无功补偿控制器软件部分毕业设计

1、无功补偿控制器软件部分毕业设计目 录abstract 3摘要4第一章绪论51. 1课题介绍51.2国内外研究景况513总体方案6第二章测量原理711功率因素的确定71.2交流采样813电压电流的计算9第三章硬件部分103.1单片机的选择（控制单元） 103. 2 a/d转换技术133. 2. 1 a/d转换概念133. 2.2 8098内带a/d转换器 143. 2.3次比较型a/d转换器153.3集成稳压163. 3. 1桥式整流电路163. 3.2滤波电路173. 3.3线性稳压器78xx, 79xx的运用183.4检测部分193. 4. 1电压检测193. 4. 2电流检测203. 5执

2、行部分213. 5. 1控制电路233. 5.2补偿电力电容器4/y型的选择 23353电力电容器的故障243. 6相位数字化测量253. 6. 1相位测量的基木原理263. 6. 2 功率检测2837显示端303.8控制电路 323.9系统时钟343. 10复位电路35311硬件抗干扰35第4章软件部分384.1相位差计算子程序流程图（图4. 1 ） 404. 2控制子程序流程图（图4.2 ） 404. 3余弦函数子程序 4044软件抗干扰设计40结束语42参考文献44致谢45附 录46a bstract本文介绍了无功功率自动补偿控制器。其主要面向220v工 业电力网。实验基于单片机8098

3、的运用来对所采样的电压和电流 进行测量和比较，并进行相应的补偿，结果通过四个led数码管 显示出来。本次以16位8098单片机为核心，其中运用到单片机8098中 的a/d转换的单元，可编程高速输入端口单元，以及监测单元看 门狗系统。本次设计的硬件部分由四个部分：检测部分，控制部分，执 行部分，单片机部分组成。在检测部分中肓接采用了交流采样， 将得到的信号送入主控部分，再由单片机进行处理，最后由显示 单元显示。关键词单片机8098 a/d转换电力电子器件无功功率第一章绪论1.1课题介绍电力系统中，无功功率主要用于电路内电场与磁场的交换， 并用以在电气设备中建立和维持磁场的公路。无功功率对外不作

4、功，只是转化成其他形式的能量。凡是电磁线圈的电气设备，要 建立磁场就要消耗无功功率。由于他不对外作功，故又叫无功功 率。无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统能量，电压质 量，降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的部分。在电力系统 中，无功要保持平衡，否则，将会使系统电压下降，严重时，会 导致设备得不到充分利用，促使网络传输能力下降，损耗增加。 因此，解决好网络补偿问题，对网络降损节能有着极为重要的意 义。1.2国内外研究景况无功功率近二、三十年代来，由于大变电站和起高远距离 线路的建成，变压等级的增加，使电网的无功功率消耗比例口益 增大。美国主网的功率因素已接近于1,原苏联的法规定功率因 素

5、大于0.9,日木战后大力提高功率因素，以度过供电难关。我国 电力工作部门过去对无功问题不够重视。近年来，电力工业部办 法了有关条例，并着手研究解决无功补偿方而的有关问题，尤其 是在提高电力电容器制造质量和新产品制造等方面，无功功率不 足的问题，已逐步得以改善。对于一般工业用户而言，要求功率 因素为0.85,即供应每兆瓦时有功电量，则免费供应电量为 619kvaro这种搭配比例己不适应大电力系统的发展，因为大电网 的起高压输变电设备，输送无功的损耗很高，并且随负载波动变 化很大。要考虑自动调整的无功补偿。目前，就我国农村和城市 的生活用电而言，电量不断的增长，但民用电器的功率e因素很 低，因此，

6、供电部门和政府有关部门应对民用电器生产实行严格 的监督，要求cos©应对不低于0.95,否则将不颁发产品合格证。 在我们的设计中，补偿要求是cos"应不低于0.9。1. 3总体方案采样方法：1）在一个交流采样周期20如屮，采样点一般为大于12,精 确度较高。在这里，我们进行软件多次采样，采样点不断的循环 逼近波峰值并以次计算出所采屯压电流的有效值。2）在一个显示周期is中，经过50个采样周期，将每一个采 样周期所采的电压电流有效值计算出平均值。显示方法：用led七段显示，在接口处设按钮开关，可以控制显示电路 的功能选择。依据按的次数不同依次显示：电压，电流，和功率 因数，并

7、可以自动复位。投切方法：单片机8098芯片输出端，当需要投切时输出为1,接通相应 的继电器。通过继电器与之相匹配的触头，来控制投切端的电力 屯容器的投切。屯力屯容器并联保护装置的发光二极管用以放电 保护。单片机选择：选用带自动监测系统wtd, a/d转化器以及高速可编程输入输出口的16位微机芯片。第二章测量原理11功率因素的确定电力网除了要负担用电负荷的有功功率p,述要负担负荷 的无功功率。有功功率无功功率以及视在功率之间存在下述关系 即s=w+q2 ,而2 = cos0 被定义为电力网的功率因s素，其物理意义是在线路的视在功率s供给有功功率的消耗百分 比。在电力网中运行。我仍希望功率因素越大

8、越好。这样可以减 少无功功率的消耗，屯路屮的大部分都被用于供给有功功率。功率因素是衡量交流设备做功情况的重要参数。它的大小 决定于相位差0。0越大，cos。越大。当0二0时，电路为纯电阻 电路，cos = l。但在工业中大多数都是电感性负载，如电动机等, 使得相位差是（p=90°,功率因素会很低。当负载所需功率p一定及供电电压u 定吋，负载的功率 因素cos0越低，电源供给负载的电流i越大。这样，使输电线上 的损耗增大，线路屯压降增大，不但影响供电质量，而且还多占 用电源容量，对节能和充分利用电源的生产能力不利。在电路中 功率因素的提出，起主要因素是0, ©是电压与电流之间

9、的超前 滞后相位差。在三相负荷平衡时，ua与厶的相位夹角是阻抗角，： 如下图所示我们要测的脚是匚和u之间的夹角0。当他足够小的时 候，cos。接近于1,满足我们对功率因素大于等于0.95的要求； 当相位差偏大，从而使功率因素在(0-0.95)之间，则需要补偿。 这是我们本次设计的目的。cos0检测原理图1.2交流采样在采样z前首先要确定一个周期内采样的次数，系统的精度 很大程度上由采样次数决定。采样次数越多，精度越高，但同时 也要考虑单片机执行指令时间及程序运行时间。香农采样定理指出：如果模拟信号，包括噪音干扰在内，频 谱的最高频率为人ax，只要按照采样频率f>2 /max进行采样，那么

10、 采样信号y就能唯一的复现y所必须的最低采样频率。实际运 用中，常取f>(5-10) /max,甚至更高。目前，电力运行参数为50hz的公频量，即三相电流，电压 的一个周期为20ms (工频360°) ,1ms对应的角度为18°,l“s对应的角度为0.018°.根据采样定理，电力系统中采用的是12点采样，即每隔1.667抄,对三相电流电压同时采样一次。通过对我国 电力电网的分析，只要对电网电压和电流信号每个周期均匀采样 16个点以上就能满足测量要求。所以在本设计系统采用一个16 点的周期样。13电压电流的计算将电压的有效值：u二曲皿离散化,以个周期内有限个采

11、样电压数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数值,则有式中at7 相邻的两次采样时间间隔s第m个时间间隔的电压采样瞬时值n个周期的采样点数若相邻的两次采样的吋间间隔都相等，ah为常数at,考虑至ljn=t/at + l ,则:同理，也可以根据一个周期内各采样瞬时值及各周期采样点数计算电压信号有效值的公式:/,瞬吋电流值第三章硬件部分3.1单片机的选择（控制单元）测量控制方面的应用与测量仪器方面的应用的主要区别是， 前者不但要有检测处理任务而且还应能根据测量的计算结果快速 的在线完成控制任务，而后者无需快速在线的输出控制信号。测 量控制应用要求单片机要有定时数据采样功能和实时输出控制功 能，而8

12、098单片机可满足上述应用要求，在工业过程控制应用中 可实现数字式单回路/多回路调节器的功能，实现对工业过程的闭 环调节控制，能稳定生产过程中各重要参数设定值，使生产逼近 最佳的工况状态。8098单片机的高集成度，高性能价格比和高抗 干扰能力使mcs-51系列单片机相形见，。尤其是他组成智能化 仪器仪表时，集测量，控制，处理，记录，显示于一体。luf0 luf4vtofm ?w ti玄內4fee61t7x?ctauem內2<tal2w 1w 0pi q炬化1pi回4pzsp3 4icws“ 3必2出1p2 0rsn人leresetwr rdvcc8098管脚图在比较8098与mcs51系

13、列时发现：8098硬件结构具有很 多明显的优势，它具有以下功能：1）17位计算逻辑单元对与其配合的256个字节的片内寄存器组合可直接进行操作。这些寄存器全都具有累加器的 功能。从而提供了高速的数速处理和频繁的输入输岀功 能，取消了累加器的瓶颈效应。2）高效的指令系统：8098可进行高速算术运算，16位加法 只需l“s即可以完成。16位乘法和32位对16位的除 法也不过用6.25“s这是mcs51无法与之相比的。3）四通道10位a/d转换器。当晶振为12mhz时，a/d转 换时间为22“ s。4）可编程高速输入/输出hsioo高速输入器可用内容定吋器1作时钟来记录外部事件发生的时间，一共记录8个

14、事 件；高速输出可以按预定时间去触发某事件，并可根据需 要挂号18个事件。所谓高速，是指一旦对高速输入/输岀 机构编程后，它便可自动完成上述功能而无需cpu的干 预。当晶振为12mhzw，其测量或产生脉冲的分辨率为2/so5）八个屮断类型包括有20个屮断源。每个中断类型分别对 应各自的中断向量。6）全双工同步/异步串行口。与mcs-51系列单片机一样有 四种操作方式，可方便把实现i/o扩展，多机通信与crt 终端等设备进行通信等。7）可用以作为d/a转换的脉冲调制输出pwm。它可以直 接驱动某些电机，也可以经过外部积分电路作直流输出。d/a转换的分辨率是8位。当采用i2mhz晶振吋，其脉 冲周

15、期为64“ s8）十六位监视定时器wdt。当用户系统的软，硬件发生故 障时，wdt可以使用用户复位重新启动用户程序。9）两个16位定时器，定时器1在系统中作为标准时钟。不 停的对内部时钟脉冲进行循环计数。定时器2主要用于对 外事件计数。10）四个软件定时器。它们均受高速输出机构hso的控制。 通过程序可使hso在预定吋间产生中断。每当预定的吋 刻己到。hso单元便把软件定时器标志置1,并出发软件 定时器的中断。11）芯片配置寄存器ccr8098可以通过ccr的设置对总线 控制信号的定义进行选择。并对就绪控制安排有若干运行 方式。从而提高了总线的灵活性，减轻访问慢速器件时对 片外硬件的要求。上述

16、性能使8098成为8位微控制器工业中无与伦比的高级产 品。也由于它的这些性能，自带a/d转换器，可编程高速输入/ 输出口 hsioo故，按照本次设计的需要，我们决定用8098单片 机芯片来完成。3. 2 a/d转换技术 3. 2. 1 a/d转换概念a/d转换电路的转换精度主要包括两个方面，一是分辨率， 二是转换谋差。分辨率主要反映a/d转换电率对输入微小模拟量 的敏感程度，也就是最大与最小模拟量z间可以用多少个编码来 表示。一般用输出数字量编码的位数n来表示。例如，对于0 iv之间的输入模拟电压，如果用3位的二进制编码表示，a = 2/7 v ；用4位的二进制编码编码表示， = 2/15v。

17、可见，编码位 数n越大，对输入模拟量的表示越细微，分辨率越高。但是，编 码位数越多，编码的存储和处理工作任务越重。在工程实际中， 应具体问题分析，合理地选择编码位数。由于模拟电压值与量化值之间存在量化误差，因此a/d转换 电路的精度还与量化误差，量化误差越大，转换精度越低。因此, 应尽量采用量化误差小的量化编码方案。按照前面对线性编码方 案的讨论，较好的编码方案其来年规划课差一般为 土二土一,即±1/2lsb （lsb为低编码位表示的值，2 2 1即最小量化单位）.a/d转换电路的精度还受电路中各元器件参数的影响，因此 要求参考电源匕财要稳定并选用增益稳定且漂移小的运算放大 器。3.

18、2.28098内带a/d转换器单片机8098中有自带a/d转换器。8098片内集成模拟采集 模块，如图所示。该模块包括一个四通道的模拟多路转换开关， 采样保持电路以及10位的模/数转换器。8098由a/d命令寄存器 ad-command选定某一模拟通道，通过模拟釆集模块对输入的 模拟信号进行采样和保持，并将其转换成数字信号存入a/d结果 寄存器adresult中。8089单片机一次a/d转换只能是对于其所选定的一路通道,8089 可以选择四路通道（ach.4、ach.5、ach.6、ach.7）中 的任意一路。另外，a/d转换时间固定为88个状态周期，其中包 括4个状态周期的采样时间，当采用1

19、2mhz晶振时，a/d转换 器完成一次转换所需时间为22“ s。8089的a/d转换器采用的是逐次比较方式来完成模拟/数字 信号的转换，其内部共有1024个内部基准电压与模拟输入信号进 行比较，结果产生10位二进制码（2|°=1024个不同代码）的数 字信号。8089的a/d转换结果是单调式的，且为不丢失码。所谓单调 性，是指若模拟输入电压有所变化。甚至是微小的变化，那么， 转换后的数字输出不是原值不变，就是沿着与模拟量变化的同一 方向变化。所谓不丢失码，是指对每个10位输出码，都有一个仅 仅产牛这个输出码的惟一输入电压范围，也就是说，1024个输出 码中，没有一个是不存在的。a/d

20、转换器的模拟输入电压必须在0尸（通常v只卜屮=5v ）之 间。当输入电压为匕“（05v）吋，a/d转换器输出的数字量d 为d = 023xj 一 angndvref angnd3.2.3次比较型a/d转换器逐次比较型a/d转换器电路的基本工作原理是，当“开始转 换”信号有效后，计数电路在脉冲信号的控制下，送给数据寄存 器初始的比较数据，该数据经由数据寄存器输出到d/a转换电路, 转换为对应的模拟屯压，输入模拟信号与d/a输出的模拟信号相 比较，如果不相同，则控制计数电路进行递增计数。计数电路的 输出数据再次经由数据寄存器送入d/a转换电路，再次与输入模 拟信号比较，直到比较器输出为0 （输入信

21、号幅度相同），这时停 止计数，发出转换结束信号。同时，当前数据寄存器输出端的数据送到输岀寄存器。由于其对模拟信号的量化过程靠依次对每个 量化值进行比较判断，因此逐次比较型a/d转换电路需要一定的转换时间，其特点是转换速度较慢。 x(t)逐次比较型a/d转换电路的基本结构3. 3集成稳压整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主 要是靠二极管的单向导屯作用，因此二极管是构成整流电路的关 键元件。3. 3. 1桥式整流电路工作原理：图中7；为电源变压器，它的作用是将交流电网电 压绚变成整流电路要求的交流电如=v2v2 sinot ,心是要求直流 供电负载电阻，四只整流二极管接成电桥形。v

22、z =空匕=0.9°71电压电网3. 3. 2滤波电路工作原理：用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电 抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器c,或与负载串 联电感器l,以及由电容电感组合而成的各种复式滤波电路。 由于电抗元件在电路中有储能功能，当电源电压低时，并联 的电容c就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容 c具有平波的作用。电容器滤波主要用小功率电源中。单相 桥式整流，电容滤波电路整流元件只在受正向电压作用下才 导通，否则就截止。在电容c两端的情况：设电容器两端初始电压为零，接 入交流电源后，当比2为止半周期时，冷通过。和0向电容 器c充电；为负半周期经过2和2向电容器

23、充电，充电 时间常数是r = /?inlc,其中心包括变压器副绕组的直流电阻 和二极管d的正向电阻。由于他很小，一般电容器可以很快 的充到交流电压的最大值血匕。由于电容无放电，所以 输出的是一个恒定的直流。3. 3. 3线性稳压器78xx, 79xx的运用78xx/79xx系列是常用三端固定电压集成线性稳定 器，78xx系列为止电压输出稳压器，79xx系列为负电 压输出稳压器。7805表示输出正电压+5v, 78表示输出 正电压+12v, 79表示输出负电压为-12vo若稳压器输 出端与滤波器有一定距离时，为保证电路的稳定性必须加 接一制并联电容g ,其值约0.330。改善稳压器的瞬态 响应也

24、须在输出加接一只并联电容c?,其值约0.1 “f。 这样输出的电压就是一定的了。78xx系列稳压器的基本接法木次设计选择的恒流源如下图所示，通过对单相桥式整流电 路和78xx, 79xx稳压器的联合运用进行稳压。3.4检测部分 3.4. 1电压检测由于微机输入电压信号的接受范围是(05v)。匕输入范围为(12v12v)，计算图中所示的电阻: 滑动变阻器在中间位置，可供左右滑动。即&3 = &3二&3化/ 且尺8 =尺8由于运算放大器虚短及虚断的原理，u=u =0v,u.= u5在闭环电路中，z, = 0a , z2 = oa运放al处：则有关系vu _u-u2r9&am

25、p; i&4 +尺3运放a2处，由于虚短虚断有关系式:尽7 +尺18r9 +尺8且满足关系当 v,. = 12v 口v4=5v当匕=12gv4=ov12v-(76 _ u6 u6-u3/" 7f 十 设定电阻：/?,=1k/?14=ik /?1o=1kr戶 k/?i6 = 1k/?9=iok可以推出：尺3=2k心=25k3. 4. 2电流检测将电流转换成电压，其原理和电压检测原理相同:在输入中，u = u2=0v由于运算放犬器虚短虚断原理故有:zooa通过简单的运用电压电流关系u 二 ri可以把电流i转换为电压u。3. 5执行部分对无功功率补偿，我们用的方案是电力电容器的投切

26、，并保 证电容器的安全经济的运行。从安全的角度讲，要求控制装置具 有防止电容器面受过电流，过电压的袭击；从可靠的角度出发， 则要求控制的动作正确，耐用；从经济的角度岀发，则要求控制 具有较高的投入率，防止过补偿现象。一般现行的控制装置大体 上分为四种类型：电压控制型，时间控制型，功率硬实控制型， 兼而有之混合型。在此我们用到的是：功率因素控制型。超前匚，即与厶之间是感性阻抗时，且功率因素大于0.95,此时，电路无需无功功率补偿，结果直接输 出。 ua超前厶，即ua和厶之间是感性阻抗，但功率因素在(00.95) z间，此时电路需要投入电力电容，进 行无功补偿。 滞后/4,即人与"a之间

27、是容性阻抗。此时，由于余弦函数cos。在。(-90° 90°)始终大于0。在范围(01),此时，无论cos。为何值都要进行保护切除。 卩人超出了额定电压1.1倍，电力电容进行过电压保护，自动切除。进行投切要注意：容易发生投切震荡现彖所谓“投切震荡” 是指在某些负荷的条件下，若投入一组电容器，则功率因素超过 规定的上限，而切下了这组电容器，功率因素又低于了下限，因 此发生反复投切现象，发生这种现象一方面与电容器的分组数及 容量有关，另一方面也与控制器的功率因素上,下限设置范围 以 及调节时间有关。本方案的选置上，我们运用了八个电容器，进行八次切投， 以免发生过补偿及补偿未及的

28、情况，功率因素的范围也相对宽松。 在（0.951）的范围内。而电容器的选择，依据电路需要，选择 容量。有控制器多数采取“顺序投切”方式。在这种投切方式下排 序在前的电容器组。先投后切；而后而的却后投先切。这不仅使 处于前面的电容器组经常处于运行状态，积累热量不易散失，影 响其使用寿命，而且使后面的投切开关经常动作，同样减少寿命。 合理的投切方式是“循环投切”，这种投切方式便先投入运行的电 容器先退出，后投入的后退出。从而是各组电容及投切开关使用 几率均等，降低了电容器组的平均运行温度，减少了投切开关的 动作次数，延长了使用期限。执行部分电路图3. 5. 1控制电路线路接触器k ml和反接制动接

29、触器km11不允许同时工作。 须加互锁。km11的线路中已有km1的常闭触点，只需在km1 的线路中串入km11的常闭触点。这样就构成了接触器互锁。其 中km1是接触器km1的主触头，接在高压执行端。km11是反接制动接触器km11的主触头。sa为互锁开关其 中sa', sa"互为反相触头。可供人为选择是机动还是手动操作, 当开关打在sa'端时，是机动操作，当开关在s/t档位时，是手动 操作。在微机控制需要功率补偿吋，单片机8098输出一个投入电 力电容器的信号吸合继电器ka1,则常开的触头ka1关闭，继 电器km1通电，。其在执行端的主触头km1自动接通，电力电 容

30、器自动投入。其辅助触头km1自动断开，互锁反相制动继电 器km11断电。当需要切除电容时，由于继电器ka1断开其触头 ka1自动处于断开状态，继电器km1断电，触头km1自动断开, 反相制动接触器km11被锁住。执行端的白炽灯被导通，进入放 电保护环节。3. 5. 2补偿电力电容器4/y型的选择如果异步电动机定子脱离电网，又希望它能发电，则必须在 异步电动机定子三相接上连接成三角形或星形的三组电容器。这 时电容器组可补偿异步电动机发电所需的无功功率，即供给建立 磁场所需要的励磁电流。据电动机额定线电压（av时，电动机的励磁电流近似为/。，而流 过电容c的电流为/0/v3的条件选择）。c 二 1

31、306v3 2研5式中c接成三角形时每相电容量（“）；/（）电动机的励磁电流（a）,可由试验测得，或者取二0.3/“，厶为定子额定电流。电容器也可接成星型，此时每相电容器的选择c _v3 zox1q6"t un由两式比较可以知道r=3c,故，在电容器电压允许的条件 下，异步发屯机定子端的屯容器接成三角形较为经济。结论：在补偿端，我们也将电力电容接成三角形。3. 5. 3电力电容器的故障（1）内部故障：一台电容器的箱壳内部，有若干电容元件 并联和串联组成。电容元件极板之间的绝缘在高电场强度作用下, 在薄弱环节处首先产生过热，游离，直到局部击穿。个别元件的 击穿，与之并联的诸电容元件均被

32、短路。与之串联的电容器件电 压升高，有可能引起新的元件击穿，剩余电容元件上的电压更高, 产生恶性连锁反应。（2）电容器外部相间和接地短路：电容器和断路器之间的 引线，绝缘子，套管间可能发生相间或接地短路，对被短路的回 路中诸设备产生热和力的破坏。（3）电容器的过电压：电容器只允许在1倍工频电压下 长期运转。电容器内部有功损耗pr=cocu2tg3, 见电压增高时, 匕和相应的电容器内部温度增高很快，影响电容器使用寿命，严 重时将击穿。（4）电容器的失压：电容器因故失压仍接在系统中，当再 次给电压时，电容器的残余电荷可能使电压超过1.1倍额定电压; 可能因变压器带屯容器合闸产生谐振过屯压；空载变

33、压器因电压 较高，也能造成电容器过压。3. 6相位数字化测量相位是交流信号的重要参数，相位测量不仅广泛的应用于在电 力，通讯等领域。而且有些非电量通过传感器变换成为相位信号 进行测量。随着科学技术的发展。对相位测量的精度要求越来越 好，相位的数字化测量具有精度高，速度快，频带宽等特点。图3.6.1为过零鉴相测量相位的原理框图。3. 6.1相位测量的基木原理相位的数字化测量主要米用过零鉴相法。如上图和波形图,放大整形具有久相位差的两个同频率正弦信号巴与爲，经过放大,整形后变成方波，其前后沿分别对应止向过零点和负向过零 点。可以用两信号波形过零的时间差来表示相位差的大小。设两个频率信号的周期为t,

34、相位差为狄，两信号波形过零的时间差为厶则，存在下列关系式t360"zx0xy=-x360°即可以通过测出的周期t及相差时差厶，而求出相位差ox。 在线路a相装设一个毫安级的专用电流互感器ct,经电位 计和电阻将电流互感器的输入接入运算放大器74ls324的输入 端。而且在该输入端还并入两个正反向限幅二极管，如此，可检 测a相电流匚 线电压ubc经变压器耦合连接到另一个运算放大器的输入 端。这样，便把电流匚和电压匕c的正弦波转化为方波，因此， 两个运算放大器构成波形转换环节。由于接入单片8098机芯片中的iiis1和11is0可编程高速输入 /输出口时，需要接入电压与电流的方

35、波，以便于比较相位差。故 在运放输入端口与地之间接入限压二极管g。3. 6. 2功率检测分为两种情况检测电压方波超前于电流方波相位检测电 流方波超前于电压方波相位。下面分别就这些情况进行讨论：当检测电压方波超前于电流方波相位取样采样周期ab其中电压与电流计数分别是上升沿和下降沿，则在厶中，经过三个计数心3,分别是u的上升沿和i的下降沿及u的另一个上升沿的触发时刻的记录：由图知：t= , at二/厂斤第二种可能采样形式为7；，即采样周期中第一个计数脉冲为i的下降沿如图所示，则有：t3 1 3 2 2采样周期与上相似取刀炳，有两种可能厶3取u的上升沿处，则在采样周期屮，经过的三个计数时间g t2

36、t3第一个时间记录是电压上升沿在刀炳去在i的下降沿处，则在采样周期中，心是i的第一个 下降沿计时时间。由图知有：且有孤二牛x 360°可以判断电压u与电流i的相位关系，当8098单片机高速 输入输出口检测到采样周期中第一个计数脉冲由接电压方波 hsi0 口输入，则自动循环到公式t二心-厶at = r tr-,2 2 如检测到采样周期中第一个计数脉冲由接入电流方波的hst1 m 输入，则自动循环到计算公式t二3-|,at = r3-y o当m0则表示电压相位超前电流，当m 0则表示电压滞 后电流相位。3. 7显示端 8098最小系统及外扩存储器电路:扩展存储电路中还采用了一片74ls3

37、73 （8d数据锁存 器），用来完成下8位复用总线地址分离后的锁存工作。用 ale作为该锁存器的地址锁存允许控制信号，在ale信号的 下跳沿锁存控制有效，将总线低8位的地址送入74ls373, 并同时在它们的输岀端给岀被锁存的地址信息，2764为eprom型8kb多次可编程只读存储器，作为程序存储器。 其工作原理：当系统上电后，经过一段时间的稳定，进入复 位序列完成系统工作前的初始化任务。接着按照spc所指定 的存储单元去取指令，由小，刃口给出要取的指令地址，在ale信号有效且下跳沿时刻保存8为地址。斤万有效时按着a 九提供的地址去读eprom芯片的相应单元，在rd± 跳时刻将所读出

38、的数据经p. 口送往palu单元。数据从p.出 来后，通过两个由芯片74ls138片选而进入两个74ls273芯片锁存，并经过译码，从四个led显示 屏输出。55m壮it3.8控制电路i,14u101%iti，14217数据信号从单片机8098复用输出端口人和马输出，通过74ls273,八位锁存器锁存，当需要投入电力电容器补偿时，将相应的管脚输岀置位为1,则导通相对的继电器。从而使继电器 在执行端的常开触头闭合，以打倒微机对电力电容器投切。若微机检测发现需要对第一组电容进行投入，贝ij,mc1416芯片的第十六号管脚（即要投入电容对应管脚） 输岀为高电频1,继电器通电。即，芯片输出为00000

39、001 o 微机继续循环检测，当查询结果依然需要投入第二组电 力电容器，但第一组并为切除。此时需要输出控制信号 为0000001 k我们用到的控制方式是“左移法”。将第一 组的投入结果00000001存入寄存器，并将之左移一位到 000000010,并把结果与存入的结果相“ii”计算如下：00000001| 000000 1 000000011此时输出的控制信号将第一组和第二组继电器均导通，使对 应的两组电力电容器均投入补偿。与上面相同，当微机检测出需要切除一组或多组电力电 容器的时候，将第一组电力电容器所对应的继电器断电（即将其相对应的管脚输出低电频0）。微机继续循环检 测，但检测结果表明依

40、然需要切除第二组电力电容时， 我们用到的方案依然需要左移法。我们现在需要切除第 一组电力电容，则输出的信号为11111110,若需要切除 第二组时需要输出的信号为11111100。为得到这个输出 信号，我们运用软件编程，使其输出的信号11111110存入寄存器，并将之左移一位，结果11111101与寄存器内 的存储结果相“&”计算如下：11111110& 1111110 111111100此时，第一组和第二组继电器均在低电频的作用下断电，相 应的电力电容器被切除。3.9系统时钟时钟相当于计算机的心脏，只有心脏工作正常，整个系统才 能稳定可靠的运行。8098单片机要求输入的时钟频

41、率在 6mhz12mhz范圉内产生时钟信号的硬件电路方式有两种，一种 是内部时钟电路方式，另一种是外部时钟电路方式，下面介绍内部 时钟方式：在图中给出内时钟方式电路。该电路由两部分器件组成，一 部分在芯片的内部，既由一个单级反相放大器电路和一个反馈电 阻(r1)构成，另一部分在片外由石英晶体和电容(cl, c2)通 过外引脚xtal1和xtal2,组成一，种完整的谐振冋路。电路的 输出作为系统三相波形发牛器电路的输入信号，经三分频处理后 作为系统的工作时钟。石英品体参数可在6mhz12mhz之间选择。电容(cl, c2) 值虽无严格的要求，但电容值对震荡器输出信号频率的稳定性， 大小和起振的速

42、度有一定的影响，其电容值可在20pf100pf之 间选取3. 10复位电路在图中给出这种复位电路，此电路同时具备两种复位功能， 即上电自动复位和手动强制复位的功能。图中的二极管（4148） 为复位电容在掉电情况下，提供了一条迅速放电通路，这可保证 在掉电与上电之间的间隔非常短（小于通过电阻r放电时间）的 情况下，还能使得单片机正常的复位（即在反复上电的情况下， 也能可靠的完成复位）。8098reset+5v%in4148a33k10/f it t3. 11硬件抗干扰单片机的可靠性是由多种因素决定的，其中系统的抗干扰能力的好坏是影响系统可靠性的重要因素。干扰的渠道主要有：供电系统干扰，过程通道干

43、扰，空间干 扰。干扰的后果：数据采集误差家大，控制状态失灵，数据受干 扰发生变化，程序运行时常，抗干扰方面的有硬件措施和软件措施，也有软硬件结合的措 施。硕件抗干扰效率高，但要增加系统的投资和设备的体积。软 件抗干扰有投资低的优点，但要降低系统的工作效率。硬件抗干扰能力措施：1 滤波技术包括电源滤波和信号滤波。对电源滤波除去可滤去电源电压 中的高次谐波外,还能有效抑制由公共电源内阻形成的寄生耦合。 为此，在每一集成芯片的电源与地之间都接入了一个滤波电容， 起到了较好的抗干扰效果。2 屏蔽技术采取的措施包括i/o信号线使用屏蔽电缆线，外客接地等。 在外电磁场干扰较强的场合，述可对整个仪器屏蔽，即

44、将整个设 备用金属罩或金属盒罩起来。为了增强对共模干扰的抑制能力， 对模拟测量屯路可采用双层屏蔽浮置技术。2 接地在智能化仪器仪表中，地线连接十分重要。如果处理不当， 可能使干扰信号超过有用信号，降低仪器的分辨能力；也可能使 外部干扰信号通过地线窜入微处理器和单片机中，影响系统的正 常工作。处理地线问题，可采用如下办法：a）把模拟地与数字地分开。若要浮置，则两者间的阻抗越大 越好；若要相连，则可采用一点连接技术。b）减少地线电阻，从而减少寄生耦合，尤其是小信号模拟电路应尽可能加粗地线，焊接要良好。c）在情况许可的情况下，尽可能采用一点接地和就近接地。 所谓一点接地就是把多个元器件的接地端接在一

45、起，这样可抑制 地电流通过地线而产牛的寄牛反馈。第4章软件部分图4.24.1相位差计算子程序流程图（图4.1）4. 2控制子程序流程图（图4.2 ） 4. 3余弦函数子程序在求取功率因数时，得到相位差后，将其转换成它的角度， 然后在调用余弦子程序，可以求得功率因数。由于在0丘-9090 时，其余弦值均为非负数，故运用无符号小数计算，自变量x必 须转化成0, 1的小数，才能进行计算。对于弧度值y,自变量x , 满足x二i o7t/2当y二龙/4时，则x应为0.5 （8000ii）；对于弧度值刃2,贝【j x 应为 offffho计算时，利用切比雪夫多项式，把y=cos的泰勒级数缩减 2成如下公式

46、：cos = 1-1. 23245x2+0. 25315x4-0. 0208x62程序见附录4. 4软件抗干扰设计数字滤波方法电力系统的实际运用中，电网存在谐波，述会有各种瞬间干 扰。因此用交流采样方法求取电力参数必须采用数字滤波方法去 除干扰，稳定读数。采用干扰数字滤波方法去除采样值干扰点， 可以将近似值替换采样到的跳动很大的脉冲干扰值。采用防脉冲 干扰平均值数值滤波法求瞬间值。该方法的滤波功能较强，即可 滤去脉冲干扰，也可以滤去小的随机干扰。采用滑动平均值数字 滤波法求平均值。利用单片机内的watchdog单片机内的watchdog也是专为监视系统软件是否运行正 常而设置的器件。当系统进入

47、运行后，即启动wdt工作，一旦 系统由于某种干扰导致程序运行絮乱进入死循环时，指令冗余技 术，软件陷阱技术均不能使控制的程序摆脱死循环的困境。因此, 通常采用程序，即“看门狗”技术。利用“看门狗”技术可以不 断监视程序循环运行时间，若发现时间超过已知循环设定，则认 为系统陷入了“死循环”,然后程序返回到0000h入口，并在0000h 处安排一段出错处理程序，使系统运行纳入正规。指令冗余cpu受到干扰后，往往将一些操作数当指令码来执行，引起 程序混乱。我们可以在一些关键地方人为的插入一些单字节指令 （nop）,或将有效单字节指令重复书写，这就是指令冗余。指令 冗余无疑会使系统效率降低，但在绝大多

48、数情况下，cpu还不至 于忙到不能多执行几条指令，所以这种方法还是合适的。软件陷阱用引导指令强行将捕获到的跑飞程序引向复位入口地址，并 在此处将程序转向专门对程序出错进行处理的程序，使程序纳入 正轨。结束语毕业在即，这次实验是我们毕业前的最后一次考验，同时也 是一次学习和提高的好机会，作好这次毕业设计，将给我们无悔 的大学生活画上一个完美的句号。通过木次实验，我的动手能力提升到了一个新的台阶。在短 短的儿个刀时间内，我这个一个拿到课题手足无措的门外汉逐渐 有系了统思想，并在最后能拿出成熟方案。在刚开始，网络和图 书馆是我们经常去的地方，在那里翻阅别人的，历年的成品资料。 到最终，我们不光可以将

49、他人的精华投入到我们的作品中，还可 以加入自己的一些见解，改进一些不便之处，达到锦上添花，画 龙点睛的效果。在这次设计中，我们将大学四年来所学到的很多分散的，看 似没有联系的知识系统化，统筹化。用于实践的知识是更助于记 忆和存储的，如果不是这次设计，原来很多不常用的知识都正慢 慢淡忘。这也让我们必须正式一个问题，很多知识，我们从书木 上的来的，平时忽略了的，其实在运用中都很重要。在这次设计 中，我们在画原理图时所用到的protel, visio等软件，在以 往都是并不熟悉的，但通过这次设计，我们不但熟识了，而且运 用自如。单片机在大四时也只是做为一门选修课来认识的，如今 在有了这方面的系统知识

50、就发现了它的妙用。当然，有提高的同时，在沾沾自喜的同时，我也深刻的认识 到原来的不足。知识光靠活在内存中是没有用的，关键是看怎么 运用它，能不能把它转化成财富，活学活用的转换成实物。有时 候，纵然你有再充足的理论知识，不会运用，一切都是空的。在 往后，我一定要加强这方面的训练，多多动手。另外，在本次设计中我还有一个很深的体会，那就是团体配 合能力的培养。在一个团体中，光靠某一个人是不够的，仅仅是 一个人很优秀不能成就整个设计的成功，分工合作的最高效和合 理的工作方式。在此，我很感谢排挡的大力配合，和我们的默契 合作，大家在这段时间内都相处得非常愉快。参考文献1 丁毓山.电网无功补偿实用技术中国

51、水利水电出版 社 19972 王培东.8098单片机原理及应用.哈尔滨工业人学出 版社19963 刘复华.8098单片机及其应用系统设计.清华大学出 版社199114康华光.电子技术技术.高等教育出版社1998 于海生.微型计算机控制技术.清华大学出版社1998 黄丽雯.微机原理及应用重庆大学出版社19987 中忠如.丁晖.电气测量技术.科学出版社20028 李新民.8098单片微型计算机应用技术.北京航天航 空大学出版社.19939 徐仁贵.单片微型计算机应用技术机械工业出版社 200010 肖广润.微型计算机原理及应用.华中理工大学199511 李秉操.单片机接口技术及在工业控制中的应用.

52、 陕西电子编辑部199112 白晶微型计算机原理及其运用.哈尔滨工业大学出 版社2003在这次历时四个月的设计期间，我承蒙了來自各个方面的指 导和关怀，支持和帮助。首先我要感谢我的指导老师胡老师，她 在百忙之中无时无刻不在关心着我们设计的进展，带领我们闯出 很多科学的误区，使我们的设计能顺利完成。其次，我也要感谢我的排挡。正是我们的默契配合才有了合 作的成功，在设计中我们都付出很大的努力，也都收获了很多的 知识，增长了见识。还有机房的张老师，及其他老师，他们也给 予了很多默默无私的帮助。当我们有什么难处去咨询或寻求帮助 时，他们总那么耐心而和蔼。对于每一位帮助过我的老师和同学, 在我身边支持我

53、的人，我的心中充满了感激之情。附录1:浮点数加法子程序fbaddld gx, axldb hl, gx+ldb hh, gx+ldb il gx+ldb ih gx+ld tr, bxldb jl, tr+ldb jh, tr+ldb kl, tr+28e0h:取出被加数ldb kh, tr+jbs hl, 7, neg alordr1:andb tsl, hl, #oefhjbs jl, 7, nefa2ordr2：andb tsh, jl, #0efhcmpb tsl, tshje taaddjh onhtwtwhon：subb al, tsh, tsl；hlo 7=1 时，转 nega1

54、；jl。7=1 时，转 neag2:比较两数阶码值;相等，转taadd；tsl> tsh 时，转 onhtw;计算ay?一shpj1：ldb bl, #00hldb bh, ihldb cl, illdb ch, hhldb ysh, chandb ush, #80handb ch, #oefhshrl bx, alshrl bx, #03horb ch, ushldb dh, khldb el, klldb eh, jhldb ytl, ehandb utl, #80handb eh, #0efhshrl dx, #03horb ch, utlldb fl, jlsjmp taaddonhtw：subbal, tsl, tsh:取出被加数尾:数（含尾符）:保存尾符y:被加数尾数右移27；bx缩小8位，防止溢出:（含尾符）保存尾符;dx缩小8倍；