基于单片机的无功补偿控制器(4)

刘德杰：基于单片机的无功补偿控制器硬件电路设计

第3章 功率补偿系统单元的设计

本系统主要以单片机AT89C52为核心，对所采集到的电网信号进行分析，并根据

所采集的信号实现对可调电压源的调节，使其与电网电压同频同向，从而达到对无功功率的补偿。 3.1 单片机模块设计

如图3-1所示，为AT89C52的硬件结构图。其中CPU是由运算器和控制器所构成的。运算器主要用来对操作数进行算术、逻辑运算和位操作的。控制器是单片机的智慧控制部件，主要任务的识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调的工作。它的程序存储器为8K字节可重复擦鞋Flash闪速存储器，闪烁存储器允许在先+5V电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。因为AT89C52单片机为大学阶段接触最多的单片机，且其功能足够实现该毕业设计所完成的共合作，因此这里我们采用这款单片机。

FLASH CPU 时钟 定时器 计数器 RAM 输入输出 接口 串行通讯 口

图3- 1 AT89C52的硬件结构图

AT89C52为40 脚双列直插封装的8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，其主要用于调整时的功能控制。功能包括对IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，调整控制，测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3 为可编程通用I/O 脚，其不同之处在于P0口是一组8位漏极开路双向I/O口，而P1~P3口是内部带上拉电阻的8位 图3- 2 AT89C52单片机外部引脚图

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安徽工程大学毕业设计

双向I/O口。P1.0口，P1.1口和P3口的第二引脚功能分别如表3-1和表3-2所示。

引脚号 P1.0 P1.1 功能特性 T2，时钟输出 T2EX（定时/计数器2） 表3- 1 P1.0和P1.1口的第二功能 引脚号 第二功能 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 RXD（串行输入） TXD（串行输出） INTO（外部中断0） INT1(外部中断1) T0(定时器0外部输入) T1（定时器1外部输入） WR(外部数据存储器写选通) RD（外部数据存储器读选通） 表3- 2 P3口引脚第二功能

3.2 相位差检测电路的设计

图3-3为相位差检测电路的原理框图，有图中可以看出，相位差检测模块主要由电压检测，电流检测和A/D转换模块组成，其中电压和电流信号的取样主要用电压传感器和霍尔电流传感器获得。

A/DB相电流 AC相电压 电流取样 电压取样 MCU 转换

图3- 3 相位差检测原理框图

3.2.1 相位差检测基本原理

一般三相电网电压、负载都处于近似对称的状态，三相电网电压电流向量图如图所示。若以B相为例计算功率因数就需测量B相电流电压相位差，通常较小，直接测量

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容易产生误差。而由向量图3-4可知：UB⊥UAC即

，因此为了提高测量精

度，可先测量任意一相（B相）电流和另外两相（A、C相）电压之间的相位差，再利用与互余关系计算得出功率因数：

(3-1)

UB UAB UBC UA UCA UC

图3- 4 A相电流电压向量图

3.2.2 电压电流信号的采集

电网侧的电压和电流分别经电压互感器和电流互感器再到电压形成电路产生微机可以利用的信号。其中交流电压信号采用电压变换器即可满足要求，而交流电流信号可以采用电抗变换器和电流变换器，在此选用霍尔电流变换器对电流信号进行变换。图3-5和图3-6分别是对B相电流和AC相电压信号的采集电路。

图3- 5 B相电流信号的采集电路

图3- 6 AC相电压信号的采集电路

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如图3-5，TA用来实现变流和电气隔离，C14用来去干扰，R1用来实现I/V转换，D1为半波整流和限压，R2和RP1(分压)构成电流取样电路,使交流大电流变成半波电压信号,送给U3的―IN2‖端。

如图3-6，TV用来实现降压和电气隔离，C15用来去干扰，R3可以限流，D2 为半波整流器件，R5和RP2(分压)构成电压取样电路,使交流大电压变成半波小电压信号,送给U3的―IN0‖端。 3.2.1 模数转换电路设计

A/D转换器使用逐次逼近式A/D转换器件ADC0809，它有8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右。图3-7是ADC0809的引脚图。

图3- 7 ADC0809

ADC0809的多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表3-3为通道选择表。

C 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 A 0 1 0 1 0 1 0 1 被选择的通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 表3- 3 通道选择表

―B‖端是多路开关的地址选择线之一,为―0‖时,对电压信号(IN0)A/D转换。为―1‖时,对电流信号(IN2)A/D转换。START是启动转换输入线,下降沿启动内部电路,开始A/D转换。EOC为转换完成输出线,输出―1‖时表示转换结束。OE为允许输入输出线,为―1‖时把数据送往数据总线。启动A/D转换器可用指令:

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取数可用指令:

3.3 PWM斩波信号产生电路

MOVX @R,A

图3- 8 ADC0809的硬件电路图

刘德杰：基于单片机的无功补偿控制器硬件电路设计

MOVX A,@R (数据送A寄存器)

ADC0809的硬件电路图如图3-8所示。

PWM斩波信号的获取是本毕业设计的重要一环，前面已经讲过，我们要通过调节PWM斩波信号的占空比来实现对可调电压源幅值的调节。本设计主要通过软件部分的延时过程来控制产生PWM信号。

AT89C52单片机的P1.0口是一个双向I/O口，它的第二引脚功能是定时/计数器2的外部脉冲计数输入和时钟输出功能，因此这里采用P1.0口作为PWM信号的输出端口。硬件电路如图3-9所示。

图3- 9 PWM产生电路

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