基于單片機的功率補償系統設計畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 容器組 相位檢測 共 9 組 圖 11 控制器總體結構 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） 硬件設計 ８ 2. 硬件設計 對于硬件部分的設計，我本著簡單可靠的思想來設計。本次設計的對象是針對一個電力系統，一切當然以穩定安全為前提。在設計中我盡量精簡所需的單片機 I/O口，這樣使我的設計中所用芯片的 數目得到減少，大大的增加了系統的穩定性，使系統更加安全可靠。 控制面板 對于整個無功補償裝置對其控制的方式有兩種，一種是利用通訊模塊將單片機與上位機相連，通過上位機實現對單片機的遠程監控，從而實現對無功補償裝置的控制，另一種是利用控制面板來實現對單片機的控制，也就是對無功補償裝置的控制。面板控制是利用其他與單片機的匹配的輸入設備直接對單片機控制來實現對無功補償裝置的控制， 要使它功能齊全，操作方便，同時又不繁復，對于面板的設計就顯得猶為重要了 。 以下是我設計的控制面板： 1 2 3 5 6 4 7 8 9 10 2 3 4 5 6 7 圖 21 控制面板外觀圖 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） 硬件設計 ９ 根據設計的功能需要它大體需要有以下幾個功能： 1. 對當前電流電壓及功率因數的顯示 2. 對當前投切狀態的顯示。 3. 對理想功率因數的范圍設置。 圖中各編號功能如下： 1. 電網狀態 LED 顯示：用于顯示當前電壓值，當前電流值，當前功率因數值。 2. 外殼：控制面板主容器。 3. 投切狀態 LED 顯示：用于顯示當前的投切狀態，每一級電容的投切對應一節二極管發光。 4. 按鍵 1：改變電網狀態 LED 的顯示狀態。可使顯示狀態在當前電壓值，當前電流值，當前功率因數之間切換。 5. 按鍵 2：切換到預設功率因數模式，并對 預設功率因數的上限進行設定。 6. 按鍵 3：切換到預設功率因數模式，并對預設功率因數的下限進行設定。 7. 按鍵 4：用于對功率因數進行設定的操作按鍵，每按鍵一次功率因數預設值加 1。 8. 按鍵 5：用于對功率因數進行設定的操作按鍵，每按鍵一次功率因數預設值減 1。 9. 按鍵 6：用于對功率因數進行設定的操作按鍵，每按鍵一次功率因數預設值加 。 鍵 7：用于對功率因數進行設定的操作按鍵，每按鍵一次功率因數預設值減 。 直流穩壓電源電路 在設計中我用到的單片機，運算放大器芯片以及各種芯片都需 要 +5V或 5V的直流穩壓電源來供應電源，而在實際生產中沒有可以直接利用的直流穩壓電源供給，因此我利用 CW7805及 CW7905分別設計 +5V和 5V兩個直流穩壓電源。 [8] 以上為 +5V 及 5V 的電路圖。其中， CW7805 是 能輸出固定的正電壓的穩壓器，CW7805 輸出為 +5V； CW7809 是 能輸出固定的負電壓的穩壓器， CW7905 輸出為 5V。輸圖 22 直流穩壓電源電路圖 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） 硬件設計 １０ 入端接電容 C1可以進一步濾除紋波，輸出端接電容 C0能改善負載的瞬態影響，使電路穩定工作。 C C0最好采用漏電流小 的 電容，如果采用電解電容，則電容量要比圖中數值增加 10 倍 。 電壓電流互感器轉換電路 由 于需要采集電流與電壓值用于計算無功補償量，互感器就是必不可少的了。 互感器與變壓器類似也是根據電磁感應原理工作 ， 變壓器變換的是電壓而電流互感器變換的是電流罷了 。 互感器大致可分為兩類 ： 測量用電流互感器和保護用電流互感器 。 測量用電流互感器 :測量用電流互感器主要與測量儀表配合，在線路正常工作狀態下，用來測量電流、電壓、功率等。測量用微型電流互感器主要要求： 絕緣可靠， 足夠高的測量精度， 當被測線路發生故障出現的 過 大電流時互感器應在適當的 量程內飽和（如 500%的額定電流）以保護測量儀表。 保護電流互感器： 保護用電流互感器主要與繼電裝置配合，在線路發生短路過載等故障時，向繼電裝置提供信號切斷故障電路，以保護供電系統的安全。保護用微型電流互感器的工作條件與測量用互感器完全不同，保護用互感器只是在比正常電流大幾倍幾十倍的電流時才開始有效的工作。保護用互感器主要要求： 絕緣可靠， 足夠大的準確限值系數， 足夠的熱穩定性和動穩定性。 在本次設計中互感器起到了傳感器的作用，即作為測量用的電流電壓互感器，由于此次設計互需要用到二次互感，先利用高壓互 感器對電力系統進行一次互感，再利用普通的互感器對一次互感出的電流電壓進行二次互感，作為因此在以下的選型中我只對第二次的互感器 （即直接焊接于電路板的電流電壓互感器）做 介紹。 二次電流互感器我選擇了 CT0630/5。 CT0630/5 型號定義： CT —— 電流互感器 06 —— 外型序號 30 —— 額定初級電流 30A 5 —— 額定次級電流 5A 1 2 3 V1 V0 地 V1 地 V0 1 2 3 CW7805 CW7905 圖 23 CW7805及 CW7905外觀 圖 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） 硬件設計 １１ 二次電壓互感器我選的是 PT01C2/2。 PT01C2/2 型號定義： PT —— 電壓互感器 01 —— 外型序號 C —— 電流型 2 —— 額定初級電流 2mA 2 —— 額定次級電流 2mA 型 號 I/O 非線性度 相移 RL=0 （補償后） 線性范圍 負載電阻 PT01C2/2 2mA /2mA ＜ % ＜ 5186。 0～ 10mA ≤ 500Ω 隔離耐壓 使用溫度 貯存溫度 相對濕度 ＞ 2500Vac 50℃ ～ 65℃ 60℃ ～ 80℃ ＜ 90% 額定輸入電壓 額定輸出電壓 串聯電阻后 30V～ 1000V 50mV～ 8V（運放輸出） (2mA) 型 號 I/O 非線性度 相移 RL=0 （補償后） 線性范圍 負載電阻 CT0630/5 30A/5mA ＜ % ＜ 5186。 0A～ 50A ≤200Ω 隔離耐壓 使用溫度 貯存溫度 相對濕度 ＞ 2500Vac 50℃ ～ 85℃ 60℃ ～ 95℃ ＜ 95% 表 21 CT0630/5型電流互感器性能 指標 表 22 PT01C2/2型電壓互感器性能指標 圖 24 電壓電流互感器轉換電路圖 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） 硬件設計 １２ 圖中， R 是限流電阻，需要電流信號時，調整 R 的值，使額定輸入電流接近互感器額定電流，調整圖中反饋電阻 R1 和 R2 的值可得到所需要的電壓輸出。電容 C 是 400至 1000pF 的小電容，用來耦合和濾波。當需要電壓信號時，調整圖中反饋電阻 R1和 R2 的值可得到所需要的電壓輸出。該電流互感器是接在主回路上的電流互感器之后。 主回路的電流互感器的變化視實際使用中變壓器輸出的電流而定。當電流較大時，可選用較大變比的電流互感器，一般有 60： 1或 100： 1 等系列可供選用。由于互感器的一個輸出和運放的地連在一起，故共模干擾很小。 圖中所用運算放大器視精度要求而用，使用性能較好的運算放大器較容易達到較高的精度和較好的穩定性。此處選用的是高精度運放 OPA2277。它具有以下特點： ①超低失調電壓： 10μ V； ②超低溫漂：177。 0. 1μ V ； ③超低失調電流：≤ 1nA； ④高開環增益： 134dB； ⑤ 寬供電范圍：177。 2 V ～177。 18V； ⑥具有軌至軌的特性。 OPA2277 具有連續的供電范圍177。 2 V～177。 18V，這使它不像大多數的 OP 系列運放局限于固定的工作電壓。而且軌至軌的特性使其輸出電壓的范圍能跟隨電源工作范圍，這就能在保證輸出電壓的大小的前提下，盡可能的減少工作電壓，達到節能的目的。由于 OPA2277 具有內部補償失調電流的電路，故在使用中不需要在輸入腳上接上補償失調電流的電阻。 互感器的次級連接是電流轉電壓電路，該電路是將互感器的電流輸出信號變換成電壓信號，以符合 CPU采樣信號是電壓信 號的特性。 整流電路 傳感器輸出的交流電通過 整流電路送入 A/D 轉換裝置的輸入端。 整流，就是把交流電變為直流電的過程。利用具有單向導電特性的器件，可以把方向和大小交變的電流變換為直流電。 圖 25 整流電路 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） 硬件設計 １３ 整流電路種類很多，它的分類方式也很多。按組成的器 件可分為不可控電路、半控電路、全控電路三種。按電路結構可分為半波 電路和橋式電路。按電網交流輸入相數分為單相電路、三相電路和多相電路。按變壓器二次側電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路和雙拍電路。其中所有半波整流電路都是單拍電路，所有全波整流電路都是雙拍電路。按 控制方式可分為相控式電路和斬波式電路。按引出方式的不同分中點引出整流電路，橋式整流電路，帶平衡電抗器整流電路，環形整流電路，十二相整流電路。在此我選用了簡單常用的單相橋式整流電路。 單 相橋式整流電路如圖所示，圖中 負載 是要求直流供電的負載電阻，四只整流二極管 D1～ D4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。 橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向導電性，將四個二極管分為兩組，根據電壓的極性分別導通，將電壓的正極性端與負載電阻的上端相連，負極性端與負載電阻的下端相連，使負載上始終可以得到一個單方向的脈動電壓。 為簡單 起見，二極管用理想模型來處理，即正向導通電阻為零，反向電阻為無窮大。 [8] 根據上述分析，通過負載的電流 I以及電壓 V的波形都是單方向的全波脈動波形。橋式整流電路的優點是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、負半周內都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導體整流電路中得到了頗為廣泛的應用 。 單片機 AT89C51 主體芯片我用的是 AT89C51 單片機。它不僅繼承 80C51 單片機的全部優點，還嫁接了先進的 FLASH 技術，從而 成為一種特殊的內部含 FLASH 存儲器的單片機。它帶有4KB閃速式存儲器， 128B 內存，最大工作頻率 24MHz，具有 32條輸入輸出線， 16定時 /計數器， 5 中斷源， 1個串行口該單片機性能穩定，抗干擾能力強，開發周期短，且價格低廉，非常適合于對電子設備進行智能化改造 。 AT89C51 4KB 可編程 Flash 存儲器（可擦寫 1000 次） 三級程序存儲器保密 靜態工作頻率 :0Hz24MHz 128 字節內部 RAM 2 個 16 位定時 /計數器 一個串行通訊口 6 個中斷源 32 條 I/O 引線 片內時種振蕩器 表 23 AT89C51主要性能表 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） 硬件設計 １４ 引腳圖 ： 引腳介紹： Vcc 電源端 GND 接地端 XTAL1 是片內振蕩器的反相放大器輸入端， XTAL2 則是輸出端，使用外部振蕩器時，外部振蕩信號應直接加到 XTAL1，而 XTAL2 懸空。內部方式時，時鐘發生器對振蕩脈沖二分頻。晶振的頻率可以在 1MHz24MHz 內選擇。 RST 在振蕩器運行時，有兩個機器周期（ 24 個振蕩周期）以上的高