毕业设计论文单片机功率因数自动检测软件设计管理资料Word下载.docx
《毕业设计论文单片机功率因数自动检测软件设计管理资料Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文单片机功率因数自动检测软件设计管理资料Word下载.docx（29页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
第3章程序设计·
（18）
（20）
结束语、致谢、参考文献·
（29）
第一章功率因数的自动检测
要检测供电系统中的功率因数cos，只要测量电压与电流的相位差，既测量两个同频率正弦信号的相位差，如图1所示。
电网中的交流电压周期T被认为是固定的，只要能测量出Tx值，就可以用下式求得相位差：
φ=（Tx/T）×
360°
Uac
Uu
Ib
Ui
图1电压与电流的时间差Tx
其中Tx为电压信号与电流信号过零的时间差。
因此，问题的关键是求Tx的时间值。
为此，把两个正弦交流信号通过过零检测转换为相同频率的方波信号。
取其正半周，其波形如图2所示
UI
tt
T
图2电压电流由正弦信号变成方波信号
利用电压方波的上升沿起动一个对固定周期为Tc的脉冲进行计数的计数器，而利用电流方波的上升沿停止该计数器，由于Tc是已经知道的。
计数器可读得计数值N，则Tx=NTc。
这样就测得了Tx的值。
一个供电系统的功率因数值通常是随负载的大小而变化。
当负载大时，功率因数较低，为了提高功率因数就要及时投入补偿电容。
当负载较小时，就要及时切除补偿电容，否则会造成过补偿，同样降低功率因数的值。
利用单片机实时测量功率因数值，并控制补偿电容的自动投切，能达到最佳的补偿效果。
补偿电容的容量要根据用电系统的容量和补偿前后的功率因数值来确定。
将补偿电容分成若干组，组数多一些，补偿的效果就好一些。
第二章硬件装置
利用单片机自动地补偿功率因数，是通过硬件与软件密切配合完成的。
由于单片机是把微型计算机主要部件都集成在一块芯片上，即一块芯片就是一个微型计算机。
因此，单片机具有以下特点：
1）有优异的性能价格比。
目前国内市场上，有些单片机的芯片只有几元人民币，加上少量外围元件，就是构成一台功能相当丰富的智能化控制装置。
2）集成度高，体积小，可靠性好。
单片机把个功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。
而且，由于单片机体积小，易于采取电磁屏蔽或密封措施，适合于在恶劣的环境下工作。
3）控制能力强，单片机指令丰富，能充分满足工业控制的各种要求。
4）低功耗，低电压，便于生产便携产品。
5）易扩展。
可根据需要并行或串行扩展，构成各种不同应用规模的计算机控制系统。
片内有足够的FlashROM,可避免扩展外ROM，成为名副其实的单片机扩展外ROM既增加了应用技术，又增加了线路的复杂性，降低可靠性，一般来说，对于一个中等规模的单片机应用系统，有8KB左右的ROM，已经够用了，AT89C51系列单片机有4-20KB可供选择，已完全胜任绝大多数单片机应用系统对ROM容量的要求。
6）FlashROM修改程序十分方便。
ATMEL89系列单片机内的FlashROM可檫写1000次以上，应用并不复杂的通用ROM写入器就能方便地檫写。
一般来说，单片机应用系统在开发阶段，程序修改十分频繁，即使在产品定型生产后，程序修改和软件升级也是常有的事。
这是单片机产品与一般电子产品的区别，单片机产品可以在硬件电路维持不变的情况下，通过修改程序升级产品档次，扩展产品的功能。
7）具有在片程序ROM二级保密系统。
在许多情况下，单片机产品需要保护程序存储器ROM中的程序，防止被非法剽窃。
一般EPROM型单片机芯片只有一级保密系统，如8751即只有一个封锁位，对其编程后，可防止任何外部方式访问内ROM。
檫除EPROM，保密位也同时被檫除89C51系列单片机内ROM具有二级保密系统，即具有3个保密位，对其编程后可呈现3种不同方式的保密功能，表2-6为89C51系列单片机程序封锁位及其功能。
封锁方式序号
程序封锁位
保密功能
LB1
LB2
LB3
1
U
不设程序加密
2
P
不允许在片外内ROM代码；
禁止ROM进一步编码
3
除了具有方式2功能外，同时禁止内ROM校验
4
除了具有方式3能外，同时禁止内ROM执行
注：
LB1，LB2，LB3为3个封锁位P=被编程U=未编程
8）AT89C52-AT89C55芯片与80C51系列单片机中的80C52芯片相同，有定时、计算器3个，中断源6个，片内RAM256B，其中128B与特殊功能寄存器地址空间重叠，均为80H-FFH读写区方法是：
读写特殊功能寄存器用直接寻地址或寄存器地址，同89C51读写内RAM高128B用@Ri间接寻址。
9）AT89C51系列单片机还有相应的低电压芯片AT89LV51、AT89LV52、AT89LV53、AT89LV54、AT89LV55、。
10）AT89C51系列单片机时钟频率最高可为24MHz。
其硬件装置的作用是对电压信号、电流信号采样，把它们转换成适合单片机测量的信号，在设计具体电路时要考虑便于与单片机连接。
硬件装置的总体框图如图3所示
图3硬件装置的总体框图
图4单片机部分电路
80C51单片机内有一高增益反相的放大器，按图连接即可构成自激振荡电路，振荡频率取决于石英晶体振荡频率，，C1，C2主要起频率微调和稳定作用，电容值可取10-30Pf。
当采用外振荡输入时，8051（HMOS）可按图2-8b连接，80C51（HMOS）可按图2-8bc连接。
图2-12a为80c51上电复位电路。
RC构成微分电路，在上电瞬间，产生一个微分脉冲，其宽度若大于2个机器周期，80c51将复位。
为保证微分脉冲宽度足够大，RC时间常数应大于两个机器周期。
一般取22μf电容，1kω电阻。
图2-12b是按键复位电路。
该电路有上电复位功能外，若要复位，只需按下图中REST键R1C2仍构成微分电路，按下RST端产生一个微分脉冲复位，复位完毕C2经R2放电，等待下一次按下复位按键。
图5信号提取电路
一般的局部供电三相交流系统，其三相负载是不平衡的。
为了能真实地反映三相电功率因数的值，从A、C相取电位差Uac为电压信号，从而B取电流信号Ib，这样能基本上取其功率因数平均值。
根据三相交流点电中相带奶牙之间的相位关系（见图6），可知Uac与Ub是正交，若系统的功率因数是1，那么Ub与Ib一定相同，也就是Uac与Ib正交，即Uac超前Ib90°
；
若性同的功率因数不为1，则Ub与Ib（I′b）间一定有一个夹角±
φ。
由于φ值不可能等于或超过90°
，所以电压信号Uac总是超前于电流信号Ib90°
±
的。
在该系统中，实际测量的是Uac与Ib之间的相位角，若此夹角小于90°
，即
90°
-φ，则电流Ib超前于电压Ubφ角，是容性负载，过补偿。
若此夹角大于90°
，即
90°
+φ，则电流Ib落后于电压Ubφ角，是感性负载，欠补偿。
在一般供电系统中，都是感性负载。
图6电压信号Uac与电流信号Ib的相位关系
Uac通过变压器变成5V，而电流信号Ib通过一个并联小电阻的电流互感器转换成同相位的电信号，如图6所示。
从变压器与电流互感器取得的电压与电流信号，送到LM339过零检器中，转换成TTL电平的方波信号（见图2）。
供电系统中，功率因数瞬间波动的幅度有时是很大的，为了能准确地测量功率因数，求得较平稳的变化趋势，要控制适当的测量间隔和采取多次测量求平均功率因数植的方法。
定时电路的功能是控制测量时间的间隔。
通过修改程序参数，控制时间可以在很大范围内调整。
计数脉冲的周期是1us，它是由系统时钟12M得到的，计数脉冲在电压信号Uu的上升沿送入计数器，而在电流信号Ui的上升沿停止计数脉冲。
计数器对计数脉冲进行计数，从而确定系统的功率因数（见图2）。
计数电路的实质是相位差测量电路。
它是利用单片机定时器来实现的。
计数器电路有两个8位计数器组成。
T0的两个8位计数器是TH0和TL0，TH0是高8位，TL0是低8位；
T1是两个8位计数器TH1和TL1，合起来是16位计数器。
定时时间和计数值可以编程设定，其方法是在计数器内设置一个初值，然后加1计满后溢出。
调整计数器初值，可调整从初值到溢出的数值，即调整了定时时间和计数值。
需要指出的是，定时/计数器作为计数器时，外部事件脉冲必须从规定的引脚输入，，，从其他引脚无效。
且外部脉冲的最高频率不能超过时钟频率的1/24。
例如fosc=12MHZ则外部事件脉冲的频率不能高于500KHZ，因为CPU确认一次脉冲跳变需要两个机器周期。
定时/计数器的控制寄存器
80C51定时/计数器时可编程的，其编程操作通过两个特殊功能寄存器TCON和TMOD的状态设置来实现。
TCON的结构和各位名称、位地址如表
TCON
T1
中断标志
运行控制
T0
/INT1
触发方式
/INT0
位名称
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
位地址
8FH
8EH
8DH
8CH
8BH
8AH
89H
88H
TCON的低4位与外中断/INT0、/INT1有关，已在中断系统中介绍。
高4位与定时/计数器T0、T1有关，介绍如下：
1）TF1——定时/计数器T1溢出标志。
当T1被允许计数后，T1从初值开始加1计数至最高位产生溢出时，TF1置“1”，即表示请求中断。
CPU响应中断后由硬件自动对TF1清0。
也可在程序中用指令查询TF1或置“1”、清“0”。
2）TF0——定时/计数器T0溢出标志。
其意义与功能与TF1相似
3）TR1——定时/计数器T1运行控制位。
TR1=1，T1运行（T1是否运行还有其他条件）；
TR1=0，T1停。
4）TR0——定时/计数器T0运行控制位，其意义与功能与TR1相似。
TCON的字节地址为88H，每一位有位地址，均可操作。
TMOD用于设定定时/计数器的工作方式，低4位用于控制T0，高4位用于控制T1。
TMOD的结构和各位名称、功能如表
高4位控制T1
低4位控制T0
门控制
计数/定时方式选择
工作方式选择
门控位
GATE
C//T
M1
M0
M0
1）M0M1——工作方式选择位。
M1M02位二进制数可表示4种状态，因此M1M0可选择4种工作方式，如表
M1M0
工作方式
功能
00
方式0
13位计数器
10
方式2
8位计数器，初值自动装入
01
方式1
16位计数器
11
方式3
两个8位计数器，仅用于T0
2）C//T——计数/定时方式选择位。
C//T=1，为计数工作方式，对外部事件脉冲计数，负跳变脉冲有效。
C//T=0，为定时工作方式，对片内周期脉冲计数，用作定时器。
3）GATE——门控位。
GATE=0，定时/计数器的运行只受TCON中运行控制位TR0/TR1的控制。
GATE=1，定时/计数器的运行同时受TR0/TR1和外中断输入信号（/INT0//INT1）的双重控制，只有当/INT0//INT1=1且TR0/TR1=1时T0/T1才能开始运行。
以T0为例，GATE=0时，TR0=1，T0运行；
TR0=0，T0停。
GATE=1时，TR0=1，且/INT0为高电平时，TO运行。
两个条件有一个不满足，T0就不能运行。
TMOD字节地址为89H，不能位操作。
因此，设置TMOD须用字节操作指令。
定时/计数器是单片机系统的一个重要的部件，其工作方式是灵活，编程简单，使用方便，可用来实现定是控制，延时，频率测量，脉冲测量，信号发生，信号检测等。
此外，定时/计数器还可以作为串行通信中波特率发生器。
80C51单片机的内部有两个定时/计数器T1/T2，其核心是计数器，基本功能是加1。
对外部事件脉冲（下降沿）计数；
对片内机周脉冲计数，是定时器。
因为片内机周脉冲频率是固定的，是fosc的1/12。
若fosc=12MHz，1机周为1us;
若fosc=6MHz，1机周为2us，机周脉冲时间乘以机周数就是定时时间。
通过对定时器编程可以确定其计数功能。
投切控制电路的功能是执行补偿电容机会均相等地参加补偿。
由单片机输出的控制信号经过功率放大，通过小型继电器、交流接触器来执行对电容的投切。
80C51串行口
80C51系列单片机有一个全双工的串行口，这个口既可以用于网络通信，也可以实现串行异步通信，还可以作为同步移位寄存器使用。
80C51有关串行通信的特殊功能寄存器有串行数据缓冲器SBUF、串行控制寄存器SCON和电源控制寄存器PCON
1）串行数据缓冲器SBUF
80C51单片机串行口是由发送缓冲寄存器SBUH，接收缓冲寄存器SBUH和移位寄存器三部分组成。
SBUH是串行口缓冲寄存器。
包括发送寄存器和接收寄存器，以便能以全双工方式进行通信。
此外，在接收寄存器之前还有移位寄存器，从而构成了串行接收的双缓冲结构，以避免在数据接收过程中出现桢重叠错误。
与接收数据情况不同，发送数据时，由于CPU是主动的，不会发生桢重叠错误，因此发送电路就不需双重缓冲结构。
在逻辑上，SBUH只有一个，即表示发送寄存器，又表示接受寄存器。
具有不同一个单元地址99H。
在物理上，SBUH有两个，一个是发送缓冲寄存器，另一个是缓冲寄存器。
在完成串行初始后，发送时，只需将发送数据输入SBUH，CPU将自动启动和完成串行数据的发送；
接收时，CPU将自动把接收到的数据存入SBUH，用户只需从SBUH中读出接收数据。
2）串行控制寄存器SCON
串行控制寄存器SBUH的结构和各位名称、位地址如表：
SCON
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
SM0
SM1
SM2
REN
TB8
RB8
TI
RI
9FH
9EH
9DH
9CH
9BH
9AH
99H
98H
多机通信控制
接收允许
发送9位
发送中断
接收中断
各位功能说明如下：
1SM0SM1——串行口工作方式选择位。
其状态组合所对应的工作方式如表：
表1
SM0SM1
工作方式
功能说明
同步移位寄存器输入/输出，波特率固定为fosc/12
01
8位UART，波特率可变（T1溢出率/n，n=32或16）
9位UART，波特率固定为fosc/n，（n=64或32）
9位UART，波特率可变（T1溢出率/n，n=32或16）
2SM2——多机通信控制位。
在方式2和方式3中，若SM2=1，且RB8（接收到的第九数据）=1时，将接收到的前8位数据送入SBUH，并置位RI产生中断请求；
否则，将接收到的8位数据丢弃。
而当SM2=0时，则不论第九位数据为0还是为1，都将前8位数据装入SBUF中，并产生中断请求。
在方式0时，SM2必须为0。
3REN——允许接收控制位。
REN位用于对串行数据的接收进行控制：
REN=0，禁止接收；
REN=1，允许接收。
该位由软件置位或复位。
4TB8——方式2和方式3中要发送的第九位数据。
在方式和方式3时，TB8是发送的第九位数据。
在多机通信中，以TB8位的状态表示主机发送的是地址还是数据：
TB8=0表示数据，TB8=1表示地址。
TB8还可用于奇偶校验位。
5RB8——方式2和方式3中要接收的第9位数据。
在方式2或方式3时，RB8存放接收到的第9位数据。
6TI——发送中断标志。
当方式0时，发送完第8位数据后，该位由硬件置位。
在其他方式下，遇发送停止位时，该位由硬件置位。
因此TI=1，表示桢发送结束，可软件查询TI位标志，也可以请求中断。
TI位必须由软件清0。
7RI——接收中断标志。
当方式0时，接收完第8位数据后，该位由硬件置位。
在其他方式下，当接收到停止位时，该位由硬件置位。
因此RI=1，表示桢发送结束，可软件查询RI位标志，也可以请求中断。
RI位必须由软件清0。
3）电源控制寄存器PCON
PCON主要是为CHMOS型单片机电源控制而设置的专用寄存器，其中最高位SMOD是串行口波特率的倍增位，当SMOD=1时串行口波特率加倍。
系统复位时，SMOD=0。
PCON寄存器不能进行为寻址。
如表：
PCON
D7
D6
D5
D4
D3
D2
SMOD
——
GF1
GF0
PD
IDL
80C51串行通信共有4种工作方式，由串行控制寄存器SCON中SMOSM1决定，如表1
1）串行工作方式0
在方式0下，串行口是作为同步移位寄存器使用。
这时以RXD（）端作为数据移位的输入/输出端，而TXD（）端输出移位脉冲。
移位数据的发送和接近以8位一桢，不设起始位和停止位，无论输入/输出，均低位在前高位
升级会员 