低压配电网功率因数补偿系统设计软件.docx

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低压配电网功率因数补偿系统设计软件

摘要

在电力系统中，由于大量输变电设备的存在，其在使用过程中产生磁场，形成感性负载。

感性负载的存在导致电网功率因数的下降。

为了改善和提高电力系统的电压质量，充分发挥输变电设备的效能，就必须就地平衡无功。

本装置设计的目的正是利用控制投切电容组数来达到电感平衡。

低压配电网功率因数补偿系统由控制核心电路和补偿执行机构组成。

主控电路主要完成采样和数据处理并输出控制信号，执行机构采用继电器控制电容组的投切。

其中CPU采用80C196KB作为主控芯片，控制电网无功功率、电压、电流等参数的实时监测；A/D转换采用12位的高性能A/D转换器MAX197；通过MOC3083来控制晶闸管的过零触发导通，从而投切电容器，达到了甚至消除了合闸涌流的目的。

显示部分为DMLS字符液晶显示模块。

软件部分采用汇编语言及C语言进行编程，主要包括主程序的设计、A/D转换、数据处理、电容器的投切控制等几大部分。

本装置具有响应快，性能稳定，操作方便等特点，具有广阔的应用前景。

关键词：

无功补偿；功率因数；晶闸管投切电容器；触发脉冲

1.1功率因数补偿器的设计

研究低压配电网智能功率因数补偿器的意义在于通过对无功功率的补偿，来改善和提高电力系统电压质量，充分发挥输变电设备的效能，减少电力损失，保证电网安全经济的运行。

其主要设计包括以下几个方面：

1.补偿器的主电路图的设计：

主要包括电容器的分组，每组由晶闸管控制，根据电网的无功需求并且在最佳时刻来进行投切。

2.系统的硬件电路图的设计：

补偿器的控制芯片采用MCS-96系列单片机80C196KB；A/D转换采用12位的高性能A/D转换器MAX197；通过MOC3083来控制晶闸管的过零触发导通，从而投切电容器；并用时钟芯片DS12887来记录时间并具有掉电保护的功能。

3.系统的软件设计：

数据采集及计算部分采用快速傅立叶算法，对一系列的电参量进行分析计算，以及显示电参量。

系统的编程采用汇编语言及C语言。

第二章无功补偿装置的芯片选择与分析

自从1976年Intel公司推出第一批单片机以来，80年代单片机技术进入快速发展时期，近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、高性能方向发展，从4位、8位单片机发展到16位、32位单片机。

单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各行各业，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、彩电，单片机都可以大显其能。

单片机在国内的三大领域中应用得十分广泛：

第一是家用电器业，例如全自动洗衣机、智能玩具；第二是通讯业，包括电话、手机和BP机等等；第三是仪器仪表和计算机外设制造，例如软盘、硬盘、收银机、电表。

除了上述传统领域外，汽车、电子工业在国外也是单片机应用十分广泛的一个领域。

它成本低、集成度高、功耗低、控制功能多能灵活的组装成各种智能控制装置，由它构成的智能仪表解决了长期以来测量仪器中的误差的修正、线性处理等问题。

所谓单片机，就是把中央处理器CPU（CentralProcessingUnit）、随机存取存储器RAM（RandomAccessMemory）、只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）、定时器/计数器以及I/O（Input/Output）接口电路等主要计算机部件，继承在一块集成电路芯片上的微型计算机。

单片机技术与传感与测量技术、信号与系统分析技术、电路设计技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以及数据结构、计算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合，使得单片机的应用非常广泛。

同时，单片机具有较强的管理功能。

采用单片机对整个测量电路进行管理和控制，使得整个系统智能化、功耗低、使用电子元件较少、内部配线少、成本低，制造、安装、调试及维修方便。

本设计就是基于单片机80C196KB设计的功率因数补偿装置。

CPU芯片的选择与应用

在本装置中采用的CPU芯片为80C196KB，它是Intel公司MCS-96系列中应用最广泛的一种16位单片机，它具有高速处理功能及低功耗等特点。

12MHz晶振时，16位加法指令只用0.66us，其基本指令的执行时间为0.5us-1.5us，指令的8098的超集，即8098指令的80C196KB全部可以使用。

1.80C196KB单片机的特点及外围特点

1）80C196KB单片机除了保留8098的基本功能外,还具有以下特点:

内部分频电路为2分频而不是3分频，使处理能力提高1.5倍；指令速度更快,特别对变址/间址数据操作；对12MHz时钟，16*16位乘法仅需2.33us，而在8097BH上则需6.25us；更快的中断响应时间（几乎是8098的2倍）；低功率和空闲的工作方式；包括长字比较和块传送的6种新指令；8种新中断向量16种新中断源。

2）80C196KB单片机的外围特点

特殊功能寄存器窗口开关允许向只读寄存器中写入数据：

定时器2（TIME2）可由外部选择为向上或向下计数；定时器2（TIME2）使用独立的捕捉寄存器；高速输出（HSO）事件存入一个寄存器中；高速输出（HSO）可使用CAM清楚和CAMLOCK命令；串行口可使用新波特率，所以方式都可用高速传输（12MHz晶振时达到3.0MV/S）；双缓冲串行口发送寄存器；串行口接受溢出和错误检测；PWM使用2分频脉冲计数器；HOLD/HLDA总线规约；8路10位A/D转换器，A/D转换时间为14.67us。

鉴于以上特点能够从硬件上缩短快速傅立叶变换的运算时间，保证电量测量的实时性。

2.80C196KB单片机的主要引脚功能

下面介绍个引脚功能：

VCC:

主电源+5V；

VSS:

数字电路地（0V）,两个Vss引脚都应接地；

CDE:

时钟检测使能,为高使能时钟故障检测电路,若XTAL1频率低于指定的限度,则RESET脚变低；

VREF:

片内转换器的参考电压（+5V）,同时也为A/D转换器模拟部分和读0号口的电路提供电源,因而必须与0号口和A/D相连,要求VREF的稳压精度高于VCC；

ANGND:

A/D转换器的参考地.一般情况下必须和VSS同电位；

VPP:

从低功率电路返回的定时管脚,将该脚通过一个1uF的电容连到Vss,通过1个1M欧姆的电阻连到Vcc，若不使用该功能,可把Vpp连到VCC，该引脚也为片内RPROM的编程电压,编程时，接12.75V电压；

XTAL1:

晶振反向器和内部时钟发生器的输入；

XTAL2:

晶振反向器的输出端；

CLKOUT:

内部时钟发生器的输出.CLKOUT的频率是二分之一的晶振频率,占空比为50%；

如图4.1所示为80C196KB单片机的引脚图

图4.180C196KB的引脚图

：

芯片的复位输入.为复位芯片,该输入应保持为低至少4个状态时间,随后的低-->高的转换与CLKOUT重新同步,启动一个10个状态时间的序列,在读序列里,将清除PSW,从2018H单元读一个字节加载CCR,跳转到2080H单元执行,正常情况下输入为高,RESET有一个内部上拉能力；

BUSWIDTH:

总线宽度选择输入端,若CCR.1=1,该脚为当前总线周期选择总线宽度,当BUSWIDTH=1时,选择一个16位总线周期,若BUSWIDTH=0则选择8位总线周期,若CCR.1=0,总线周期总是8位；

MNI:

不可屏避中断.当次引脚有一个正跳变时,形成一个志向外部存储器203EH单元的中断向量；

INST:

在外部存储器读期间输出高,指定这是一个取指令读,输出低指出是一个数据读,INST在真个周期有效,仅在外部存储器存取时激活INST；

存储器选择输入端（外部存取）.当

=TTL,且为高时将引起读芯片上ROM/EPROM的2000～3FFFH单元,低将引起读芯片外存储器的这些单元；

ALE:

地址锁存允许；

对外部存储器的读信号；

写外部存储器；

HIS:

高速输入信号端,具有4个HIS输入引脚:

HIS.0,HIS.1,HIS.2和HIS.3,两个引脚（HIS.2和HIS.3）与HSO部件共用.这些引脚可用于RPROM型的编程；

HSO:

高速输出不见的输出端；

P0口:

8位高阻抗输入口.这些引脚可作为数字输入口,也可作为A/D转换器的模拟输入口；

P1口:

8位准双向口；

P2口:

8位多功能口,它们除了可作为标准I/O口外,还可用作其它特殊功能；

P3,P4口:

具有漏极开路输出的8位多功能口,这些引脚也可用作地址/数据总线,它们具有很强的上拉作用。

3.80C196KB单片机的时钟信号

1）片内震荡器

80C196KB的片内震荡器电路包含一个晶体控制的正电抗振荡器，如图4.2所示。

它与外部晶体的连接方法见图4.3。

XTAL1脚是内部反向放大器的输入端，而XTAL2脚是该放大器的输出端。

在晶体振荡器中，晶体工作于基本响应模式，它作为一个感抗与外部电容形成并联谐振，使正反馈放大器维持震荡。

振荡器的工作受PD信号（掉点方式位）的控制。

当PD=0时，图4.2中下面一个N型沟道MOS管处于截止状态，使振荡器停振。

图4.2片内振荡器电路

图4.3外部晶体连接法

XTAL1和XTAL2引脚处都有静电放电保护器件（图中未示出）。

如图4.3所示的外接电容值并不十分严格。

20pF对于工作于1MHz以上的质量较好的晶体都能获得良好的效果。

2）内部时序

80C196KB的状态周期由振荡器信号2分频后获得，它是芯片工作的基本时间单位。

当采用12MHz晶振时，80C196KB的状态周期为167ns；采用8MHz晶振时，80C196KB的状态周期为250ns，恰与8096芯片采用12MHz晶振时状态周期相同。

因此，采用相同频率的晶振工作时，80C196KB的操作速度至少比8096的速度高1/3。

80C196KB的速度比8096高的另一个因素是，前者的大部分指令执行状态周期数略比后者的少。

图4.4内部时钟节拍

时钟发生器产生的2个不重叠的内部节拍，如图4.4所示。

CLKOUT信号由节拍1和节拍2的上升沿形成。

EPROM27256

1.芯片介绍

EPROM作为一种可以多次擦除和重写的ROM,克服了掩膜式ROM和EPROM灵活性差的缺点,故本设计中采用27256作为程序存储器。

27256是Intel公司采用HMOS工艺生产的。

它是用5V供电、262144位紫外线可擦除、可电编程的只读存储器（EPROM）。

结构是32K×8位，单个字节的存取时间小于200ns。

其双线控制和JEDEC批准的28引脚封装，是所有的Inetl公司高密度EPROM的标准特性，保证它易与高性能的微处理器兼容。

27256具有32K字节的大存储容量，使它具有高密度软件载体的功能。

全部操作系统、诊断、高级语言程序和专用软件，直接可驻留在系统存储器总线上的一片27256RPROM中，这就使得微处理器能立即存取和执行软件，节约了磁盘存取和卸载所需时间。

2.EPROM27256单片机的主要引脚功能

如图4.5所示为EPROM27256的引脚图

图4.5EPROM27256的引脚图

引脚功能

VCC:

主电源+5V；

VPP:

掉点保护电压；

A0～A14：

地址输入；

CE：

片选；

OE：

输出允许控制端；

O0～O7：

数据输出；

4.3A/D转换芯片的选择

单片机应用的重要领域是自动控制。

在自动控制领域的应用中，除数字量之外还会遇到另一种物理量，即模拟量。

例如：

温度、速度、电压、电流等，它们都连续变化的物理量。

由于计算机只能处理数字量，因此计算机系统中凡遇到有模拟量的地方就要进行数模、模数转换，也就出现了单片机的数/模和模/数转换的接口问题。

现在这些转换器都已集成化，并具有体积小、功能强、可靠性高、误差小、功耗低等特点，能很方便地与单片机进行接口。

A/D转换器输入的是模拟量，经转换后输出的是数字量。

1.芯片介绍

对一个数据采集系统而言，我们可以有若干个方案。

每中方案虽然都能达到所期望的结果，但对数据采集系统的精度、性能和可靠性提出了较高的要求时就需要有一种最可行的方案。

速度采样速度由模拟信号带宽、数据通道数和每个周期的采样数决定。

A/D转换电路是数据采集系统的核心部分。

所以选择合适的A/D转换器件是很重要的。

MAXIM公司为我们在选择上解决了这一问题。

他们设计出了将采集系统所需的程控运放、通道切换、基准源、时钟电路、A/D和电源管理单元集成在单个芯片上的MAX197——多量程可程控并采用单一+5V电源供电的12位A/D转换数据采集系统。

MAX197是一个多量程、12位数据采集系统。

该芯片只需单一的+5V电源供电即可工作。

但在其模拟输入端可以承受大幅度膏腴电源电压和低于地的信号。

其允许最大幅值可达+16.5V且当任一通道发生故障后将不影响其他通道的正常操作。

该芯片提供8个模拟输入通道，每一通道均可独立地由软件编程得到多种输入范围：

+10V、+5V、0—10V或0—5V。

这是的其有效的动态范围增加到14位。

并使用户能灵活地把4—20mA及+12V和+15V电源的检测器很方便的与单一的+5V系统相接口。

该器件的其它特点还包括具有50Hz带宽的跟踪/保持电路，100Ksps的采样速率，软件可选的内部或外部时钟，可变的采集控制，8+4位并行接口，以及内置4.096V电压基准或可选的外部基准源。

MAX197使用标准的微处理器接口单元，三态数据I/O端口配置成与8位数据总线一起工作。

数据存取和总线释放的时序性能指标与大多数通用的微处理器相兼容，所有逻辑输入与输出均是TTL/CMOS兼容的。

在电源管理方面，该器件还提供硬件上的SHDN引脚和可编程的掉电方式（STBYPD、FULLPD），使芯片在两次变换之间能处于低电流的关端状态。

在STBYPD方式下，基缓冲器仍保持有效，从而消除了电延迟。

2.MAX197主要特性：

1）12位分辨率，1/2LSB线性度

2）+5V单电源工作

3）软件可选输入范围：

+10V、+5V、0～10V或0～5V

4）带鼓掌保护输入多路转换器（+16.5V）

5）8路模拟输入通道

6）6us变换时间，100Ksps采样速率

7）内部或外部采样控制

8）内置4.096V

9）两种掉电保护

10）内部或外部时钟

3.MAX197的引脚说明

1）如图4.6所示为MAX197的引脚图

图4.6MAX197引脚图

2）下面介绍个引脚功能：

CLK（引脚1）：

时钟输入，在外部适中方式下，用与TTL/CMOS电平兼容的时钟信号来驱动CLK，在内部时钟方式下，在此引脚与地之间接一电容以设置内部时钟频率，当CCLK=100pF时，FCLK典型值=1.56MHz；

（引脚2）：

片选端，低电平有效；

（引脚3）：

写控制输入，若

为低电平时，

上升沿锁存接受的数据并启动采集和变换周期。

在外部采集方式下，当

为低电平时，

的第一个上升沿启动采集，

的第二个上升沿结束采集系统并开始一个变换周期；

（引脚4）：

读控制输入，若

为低电平时，

的下降沿将允许数据总线上的读操作；

HBNE（引脚5）：

高字节允许信号，用于转接12位变换结果，当它为高电平时，D8—D114个MSB（最高有效位）接至数据总线，当它为低电平时，D0—D78个LSB（最低有效位）接至数据总线；

（引脚6）：

关断控制。

当此引脚为低电平时，器件进入完全掉电（FULLPD）方式；

D7～D4（引脚7—10）：

三态数字I/O；

D3～D0/D11～D8（引脚11—14）：

三态数字I/O。

由HBEN引脚低电平控制，当HBEN引脚为低电平时，选择D3—D0当；当HBEN引脚为高电平时，选择D11—D8；

CH0～CH7（引脚16—23）：

8路模拟输入通道；

（引脚24）：

输出数据准备好。

当变换完成时，该引脚变为低电平，此信号可用作中断请求信号；

REFADJ（引脚25）：

带隙（Bandgap）电压基准输出/外部调整引脚，用0.01uF电容器旁路到AGND。

当REF引脚使用外部基准源时，连接到VDD；

REF（引脚26）：

基准缓冲器输出/ADC基准输入。

在内部基准方式下，基准缓冲器提供4.096V的额定输出，其值是REFADJ引脚外部可调的。

在外部基准方式下，通过把REFADJ引脚连接到VDD来禁止内部缓冲器；

VDD（引脚247）：

+5V电源。

用0.1uF电容器旁路到AGND；

AAGND（引脚15）：

模拟地；

AGND（引脚28）：

数字地。

4.MAX197的工作原理

MAX197是美国MAXIM公司向市场推出的12位快速A/D转换器，它采用28引脚双列直插式标准封装，无需外接元器件就可以独立完成A/D转换功能，可将一个模拟信号转换为12位数字输出。

MAX197可分为内部采样模式和外部采样模式。

采样模式由控制寄存器的D5位决定，在内部采样控制模式（控制位置0），由写脉冲启动采样间隔，经过6个时钟周期的采样间隔，开始A/D转换。

在外部采样模式（D5=1），由两个写脉冲分别控制采样和AD转换。

第一个写脉冲，写入ACQMOD为1，开始采样间隔；第二个写脉冲，写入控制字ACOMOD为0，MAX197停止采样，开始A/D转换。

MAX197的逻辑控制输入信号有HBEN、

、

。

、

控制读写操作。

是片选端，是控制芯片启动的输入端。

当

为低电平时，选中MAX197的D0—D7口作为数据线。

当

为高电平时，不能进行写操作，极口变为高阻状态，此时可控制字节送如D0—D7口。

控制字格式如表4.1所示。

表4.1DO～D7口控制字

PD1

PD0

ACQMOD

RNG

BIP

PD1、PD0用于选择时钟模式和节电模式：

00表示外部时钟，即用户在CLK引脚端输入100K—200MHz，占空比为45-55%的方波信号；01表示内部时钟；10表示闲置（STBPD）节电模式，每次A/D转换后自动进入节电模式，直到下一次A/D转换后，不带任何延时的响应转换命令；11表示完全（FULLPD）节电模式，当通过率高于1Ksps时，应在下次转换前执行一次闲置节电模式，当通过率低于1Ksps时，就不必执行上操作，直接写控制字。

ACQMOD用于选择内外采样模式：

ACQMOD为0，内部采样模式；ACQMOD为1，外部采样模式。

RNG、BIP决定量程：

00表示0—5V，01表示0—10V，10表示5—5V，11表示10—10V。

A0、A1、A2决定输入的通道号。

当A/D转换结束时，12位数据已经准备好，则INT跳转为低电平，向单片机申请中断，从MAX197的I/O口读取A/D转换结果。

读取数据时，CS与RD同时为低电平，当HBEN的低电平时，读低8位数据，当HBEN的高电平时，读高4位数据。

5.MAX197在设计当中的应用

由于MAX197是多量程，有裕度的ADC，它使用逐次逼近和内部输入跟踪/保持电路包模拟信号变成12位的数字输入，且并行的格式易与微处理器接口。

因而单个芯片就可以构成一个完整的数据采集系统，使它非常适用与自动测试、仪器仪表等领域。

如图4.7所示为MAX197在本设计中的连接方法：

图4.7MAX197外围电路图

在该电路中，在CLK引脚与地之间接一个100pf的小电容以设置内部时钟频率，这时，fCLK典型值=1.56MHz。

CH0—CH3引脚接受电压电流互感器川来的模拟信号，

、

实现芯片的读写功能，REFADJ引脚用0.01uF电容器旁路到AGND，D0—D7引脚和单片机的AD0—AD7引脚相接，可以把转换后的数字信号传送给80C196KB，以便对数据进行处理。

其中

引脚接收GAL16V8传送来的地址译码信号，其地址空间是（8800H—8BFFH）。

4.4液晶显示模块（LCD）

1.液晶显示模块（LCD）的介绍

本设计中选用的是MDLS204612型显示液晶模块。

该显示模块可显示20列×4行。

因其具有体积小、供耗低、显示信息量大的特点，特别是它能显示汉字、曲线及各种图形。

因而广泛应用于各种智能化仪器仪表及计算机应用系统中。

2.液晶显示模块（LCD）的特点

LCD主要有以下特点：

5V单电源供电。

具有80个单元的显示RAM具有字符发生器ROM，可显示192中字符具有64个单元的自定义字符RAM92种字符模块结构紧凑、轻巧、装配容易；供耗低、寿命长、可靠性高。

3.LCD的引脚说明

1）如图4.8所示为LCD的引脚图

图4.8LCD的引脚排列

2）下面介绍个引脚功能

VSS：

电源地；

VDD：

+5V逻辑电源；

V0：

液晶驱动电源；

RS：

输入状态，寄存器选择功能：

1为数据，0为指令；

R/W：

输入状态，读、写操作选择：

1为读，0为写；

E：

输入状态，使能信号；

DB0：

三态数据总线（LSB）；

DB1～DB6：

三态数据总线；

DB7：

三态数据总线（MSB）；

5.MDLS系列LCD的指令集

MDLS系列LCD指令系统共有11条，如同一个可编程接口芯片，用户只需对模块写入适当的命令，便可完成清屏、显示、开关光标、地址设置、移动显示、读忙等一系列操作。

表4.2清屏

RSR/W

DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0

00000001

运行时间（250KHz）：

1.64ms；

功能：

清DDRAM和AC值。

如下表4.2所示。

表4.3归位

RSR/W

DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0

0000001*

运行时间（250KHz）：

1.64ms；

功能：

AC=0，光标、画面回HOME位。

如表4.3所示。

表4.4输入方式设置

RSR/W

DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0

000001I/DS

运行时间（250KHz）：

40us；

功能：

AC=0，光标、画面移动方式；如表4.4所示。

其中：

I/D=1：

数据读、写操作后，AC自动增一；

I/D=0：

数据读、写操作后，AC自动减一；

S=1：

数据读、写操作后，画面平移；

S=0：

数据读、写操作后，画面不动。

表4.5显示开关控制

RSR/W

DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0

00001DCB

运行时间（250KHz）：

40us；

功能：

设置显示、光标及闪烁开、关；如表4.5所示。

其中：

D表示显示开关：

D=1为开，D=0为关；

C表示光标开关：

C=1为开，C=0为关；

B表示闪烁开关：

C=1为开，C=0为关。

表4.6光标、画面位移

RSR/W

DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0

0001S/CR/L**

运行时间（250KHz）：

40us；

功能：

光标、画面移动，不影响DDRAM；如表4.6所示。

其中：

S/C=1，画面平移一个字符位；

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