p>　　為進一步簡化查詢工作，軟件編程時通過的值來直接查得功率因數(shù)cosφ'的值。判斷系統(tǒng)負載特性時，就通過φ'的正負來判斷。φ'為正時，系統(tǒng)為感性負載；φ'為負時，系統(tǒng)為容性負載。</p><p>　　為排除干擾，還需采用數(shù)字濾波法來得到最終的功率因數(shù)。方法是比較感性

49、點數(shù)與容性點數(shù)，若兩者差值超過600時才考慮投切電容。若感性點數(shù)比容性點數(shù)大600以上，則將感性點數(shù)對應(yīng)的功率因數(shù)值進行從小到大的排序，分別去掉首尾5個點后計算功率因數(shù)的平均值，若未到達要求則投入電容組。若容性點數(shù)比感性點數(shù)大600以上，則將容性點數(shù)對應(yīng)的功率因數(shù)值進行從小到大的排序，分別去掉首尾5個點后計算功率因數(shù)的平均值，若未到達要求則切除電容組。</p><p>　　本部分為集中式無功功率補償器的總體設(shè)計部

50、分，說明了設(shè)計的總體思路，給出了系統(tǒng)框圖。分析了設(shè)計原理，并結(jié)合原理圖進行計算，確定了所需參數(shù)的值。對設(shè)計算法進行了說明，并對其做出了適當?shù)暮喕?lt;/p><p><b>　　3硬件設(shè)計</b></p><p>　　硬件設(shè)計是在總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計方案及檢測精度要求等選擇所需硬件，并完成各芯片與單片機的接口連線工作。</p><p>　　

51、3.1單片機接口電路設(shè)計框圖</p><p>　　集中式無功功率補償器的單片機接口電路框圖如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 單片機接口電路設(shè)計框圖</p><p><b>　　3.2硬件選擇說明</b></p><p>　　單片機是本設(shè)計的核心硬件，既要從A/D轉(zhuǎn)換器中讀入數(shù)據(jù)并進行計算及處理，又要結(jié)合處理

52、后的數(shù)據(jù)控制電容的投切，并輸出控制信號通過接口芯片控制所需信息的顯示。因此，需選用功能強大的單片機進行設(shè)計，Atmel公司生產(chǎn)的AT89C52是最佳選擇。</p><p>　　由于各芯片須在低壓條件下工作，故需要將380V的高壓降為低壓，因此采用電壓互感器與電流互感器對電路進行轉(zhuǎn)化。</p><p>　　單片機的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲空間是4K，而本設(shè)計所需的存儲空間較大，因此需要對單片機進行片外數(shù)

53、據(jù)存儲器的擴展。</p><p>　　本設(shè)計采用的電壓互感器準確級為0.1，對應(yīng)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MAX197，它的分辨率為1/,4096，即0.0244%。<

54、;/p><p>　　鍵盤是用于選擇投切電容組的，本設(shè)計選用4×4鍵盤，1-8鍵用于選擇投入1-8組電容，9-16鍵對應(yīng)于切除1-8組電容。這樣可以避免重復(fù)投切同一組電容造成電容損壞。</p><p>　　地址鎖存器用于鎖存地址，與片選信號結(jié)合形成已確定的地址，完成A/D轉(zhuǎn)換器與接口芯片的線選，選定要工作的芯片。</p><p>　　接口芯片8255（1）與驅(qū)動

55、相連，用于控制電容的投切，通過LED指示燈顯示電容的投切狀態(tài)，投入一組電容，對應(yīng)的LED指示燈亮。8255（2）與7段數(shù)碼管相連，用于顯示功率因數(shù)值。</p><p>　　另外，圖中未畫出開關(guān)及狀態(tài)指示燈。在單片機的P1口接上啟動/停止開關(guān)、手動/自動開關(guān)以及四個不同顏色的LED指示燈作為狀態(tài)指示。綠燈亮表示補償器處于運行狀態(tài)，紅燈亮對應(yīng)停止狀態(tài)，黃燈亮表示負載為感性，藍燈亮表示負載為容性。另外，還在接上中斷停止

56、開關(guān)便于緊急情況使用。</p><p>　　3.3芯片控制端口地址分配</p><p>　　概念地址分配的方法通常有兩種：線選法和譯碼法。所謂線選法，即是將單根的高位地址線連接到外圍接口芯片的片選端，以獲得一確定的地址信號，由此選通該芯片。優(yōu)點與不足線選法的最大優(yōu)點是連接簡單，不必另加硬件電路，不足之處是外部RAM區(qū)地地址空間不連續(xù)而未被充分利用。當單片機應(yīng)用系統(tǒng)需要大容量外部數(shù)據(jù)RAM或

57、需要較多的I/O接口時，僅靠線選法是不夠用的，這時可采用譯碼法對I/O接口進行編址。</p><p>　　本設(shè)計中，A/D轉(zhuǎn)換器MAX197及接口芯片均采用譯碼法進行連接。根據(jù)單片機接口電路中的接線可知，單片機的P2.7、P2.6、P2.5作為74HC138譯碼器的輸入，譯碼器輸出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，由此可得各芯片的端口地

58、址。</p><p>　　3.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器MAX197控制端口地址</p><p>　　表3-1 MAX197地址范圍</p><p>　　根據(jù)表3-1可得MAX197的地址范圍為：0000H~1FFFH。</p><p>　　3.3.2接口芯片8255（1）控制端口地址</p><p>　　表3-2 接口

59、芯片8255（1）地址范圍</p><p>　　根據(jù)表3-2可得接口芯片8255（1）的端口地址為：2000H~3FFFH。</p><p>　　3.3.3接口芯片8255（2）控制端口地址</p><p>　　表3-3 接口芯片8255（2）地址范圍</p><p>　　根據(jù)表3-3，取0，可得接口芯片8255（2）的端口地址為：4000

60、H~5FFFH。</p><p>　　3.3.3數(shù)據(jù)存儲器芯片6264地址范圍</p><p>　　表3-4 數(shù)據(jù)存儲芯片6264地址范圍</p><p>　　根據(jù)表3-4可得接口芯片6264的端口地址為：6000H~7FFFH。</p><p>　　本部分對集中式無功功率補償器的硬件設(shè)計進行了簡要說明，首先給出了硬件設(shè)計框圖，并對各部分硬

61、件的選擇理由做出了說明。然后根據(jù)各部分的重要性，選擇介紹了單片機AT89C52以及A/D轉(zhuǎn)換器MAX197芯片。最后結(jié)合單片機與各芯片的接口電路，分析了MAX197及兩片8255芯片、數(shù)據(jù)存儲器芯片6264的地址分配。</p><p>　　4軟件設(shè)計（主體部分）</p><p>　　軟件設(shè)計是本文的重點內(nèi)容，總體設(shè)計及硬件設(shè)計最終都需通過軟件來實現(xiàn)。簡單地說，軟件部分就是總體設(shè)計與硬件設(shè)計

62、的最終執(zhí)行者。</p><p><b>　　4.1軟件設(shè)計思路</b></p><p>　　第二部分已提到，總體設(shè)計思路是通過檢測三相電路中B、C相的電壓與A相的電流獲得相位差來得到系統(tǒng)的功率因數(shù)，并通過判斷系統(tǒng)負載特性來確定電容投切狀態(tài)。采用12位并行A/D轉(zhuǎn)換器MAX197進行電壓、電流的數(shù)據(jù)采集，用單片機AT89C52實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、輸入輸出控制以及電容投切控制等

63、功能，通過8255并行接口芯片輸出后，顯示功率因數(shù)值和電容的投切狀態(tài)。軟件設(shè)計是在總體設(shè)計思路的基礎(chǔ)上，結(jié)合硬件電路，確定各芯片端口地址以及數(shù)據(jù)存儲空間等，將各步算法具體化，并轉(zhuǎn)化為軟件程序。</p><p>　　4.2 程序流程圖及說明</p><p><b>　　4.2.1主程序</b></p><p>　　主程序流程是在檢測到啟動信號后，

64、開始計時2分鐘，進入檢測狀態(tài)。首先要確定電壓過零點，通過比較電壓值由負變正的兩個點的電壓絕對值，選取絕對值小的點作為電壓過零點，并通過延遲五個點來驗證其是否為電壓過零點。確定電壓過零點之后，進行電流信號的檢測，利用檢測到的t1時刻電流值I1與t2時刻電流值I2的比值通過查表來獲得功率因數(shù)值，同時判斷感、容性并記錄存檔。檢測1000次后，若感性點數(shù)大于容性點數(shù)且兩者差值大于600，則將所有感性點的功率因數(shù)進行排序及數(shù)字濾波，若計算得到的功

65、率因數(shù)平均值小于0.95，則投入一組電容；若容性點數(shù)大于感性點數(shù)且兩者差值大于600，則將所有容性點的功率因數(shù)進行排序及數(shù)字濾波，若計算得到的功率因數(shù)平均值小于0.95，則切除一組電容；若以上兩種情況均不是，則不動作，等待2分鐘計時結(jié)束。檢測到結(jié)束信號后，按順序切除電容組，等待啟動信號。</p><p>　　主程序流程圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 主程序流程圖</

66、p><p>　　4.2.2子程序1：檢測并確定電壓過零點</p><p>　　由于存在一定的采樣間隔，剛好檢測到電壓過零點的可能性極小，故采用比較由正到負的兩個點的絕對值取絕對值小的點來近似作為電壓過零點。而電壓波形可能存在一定的干擾，因此向后延遲5個點，通過判斷第五個點的電壓值是否在正確范圍內(nèi)來保證電壓過零點的正確性。若A點為電壓過零點，則繼續(xù)下面的程序，反之，則重新檢測。程序流程圖如圖4-

67、2所示。</p><p>　　圖4-2 檢測及確定電壓過零點程序流程圖</p><p>　　4.2.3子程序2：確定功率因數(shù)、判斷感容性</p><p>　　確定電壓過零點后，開始檢測電流波形信號，得到t1時刻的電流值I1。接著向后延遲5ms，即90°后，再次檢測電流信號波形，得到t2時刻的電流值I2。根據(jù)總體設(shè)計，采用查表法獲得功率因數(shù)值。查表法將在4.

68、3.3中予以介紹。判斷系統(tǒng)負載特性時，就通過φ'的正負來判斷。φ'為正時，系統(tǒng)為感性負載，感性點數(shù)加1；φ'為負時，系統(tǒng)為容性負載，容性點數(shù)加1。程序流程圖如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 確定功率因數(shù)、判斷容感性程序流程圖</p><p>　　4.2.4子程序3：排序及數(shù)字濾波 </p><p>　　本程序用于對功率因數(shù)值進

69、行排序及數(shù)字濾波，排序采用冒泡法，將在4.3.2中詳細介紹。</p><p>　　圖4-4 排序及數(shù)字濾波程序流程圖</p><p>　　4.2.5子程序4：控制電容投切 </p><p>　　為了保證電容投切的可靠性，特設(shè)定感性與容性點數(shù)差值大于600時才考慮投切。若總體呈感性，則將所有感性點對應(yīng)的功率因數(shù)進行排序及數(shù)字濾波，若功率因數(shù)值未達到規(guī)定要求的0.95

70、，則投入一組電容，反之不投切。同理，若總體呈容性，則將所有感性點對應(yīng)的功率因數(shù)進行排序及數(shù)字濾波，若功率因數(shù)值未達到規(guī)定要求的0.95，則切除一組電容，反之不投切。程序流程圖如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5電容投切控制程序流程圖</p><p><b>　　4.3部分程序介紹</b></p><p>　　4.3.1按鍵掃描程序&l

71、t;/p><p>　　#include <reg52.h></p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　sbit dula=P2^6;</p><p>　　sbit wela=P2^7;

72、</p><p>　　uchar code table[]={</p><p>　　0x3f,0x06,0x5b,0x4f,</p><p>　　0x66,0x6d,0x7d,0x07,</p><p>　　0x7f,0x6f,0x77,0x7c,</p><p>　　0x39,0x5e,0x79,0x71,};<

73、;/p><p>　　void delay(uint x)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　uchar i,j;</p><p>　　for(i=x;i>0;i--)</p><p>　　for(j=110;j>0;j--);</p><p&g

74、t;<b>　　}</b></p><p>　　void display(uchar num)</p><p>　　{ P0=table[num] ;</p><p><b>　　dula=1;</b></p><p><b>　　dula=0;</b></p>

75、;<p><b>　　}</b></p><p>　　void matrixkeyscan()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　uchar temp,key;</p><p><b>　　P3=0xfe;</b></p>

76、<p><b>　　temp=P3;</b></p><p>　　temp=temp&0xf0;</p><p>　　if(temp!=0xf0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　delay(10) ;</p><p><b

77、>　　temp=P3;</b></p><p>　　temp=temp&0xf0;</p><p>　　if(temp!=0xf0)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　temp=P3;</b></p><p>　　s

78、witch(temp)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　case 0xee:</p><p><b>　　key=0;</b></p><p><b>　　break;</b></p><p>　　case 0xde:<

79、/p><p><b>　　key=1;</b></p><p><b>　　break;</b></p><p>　　case 0xbe:</p><p><b>　　key=2;</b></p><p><b>　　break;</b>

80、;</p><p>　　case 0x7e:</p><p><b>　　key=3;</b></p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　while(temp!=0xf0)</p&

81、gt;<p><b>　　{</b></p><p><b>　　temp=P3;</b></p><p>　　temp=temp&0xf0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　display(key);</p>

82、<p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　P3=0xfd;</b></p><p><b>　　temp=P3;</b></p><p>　　temp=temp&0xf0;<

83、/p><p>　　if(temp!=0xf0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　delay(10) ;</p><p><b>　　temp=P3;</b></p><p>　　temp=temp&0xf0;</p><p&

84、gt;　　if(temp!=0xf0)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　temp=P3;</b></p><p>　　switch(temp)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　case 0x

85、ed:</p><p><b>　　key=4;</b></p><p><b>　　break;</b></p><p>　　case 0xdd:</p><p><b>　　key=5;</b></p><p><b>　　break;&l

86、t;/b></p><p>　　case 0xbd:</p><p><b>　　key=6;</b></p><p><b>　　break;</b></p><p>　　case 0x7d:</p><p><b>　　key=7;</b>&l

87、t;/p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　while(temp!=0xf0)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　temp=P3;</b&g

88、t;</p><p>　　temp=temp&0xf0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　display(key);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p>

89、<p><b>　　P3=0xfb;</b></p><p><b>　　temp=P3;</b></p><p>　　temp=temp&0xf0;</p><p>　　if(temp!=0xf0)</p><p><b>　　{</b></p&g

90、t;<p>　　delay(10) ;</p><p><b>　　temp=P3;</b></p><p>　　temp=temp&0xf0;</p><p>　　if(temp!=0xf0)</p><p><b>　　{</b></p><p>&

91、lt;b>　　temp=P3;</b></p><p>　　switch(temp)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　case 0xeb:</p><p><b>　　key=8;</b></p><p><b>　　b

92、reak;</b></p><p>　　case 0xdb:</p><p><b>　　key=9;</b></p><p><b>　　break;</b></p><p>　　case 0xbb:</p><p><b>　　key=10;<

93、/b></p><p><b>　　break;</b></p><p>　　case 0x7b:</p><p><b>　　key=11;</b></p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　}<

94、;/b></p><p>　　while(temp!=0xf0)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　temp=P3;</b></p><p>　　temp=temp&0xf0;</p><p><b>　　}</

95、b></p><p>　　display(key);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　P3=0xf7;</b></p><p><b>　　temp=P3;&l

96、t;/b></p><p>　　temp=temp&0xf0;</p><p>　　if(temp!=0xf0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　delay(10) ;</p><p><b>　　temp=P3;</b></p

97、><p>　　temp=temp&0xf0;</p><p>　　if(temp!=0xf0)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　temp=P3;</b></p><p>　　switch(temp)</p><p&g

98、t;<b>　　{</b></p><p>　　case 0xe7:</p><p><b>　　key=12;</b></p><p><b>　　break;</b></p><p>　　case 0xd7:</p><p><b>　　k

99、ey=13;</b></p><p><b>　　break;</b></p><p>　　case 0xb7:</p><p><b>　　key=14;</b></p><p><b>　　break;</b></p><p>　　cas

100、e 0x77:</p><p><b>　　key=15;</b></p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　while(temp!=0xf0)</p><p><b>　　{

101、</b></p><p><b>　　temp=P3;</b></p><p>　　temp=temp&0xf0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　display(key);</p><p><b>　　}</

102、b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void main()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　P0=0;</b></

103、p><p><b>　　dula=1;</b></p><p><b>　　dula=0;</b></p><p><b>　　P0=0xc0;</b></p><p><b>　　wela=1;</b></p><p><b&g

104、t;　　wela=0;</b></p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　matrixkeyscan();</p><p><b>　　}</b></p><p><

105、;b>　　}</b></p><p>　　4.3.2冒泡排序與數(shù)字濾波程序</p><p>　　對所有相鄰的元素進行比較，使關(guān)鍵字小的數(shù)據(jù)向上移動，就像水中的氣泡向上冒出一樣，而關(guān)鍵字比較大的數(shù)據(jù)向下移動，這種排序方法稱為冒泡排序。</p><p>　　數(shù)字濾波是指，通過一種算法排除可能的隨機干擾,提高檢測精度的一種手段，又稱軟件濾波。數(shù)字濾波的優(yōu)

106、點是無需硬件，可靠性高，并且不存在阻抗匹配、非一致性等問題。只要適當改變數(shù)字濾波程序有關(guān)參數(shù)，就能方便地改變?yōu)V波特性，因此數(shù)字濾波使用時方便靈活。</p><p>　　以下是一段以10個數(shù)據(jù)為例的冒泡排序以及數(shù)字濾波程序。</p><p>　　#include <reg51.h></p><p>　　#include<stdio.h><

107、/p><p>　　#include<math.h></p><p>　　char filter() </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　char value_buf[10]; </p><p>　　char count,i,j,temp; </p>

108、<p>　　char sum=0;</p><p>　　for ( count=0;count<10;count++) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　value_buf[count] = get_ad(); </p><p><b>　　delay(); &l

109、t;/b></p><p><b>　　} </b></p><p>　　for (j=0;j<10-1;j++) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　for (i=j;i<10;i++) </p><p><b>　　

110、{ </b></p><p>　　if ( value_buf[i]>value_buf[j] ) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　temp = value_buf[i]; </p><p>　　value_buf[i] = value_buf[i+1]; </p

111、><p>　　value_buf[i+1] = temp; </p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　} </b></p><p>　　for(count=1;count<10;c

112、ount++) </p><p>　　sum += value[count]; </p><p>　　return (char)(sum/10-2);</p><p><b>　　4.3.3查表程序</b></p><p>　　為了減少計算的工作量，采用事先列好表格，將各種情況的數(shù)據(jù)存放在固定空間內(nèi)，通過查表得方式獲得功

113、率因數(shù)值。為了方便查詢，查表時采用基址+變址的方式進行，以下是以10個數(shù)據(jù)為例的查表程序。</p><p>　　#include <reg51.h></p><p>　　#include<stdio.h></p><p>　　#include<math.h></p><p>　　#define uint u

114、nsigned int</p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　void comm_init()</p><p>　　{SCON =0x52;</p><p>　　TMOD=0x20;</p><p>　　TH1=TL1=0xfd;</p><

115、p><b>　　TR1=1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void main()</p><p>　　{char sgn;</p><p><b>　　uint dgr;</b></p><p>　　uint

116、 code sin_tab[ ] =</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　10000, 9994, 9976, 9945, 9903,</p><p>　　9848, 9781, 9703, 9613, 9511</p><p><b>　　}</b></p

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

118、p = 2,dgr( 0 -360 ) = ?”);</p><p>　　scanf(“%u”,&dgr);</p><p>　　if(dgr>=180)</p><p>　　{ dgr-=180;</p><p>　　本章是本次設(shè)計的關(guān)鍵，列出了詳細的程序流程圖并進行了說明，針對典型程序，給出了相應(yīng)的程序代碼，實現(xiàn)了總體設(shè)計與

119、硬件設(shè)計的部分內(nèi)容。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本設(shè)計是基于單片機AT89C52的集中式無功功率補償器的軟件設(shè)計。由于軟件設(shè)計是在總體方案與硬件電路設(shè)計的基礎(chǔ)上展開的設(shè)計，文中首先介紹了補償器的總體設(shè)計思路及單片機與各芯片的接口電路?？傮w方案中主要介紹了系統(tǒng)設(shè)計框圖，設(shè)計原理分析，部分參數(shù)計算以及算法的適當簡化方法。硬件設(shè)計部分主要

120、介紹了單片機與各芯片的接口電路，各芯片主要引腳的功能與用法，以及各芯片的端口地址分配。附錄中給出了功率因數(shù)的查詢表格及單片機與各芯片的接口電路接線圖，使得設(shè)計思路更加形象直觀，易于理解。</p><p>　　軟件設(shè)計是本文的重點，是在前兩部分的基礎(chǔ)上進行的。文中首先對整個程序的設(shè)計思路及大致流程進行了簡要闡述，然后根據(jù)設(shè)計思路進一步擬定各程序流程圖。為了讓讀者更加清楚地了解本設(shè)計的具體思想，特將程序流程圖盡量細化

121、，同時也便于程序的編寫。根據(jù)程序各部分的重要性并結(jié)合流程圖，文中列出了部分模塊的程序代碼。但由于作者本人所學(xué)知識有限，加上設(shè)計時間也有一定的限制，所編寫的程序還存在許多不足之處，希望可以在今后加以完善。</p><p>　　理論上來說，經(jīng)本設(shè)計中的無功功率補償器補償后的系統(tǒng)功率因數(shù)將提高到0.95以上，達到國家規(guī)定，但具體情況還有待實踐的進一步證實。</p><p><b>　　

122、參考文獻</b></p><p>　　[1]Nabae, I Takah ash, i AkayiH A New N eutral-point-clamped PWM</p><p>　　Inverter. IEEE Trans. Ind. Applicat,1981,vo.l 17,no.5: 518- 523.</p><p>　　[2]N Cela

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124、t;p>　　[3]LM Tolbert,T G H abetler. Novel multilevel inverter carrier- based</p><p>　　PWM methods IEEE Trans Ind Applicat ,1999,vol 35,no.5:1098-1107.</p><p>　　[4]Ramasamy Natarajan. Power Sys

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