單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電力補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng) - 全文

以80C196KC單片機(jī)為核心的電力補(bǔ)償控制系統(tǒng)，通過(guò)模擬輸入電路對(duì)三相電壓、電流進(jìn)行采樣，計(jì)算后通過(guò)輸出單元控制電容器的投切，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)無(wú)功功率的補(bǔ)償。本文介紹了系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)方法。

　　引言

　　目前在電力補(bǔ)償系統(tǒng)中有多種補(bǔ)償方法，本文中的補(bǔ)償系統(tǒng)是根據(jù)尋優(yōu)負(fù)序電流最小進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?。系統(tǒng)計(jì)算需要對(duì)交流電一個(gè)周期20 ms內(nèi)對(duì)單相電壓u、電流I進(jìn)行采樣，要求一個(gè)周期內(nèi)采樣次數(shù)至少在100次以上。針對(duì)這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于80C196KC的控制系統(tǒng)。Intel公司的高性能16 b單片機(jī)80C196KC，其運(yùn)算速度快，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)高速采樣的要求。

　　1　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的硬件部分主要由采樣輸入電路、中央控制單元、程序存儲(chǔ)單元、輸出驅(qū)動(dòng)電路4部分組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

　　1.1　模擬輸入電路

　　系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集所使用的傳感器為電壓互感器和電流互感器，需要分別采集三相的電壓和電流，共需要六路輸入。80C196KC內(nèi)有一個(gè)逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器，共有8個(gè)輸入通道。其輸入引腳ACH0～ACH7與P0.0～P0.7共享。內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器8 b/10 b可調(diào)，自帶采樣、保持電路，這樣減少了外圍電路，也減少了干擾和干擾源，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性，并且減少了控制板的尺寸。在本系統(tǒng)中采用10 b轉(zhuǎn)換方式。

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　　為了保護(hù)A/D轉(zhuǎn)換器，增加可靠性，在A/D通道的輸入端，可采用如圖2所示的輸入接口電路。

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　　其中2個(gè)二極管D1和D2起過(guò)載保護(hù)作用，當(dāng)輸入電壓高于VREF+0.7 V左右時(shí)，D1導(dǎo)通，輸入電平被箝位在VREF+0.7 V的水平上;當(dāng)輸入電壓低于-0.7 V的水平上。這種過(guò)載往往是尖峰干擾，持續(xù)時(shí)間很短。MCS-96的技術(shù)條件規(guī)定模擬輸入端對(duì)模擬地ANGND的電壓不能低于-0.3 V，這一點(diǎn)可靠輸入端的低通濾波器R4和C1來(lái)保證。圖中此濾波器的時(shí)間常數(shù)τ=R4C1=270×0.01=2.7μs，若以-0.7 V作為此濾波器的階躍輸入，則此濾波器輸出端(即80C196KC的模擬信號(hào)輸入端)達(dá)到-0.3 V的電平需耗時(shí)：

　　t=-τln(1-0.3/0.7)=1.15μs

　　而通常這類(lèi)尖峰噪聲的峰值持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于上述時(shí)間，因此，這一輸入電路可有效地起到過(guò)載保護(hù)作用。

　　1.2　中央控制單元

　　80C196KC是CHMOS高性能16 b單片機(jī)中的一個(gè)新分支，內(nèi)部EPROM/ROM為16 b，內(nèi)部RAM為488 b，有24 b的專(zhuān)用寄存器。80C196KC中采用了“垂直窗口”結(jié)構(gòu)，使得新增的256 b RAM通過(guò)窗口映射同樣可以作為通用寄存器來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。80C196KC可以采用16 MHz的晶振，內(nèi)部時(shí)鐘是2分頻，其運(yùn)行速度比12 MHz的80C196KB快33%，比12 MHz的8096BH快1倍。最小電路是指能使單片機(jī)工作而所加的最少的外圍設(shè)備，一般包括復(fù)位電路和晶振。80C196KC的最小電路如圖3所示。

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　　1.3　輸出單元

　　輸出共有12路，其中P1.0～P1.3控制A相，P1.4～P1.7控制B相，HSO.0，HSO.1，P2.6，P2.7控制C相。輸出經(jīng)過(guò)光控可控硅MOC3061進(jìn)行隔離，又經(jīng)一級(jí)雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)后，加在雙向晶閘管的控制級(jí)，控制雙向晶閘管的導(dǎo)通，進(jìn)而控制電容器的投切。輸出電路如圖4所示。

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　　從80C196KC的輸出管腳輸出的信號(hào)電流只有幾個(gè)μA，不足以驅(qū)動(dòng)后邊的光電耦合器，所以加一個(gè)TTL芯片5407作為電流驅(qū)動(dòng)元件。MOC3061是常用的雙向晶閘管輸出的光電耦合器，他的輸出端是光敏雙向晶閘管，當(dāng)光電耦合器的輸入端有15 mA電流流入時(shí)，晶閘管即導(dǎo)通。MOC3061的輸出端還配有過(guò)零檢測(cè)電路，用于控制晶閘管過(guò)零觸發(fā)，以減少用電器在接通時(shí)對(duì)電網(wǎng)的影響。

　　2　軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件采用了高級(jí)語(yǔ)言PL/M-96嵌入匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的部分如A/D轉(zhuǎn)換部分，由于匯編語(yǔ)言具有靈活性好、代碼轉(zhuǎn)換速度快等特點(diǎn)，同時(shí)80C196KC的指令系統(tǒng)效率高，執(zhí)行速度快，因此采用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)A/D轉(zhuǎn)換程序，其他部分采用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)，程序可讀性好。

　　整個(gè)軟件共包括7部分，他們分別是：主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、投切子程序、電壓投切子程序、電流計(jì)算子程序、輸出子程序、軟件定時(shí)器中斷服務(wù)程序。下面介紹主程序及A/D轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計(jì)。

　　2.1　主程序設(shè)計(jì)

　　主程序流程圖如圖5所示。

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　　2.2　A/D轉(zhuǎn)換子程序

　　數(shù)據(jù)采樣是通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換與軟件定時(shí)器的中斷服務(wù)程序相結(jié)合完成的。每個(gè)周期測(cè)量開(kāi)始由主程序確定模擬通道;用軟件定時(shí)器定時(shí)，然后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。軟件定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到進(jìn)入軟件定時(shí)器中斷服務(wù)程序，由軟件定時(shí)器中斷服務(wù)程序中返回主程序完成一個(gè)周期的采樣過(guò)程。

　　A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖6所示。

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　　系統(tǒng)中軟件定時(shí)器中斷子程序是采用高級(jí)語(yǔ)言PL/M語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)的，附程序如下：

　　定時(shí)20 ms程序：

　　hso_command=18h;/*采用軟件定時(shí)器0，中斷方式*/

　　hso_time=timer1+15000; /*定時(shí)20 ms*/

　　3　結(jié)　語(yǔ)

　　該補(bǔ)償器無(wú)觸點(diǎn)、不發(fā)熱、小沖擊、過(guò)零投切、安全可靠、免維護(hù)?？刂撇糠植捎昧?0C196KC單片機(jī)為核心的控制器，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)補(bǔ)償、無(wú)人值守。他解決了以往有觸點(diǎn)投切工作不可靠、故障率高、維護(hù)量大、使用壽命短等特點(diǎn)。