基于单片机的无功补偿控制器(5)

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3.4 控制电路参考信号的同步斩波滤波及功率放大

为了应用开关线性复合功率变换技术，使工作于线性状态的后级功率管有一个在相位和频率上与开关滤波单元的输出供电电压（也即功率管的漏极电压）相同，在幅值上小几伏的栅极驱动电压。必须设置一个使该驱动信号和BUCK电路输出电压同步变化的环节。最直接的方法就是对参考电压（取自电网电压）采取斩波方法实现驱动电压的可调。用同一PWM信号对主电路电压和参考信号进行斩波就可以做到后级功率管栅极驱动信号和漏极主电路电压同步变化。具体电路如图3-10所示。

图3- 10 控制电路的同步斩波与滤波电路

图中，用于斩波的环节采用模拟开关CC4051。CC4051是单八路由电平位移电路和带有禁止端的八选一时序译码器，以及由该译码器的各个输出分别控制的八个CMOS双向模拟开关（即传输门）所组成。各个模拟开关的一端作为输入八路模拟或数字信号的输入端，另一端将八路连接在一起作为公共端。它可以用数字信号去控制开关的开通与关断，且具有低的导通阻抗和高的断开阻抗。由于这种开关的引脚除了电源VDD和VSS端外，还有一组外电源VEE，从而使得这种多路开关可以传输峰-峰值达15伏的交流信号。

本装置采用正负5伏的电源供电。取自电网电压的参考信号Uc峰-峰值取12伏。CC4051采用9，10，11脚以及禁止端6脚INH来实现通道的选择。其真值表如图3-4所示。

本系统采用B（10脚）和C（9脚）接地，A（11脚）接PWM信号来选择通道。

INPUT STATES 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 * * * 0 1 2 3 4 5 6 7 NONE ―ON‖CHANNELS 0X,0Y 1X,1Y 2X,2Y 3X,3Y NONE cx,bx,ax cx,bx,ay cx,by,ax cx,by,ay cy,bx,ax cy,bx,ay cy,by,ax cy,by,ay NONE INHIBIT C B A CD4051B CD4052B CD4053B 表3- 4 4051的真值表

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当11脚为低电平时，X0（13脚）被选通，由于13脚接地（如图3-10所示），此时3脚输出为零；当11脚为高电平时，X1（14脚）被选通，由于14脚接的是参考信号，所以3脚输出为参考信号在此时的电压值。

CC4051的3脚输出的脉宽调制信号U8首先经电压跟随器实现信号的隔离，然后进行滤波。电阻R23可以使U8波形的下降沿的暂态过程时间更短，波形更陡。电压跟随器后的滤波采用阻容和电感电容两级滤波而得到幅值与参考信号之比等于PWM信号的占空比的正弦波。

由于升压变压器和后级两个功率管的驱动都要耗散一定的功率，在滤波电路之后直接接升压变压器以驱动功率管在功率上是不够的，因此在升压前必须有一个功率放大的环节。本系统中采用集成运放LM358进行功率放大，如图3-11所示。

图3- 11 功率放大电路

3.5 功率因数显示电路

功率因数显示电路利用LED显示器的静态显示功能设计，用来显示所测得的电网电压的功率因数。LED显示模块的电路图如图3-12所示。图中由晶体管Q5,Q6.Q7组成的电路作为电子开关使用，当单片机P2.2,P2.3和P2.4输出为低电平信号时晶体管导通，LED显示器开始工作。

图3- 12 LED显示模块电路

3.6 按键电路

如图3-13所示为本系统按键电路模块的硬件接法，该按键电路共引入了5个按键，其中S2用来控制LED显示模块所显示的是当前电路状态下的功率因数还是用来显示进行无功补偿之后的功率因数，这里我们设置当P1.5为低电平（即S2闭合）时，LED显示模块显示当前电路的功率因数，P1.5为高电平（即S2断开）时，LED显示无功补偿

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后的功率因数。S3和S4用来调节设定功率因数的1/10位数值的大小，当检测到P1.4脚的电位出现一次阶跃时，则实现1/10位数值加1，当检测到P1.3脚的电位出现一次阶跃时，则实现1/10位数值减1。S5和S6用来调节设定功率因数的1/100位数值的大小，当检测到P1.2脚的电位出现一次阶跃时，则实现1/100位的数值加1，当电测到P1.1脚的电位出现一次阶跃时，则实现1/100位的数值减1。

图3- 13 按键电路

3.7 RS-232C串行通信接口 3.7.1 RS-232C标准

RS-232C标准是美国电子工业协会（EIA）与BELL等公司一起开发的通信协议。它适合于数据传达室输率在0~20Kb/s范围内的通信，它具有以下特性：

1、机械特性

RS-232C接口是单端发送，单端接收，传输线上允许一个驱动器和一个发送器。RS-232C标准接口有25条线。其中4条数据线，11条控制线，3条定时线，7条备用线未定义线。它所采用的电缆传输长度与传输的电容有关。它的最大传输路离可达30M，最大速率20Kb/s，适用于相距较近设备的通信。

2、电气特性

RS-232C标准定义-15~+3v表示逻辑―1‖，+3~+15v表示逻辑―0‖。它选择-15~+3v和+3~+15v这个范围而不采用TTL逻辑(0v~5v)的原因是为了提高抗干扰能力和增加传输距离，因此与TTL设备连接时需加电平转换接口。 3.7.2 MAX232P与AT89C52的接口电路

AT89C52单片机内部的串行口，大大扩展了其的应用范国。利用串行口可以实现单片机之间的点对点的串行通信、多机通信以及单片机与PC机间的单机或多机通信

MAX232P芯片是常用的RS-232C与TTL电平转换芯片，它的内部有电压倍增电路和转换电路，只需+5V电源便可实现RS-232C与YYL电平转换，使用起来十分方便。MAX232P与AT89C52的接口电路如图3-14所示。

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图3- 14 MAX232P与AT89C52的接口电路

AT89C52的TXD、RXD与MAX232P的T2in、T2out管脚相连。MAX232P将发送的串行数据转换为RS-232C标准的电平信号发送到接收端，产生发送中断，供单片机或者计算机处理;反之MAX232P将接收的RS-232C标准的电平信号转换为串行的数据传给AT89C52，产生接收中断，供单片机处理，这样就完成了RS-232C接日通信功能。

两台计算机通信时，由于以TTL电平传输数据的方式，抗干扰性能差，传输距离短，通常需要借用现成的公用电话网，但是电话网是300~3400Hz的音频模拟信号设计的，其频带有限，不能进行二进制数字量的传输。因此，在发送时需要利用调制器把数宇信号转化为模拟信号，然后送到通信线路上去，再由解调器把从通信线路收到的模拟信号转化成数字信号。 3.8 电源电路的设计

现在的单片机系统大部分都是采用市电220V,50Hz供电。电网的冲击，频率的波动将直接影响到实时控制系统的可靠性，稳定性。因此在单片机系统和市电之间必须配备稳压电源以及采取相应的抗电源干扰的措施，并采取一般的供电保护措施。如图3-15所示。图中我们使用稳压电路LM7805用来产生+5V和+12V的直流电压信号，并采用集成电路ICL7660产生-5V的电压。

图3- 15 电源电路

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第4章 系统软件部分设计

4.1 系统主程序流程图

该控制软件编程用来产生可调电压源的PWM斩波信号，计算电网的无功功率，显示电路和进行串行口通信。当AT89C52检测到的功率因数小于设定的功率因数时，就根据实际情况产生占空比不同的PWM斩波信号，启动该装置的无功补偿功能。系统的程序设计流程图如图4-1所示。

开始 初始化 调用功率因数求解子程序 调用显示子程序 有按键按下？ N Y 有设定λ值？ N 调用按键子程序 Y PWM信号产生子程序

图4- 1 系统主程序流程图

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