基于AT89C52單片機(jī)控制的柔性低壓無功功率補(bǔ)償器的設(shè)計(jì) - 副本

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書基于AT89C52單片機(jī)控制的柔性低壓無功功率補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)摘 要在電力系統(tǒng)中，功率因數(shù)的提高是一項(xiàng)重要的技術(shù)工作，直接關(guān)系到輸電線路的電能損耗供電的經(jīng)濟(jì)性，供電質(zhì)量。功率因數(shù)的補(bǔ)償措施一直為人們所重視。研制高性能的功率因數(shù)裝置具有實(shí)際的社會(huì)，經(jīng)濟(jì)效益。本文介紹了基于AT89C52控制的高精度低壓無功功率補(bǔ)償器。該控制器采用數(shù)字檢測(cè)電路來獲取電網(wǎng)電壓與電流的相位差;控制開關(guān)采用過零型固態(tài)繼電器，使投切控制實(shí)現(xiàn)等電壓投入，零電流切除；單片機(jī)AT89C52實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、輸入、輸出控制等功能。通過實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)功率因素分析，該控制器具有對(duì)電網(wǎng)沖擊小，響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)，精度高,可分相投切等優(yōu)點(diǎn)，適用于目前企業(yè)用戶進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。 本文運(yùn)用AT89C52單片機(jī)，對(duì)電力系統(tǒng)中低壓無功功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，使功率因數(shù)達(dá)到調(diào)整和優(yōu)化，提高了電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。關(guān)鍵詞： AT89C52 功率因數(shù) 補(bǔ)償器 電容器ABSTRACTThe article introduces passive power compensator based on AT89C52 controlling with high precision. It measures excess phase of voltage and circuit used digital circuit. The AC solid-state relay of passing zero is applied to the control switch. It is input when the voltage of the power system equals the voltage of the capacitor and elimination when the circuit is zero. A Microcomputer AT98C52 competes the Data process, input, output etc. The practical result shows the advantages of high precision, less influence on low-voltage power system, fast response, connecting capacitors with single-phase and the ability of anti-jamming. It is mainly used to compensate passive power in present factory and mine.In the power-system, the raise of the power-factor is a important technologic work. It matters the utility and quality of the power-system. The method of power-factor has always been taking seriouslyby people. The research of the high-quality power-factor compensationhas great social and economic meanings.This article utilizes the AT89C52 monolithic integrated circuit, thelow pressure reactive power carries on the monitor and the control tothe electrical power system in, enables the power factor to achievethe adjustment and the optimization, improved the electrical powersystem power supply quality and the economical movement.Keywords： AT89C52 Power-factor Compensator Capacitor目 錄摘 要I ABSTRACTII 第一章 緒論1 第二章 功率因數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概述5 2.1 功率因數(shù)的計(jì)算.5 2.2 低壓無功功率設(shè)備安裝的原則與方法.6 2.2.1 電容器裝置控制方式的選擇7 2.2.2 各種無功補(bǔ)償設(shè)備及補(bǔ)償方式7 2.3 投切方式分類9 2.3.1 延時(shí)投切方式9 2.3.2 瞬時(shí)投切方式10 2.3.3 混合投切方式11 2.4 無功功率補(bǔ)償器設(shè)計(jì)的總體框圖11 第三章 功率補(bǔ)償系統(tǒng)單元電路的設(shè)計(jì)13 3.1 AT89C52單片機(jī)13 3.2 相位差檢測(cè)單元電路的設(shè)計(jì)20 3.2.1 相電壓、相電流輸入電路21 3.2.2 相位差的檢測(cè)22 3.2.3 相位差的計(jì)算24 3.3 投切電容電路的設(shè)計(jì)28 3.3.1 8255A28 3.3.2 柔性投切電路.30 3.3.3 過零投切電路與8255A的接口33 3.4 三相功率因數(shù)的顯示電路設(shè)計(jì)34 3.4.1 LED顯示器34 3.4.2 8255A與LED顯示器的接口36 3.5 RS-232C串行通信接口38 3.5.1 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)38 3.5.2 MAX232與AT89C52的接口電路39 3.6 “看門狗”單元電路設(shè)計(jì)40 3.6.1 微處理器監(jiān)控器MAX690A40 3.6.2 MAX690A與AT89C52的接口42 3.7 電源電路設(shè)計(jì)44 第四章 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)45 4.1 主程序設(shè)計(jì)流程圖45 4.2 子程序設(shè)計(jì)流程圖46 第五章 系統(tǒng)抗干擾方法47 5.1 干擾的形成47 5.2 干擾的分類47 5.3 干擾的耦合方式47 5.4 硬件抗干擾措施48 5.4.1 抑制干擾源48 5.4.2 切斷干擾傳播路徑48 5.4.3 提高敏感器件的抗干擾性能49 5.4.4 其它常用抗干擾措施49 5.4.5 印制板工藝抗干擾措施50 5.5 軟件抗干擾措施50 結(jié)論51 參考文獻(xiàn)52 附錄154 附錄262 致謝6770第一章 緒論 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)際化能源緊張局勢(shì)的加劇，加強(qiáng)電能質(zhì)量和節(jié)能降耗的影響十分重要，這其中采取無功補(bǔ)償方式提高功率因數(shù)降等都是行之有效的措施。在電力供電系統(tǒng)中，功率因數(shù)的提高是一項(xiàng)重要的技術(shù)工作，直接關(guān)系到輸電線路的電能損耗及供電的經(jīng)濟(jì)性，供電質(zhì)量。功率因數(shù)的補(bǔ)償措施一直為人們所重視。研制高性能的功率因數(shù)補(bǔ)償裝置具有實(shí)際的社會(huì)，經(jīng)濟(jì)效益。而且在電力系統(tǒng)中，無功功率要保持平衡，否則，將會(huì)使系統(tǒng)電壓下降，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞，系統(tǒng)瓦解。此外，網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)和電壓降低，使電氣設(shè)備得不到充分利用，促使網(wǎng)絡(luò)傳輸能力下降，損耗增加。因此，解決好網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償問題，對(duì)網(wǎng)絡(luò)降損節(jié)能有著極為重要的意義。 按電網(wǎng)無功功率補(bǔ)償方式可分為串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償。并聯(lián)補(bǔ)償方式又可分為電容器組補(bǔ)償，調(diào)電感補(bǔ)償，調(diào)相機(jī)補(bǔ)償?shù)囊葡嘌a(bǔ)償?shù)?。本設(shè)計(jì)我們將采用并連電容器補(bǔ)償，主要應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓電力系統(tǒng)的監(jiān)控，完成功率因數(shù)的測(cè)量，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行電容組的投切，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的功率因數(shù)的補(bǔ)償。 無功補(bǔ)償控制器是無功補(bǔ)償?shù)暮诵?其性能直接影響補(bǔ)償?shù)男Ч?。它是根?jù)檢測(cè)的功率因數(shù)或無功功率,按照一定的控制規(guī)則投入/切除電容器,實(shí)現(xiàn)對(duì)線路進(jìn)行無功補(bǔ)償。在低壓配電網(wǎng)中有相當(dāng)一部分是感性負(fù)荷，它不僅要消耗大量的有功功率，也要吸收很多的無功功率，從而使功率因數(shù)下降，導(dǎo)致無功電源不足，系統(tǒng)電壓降低，電能損耗增大，這大大影響了電網(wǎng)的供電能力。因此電力部門千方百計(jì)要提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，除本身采取相應(yīng)的措施外，更要求每個(gè)用戶在其母線上進(jìn)行功率因數(shù)的補(bǔ)償。即借助于相關(guān)的無功功率補(bǔ)償設(shè)備，及時(shí)、正確、必要的提供無功功率補(bǔ)償。由于這個(gè)課題涉及面廣，且有較高的經(jīng)濟(jì)含量和技術(shù)附加量，因此無功功率補(bǔ)償設(shè)備的研究一直是國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)激烈競(jìng)爭(zhēng)的項(xiàng)目之一。無功功率補(bǔ)償技術(shù)近年來己越來越引起人們的關(guān)注，它是涉及電力、電子技術(shù)、電氣自動(dòng)化技術(shù)和理論電子等領(lǐng)域的重大課題。本設(shè)計(jì)著重論述了單片機(jī)和計(jì)算機(jī)控制組成控制系統(tǒng)進(jìn)行功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償裝置。 我國(guó)電網(wǎng)曾在20世紀(jì)70年代由于缺乏無功功率補(bǔ)償設(shè)備而長(zhǎng)期處于低電壓運(yùn)行狀態(tài)。有些地方想用調(diào)節(jié)變壓器分接頭的辦法來解決本地區(qū)電壓低的問題。開始，這種辦法也有一些效果，某些供電點(diǎn)電壓升高了，但這是以降低別處電壓為代價(jià)的，因?yàn)榭偟臒o功電源不足，局部地區(qū)電壓升高無功負(fù)荷增大，必然使別處無功功率更少、電壓更低。各處普遍采用調(diào)節(jié)變壓器分接頭的結(jié)果，不僅沒能提高負(fù)荷的供電電壓，而是使得無功損耗加大，整個(gè)系統(tǒng)低電壓?jiǎn)栴}更加嚴(yán)重。在這種情況下，首要的問題應(yīng)該是增加無功功率補(bǔ)償設(shè)備。低壓運(yùn)行同時(shí)對(duì)電網(wǎng)安全帶來巨大危害，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，十分脆弱，經(jīng)受不起事故異常及負(fù)荷強(qiáng)烈變化對(duì)系統(tǒng)的沖擊、十分容易造成大面積的停電和系統(tǒng)瓦解的后果，國(guó)內(nèi)外均有此先例。由此可見，合理配置無功電源，進(jìn)行無功補(bǔ)償是非常重要，我們進(jìn)行無功補(bǔ)償研究是一個(gè)重要的課題。由于人工投切電容不能及時(shí)跟蹤無功負(fù)荷的變化，不能始終保持功率因數(shù)和電壓質(zhì)量在規(guī)定范圍，所以無功的自動(dòng)控制是一個(gè)值得研究的課題 無功功率問題，根據(jù)世界各個(gè)地區(qū)電力系統(tǒng)近數(shù)十年來的經(jīng)驗(yàn)，積累了大量資料。我國(guó)電力系統(tǒng)亦同樣積累了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中去是有一定重要價(jià)值的。有效的無功補(bǔ)償有非常大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，主要表現(xiàn)在： 1. 減少線路損耗。就全國(guó)講，線路損耗約占據(jù)12%，其中主要是無功分量引起的損耗，若無功線損降低50%60%，一年便可節(jié)電500億度左右，相當(dāng)于半個(gè)三峽工程的發(fā)電量。這種不消耗一次能源，便可增大發(fā)電量的工程是絕好的綠色工程。且投資極小，見效快。 2. 避免罰款。我國(guó)電力部及物價(jià)局“關(guān)于頒發(fā)功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法通知”中規(guī)定，功率因數(shù)0.94時(shí)，減少電費(fèi)1.1%，功率因數(shù)0.6時(shí)增加電費(fèi)15%。例如一個(gè)315KVA的變壓器，功率因數(shù)從0.6提高到0.94以上，年獎(jiǎng)罰差34萬元。 3. 不額外投資，便實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。進(jìn)行無功補(bǔ)償后，便可提高用電承載率，變壓器可滿負(fù)荷運(yùn)行。例如一臺(tái)315KVA的變壓器，COS=0.6負(fù)荷的變壓器只能提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)189KW的有功功率，不能承受300KW左右的容量，需購(gòu)買一臺(tái)500KVA的變壓器替換。將功率因數(shù)由0.6提高到0.98，相當(dāng)于擴(kuò)大了63%,既有功由189KW提高到309KW可基本滿足需要的容量，便節(jié)省了一臺(tái)500KVA的變壓器，經(jīng)費(fèi)約三四十萬元。 4. 改善電能質(zhì)量，延長(zhǎng)了電器壽命，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 電能質(zhì)量用電壓和頻率二個(gè)指標(biāo)衡量，電壓的穩(wěn)定性取決于無功的平衡。頻率的穩(wěn)定性取決于有功的平衡，而電壓的穩(wěn)定與否又直接影響電器壽命，影響機(jī)械加工精度。如果電壓穩(wěn)定性提高5%僅照明燈（壽命延長(zhǎng)50%）全國(guó)一年既可節(jié)約數(shù)億元。至于因電壓不穩(wěn)、供電不足而造成廢品、次品、設(shè)備減壽、停產(chǎn)、停電損失更是難以統(tǒng)計(jì)的。 在電網(wǎng)運(yùn)行中，因大量非線性負(fù)載的運(yùn)行，除了要消耗有功功率外，還要消耗一定的無功功率。負(fù)荷電流在通過線路、變壓器時(shí)將會(huì)產(chǎn)生功率與電能損耗，由電能損耗公式可知，當(dāng)線路或變壓器輸送的有功功率和電壓不變時(shí)，線損與功率因數(shù)的平方成反比。功率因數(shù)越低電網(wǎng)所需無功就越多，線損就越大。因此，在受電端安裝無功補(bǔ)償裝置，可減少負(fù)荷的無功功率損耗，提高功率因數(shù)，降低線損耗。 在電力系統(tǒng)中要設(shè)法減小相位差，提高cos值，稱為提高功率因數(shù)，以降低無功功率，減少電能損失。由=式看出，若能使(XL-XC)為零，則值為最小，功率因數(shù)最高，就是說如能使感抗和容抗最大限度地相互抵消，則線路中功率因數(shù)為最高。由容抗抵消感抗(反之亦然)從而減小的方法稱為功率因數(shù)補(bǔ)償。進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償可以： 1. 降低無功電流，減小線路及變電設(shè)備的損耗。線路損耗的功率與負(fù)載電流平方成正比，功率因數(shù)提高了，無功電流大大減小，則線路上的損耗也大大減小了。 2. 可以改善供電電壓質(zhì)量。當(dāng)功率因數(shù)提高后由于容性負(fù)載的加入，使線路末端的電壓平滑，起到了穩(wěn)定電壓的作用。 3. 提高系統(tǒng)的裕度。當(dāng)系統(tǒng)的設(shè)備容量不變時(shí)，提高功率因數(shù)，相當(dāng)于增加負(fù)載的容量。 4. 提高電路的功率因數(shù)不是負(fù)載本身的功率因數(shù)有什么改變而是負(fù)載本身的性能及指標(biāo)將不受任何影響。 由此可見，提高功率因數(shù)，不但是當(dāng)今能源形勢(shì)的緩兵之策，也是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的長(zhǎng)遠(yuǎn)政策。能源是有限的，既然是不可再生的，我們唯一能做的就是減少浪費(fèi)，高效合理的利用它們，這才是明智之舉，是我們除了尋找代替能源以外的最有價(jià)值的事情。 因此我們必須重視電能的高效利用，不光在傳輸過程中，在使用過程中也是一樣。這不僅符合經(jīng)濟(jì)效率的規(guī)律，還是能源科學(xué)使用的具體表現(xiàn)。既然我們不能給后代生產(chǎn)出不可再生資源，但我們可以高效使用它們，減少無謂的消耗，這跟我們?yōu)楹笕藙?chuàng)造能源是同出一轍的，具有相同的深遠(yuǎn)意義。 單片機(jī)是此設(shè)計(jì)的核心所在。隨著我國(guó)科技的進(jìn)步，自動(dòng)控制術(shù)也與日俱進(jìn)。而單片機(jī)的應(yīng)用也日益普遍化，現(xiàn)在單片機(jī)的應(yīng)用日益廣泛深入，諸如在儀器儀表、家用電器和專用裝備的智能化以及過程控制等方面，單片機(jī)扮演著重要的角色。此外我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，單片機(jī)應(yīng)用的意義絕不僅限于它的廣闊范圍以及所帶來的經(jīng)濟(jì)效益上。更重要的意義還在于，單片機(jī)的應(yīng)用正從根本上改變著傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能使用單片機(jī)通過軟件方法實(shí)現(xiàn)了。這種以軟件取代硬件并提高系統(tǒng)性能的控制技術(shù)，稱之為微控制技術(shù)。微控制技術(shù)標(biāo)志著一種全心概念的出現(xiàn)是對(duì)傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。隨著單片機(jī)應(yīng)用的推廣普及，微控制技術(shù)必將不斷發(fā)展，日益完善，更加充實(shí)。普遍來講可以將單片機(jī)分為通用型和專用型兩種類型。通用型單片機(jī)是一種基本芯片，它的內(nèi)部資源比較豐富，性能全面而且適用性強(qiáng)，能覆蓋多種應(yīng)用需求。用戶可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成各種不同應(yīng)用的控制系統(tǒng)，即通用單片機(jī)有一個(gè)再設(shè)計(jì)的過程，通過用戶的進(jìn)一步設(shè)計(jì)才能組成一個(gè)通用單片機(jī)芯片為核心再配以其他外圍電路的應(yīng)用控制系統(tǒng)。今后隨著單片機(jī)應(yīng)用的廣泛和深入，各種專用單片機(jī)芯片將會(huì)越來越多，并且必將成為今后單片機(jī)發(fā)展的重要方向。但是應(yīng)當(dāng)說明，無論專用單片機(jī)在應(yīng)用上多么專，其原理和結(jié)構(gòu)是建立在通用單片機(jī)的基礎(chǔ)之上?？梢哉f單片機(jī)在控制領(lǐng)域是功不可沒的，我們要把它應(yīng)用到工業(yè)，國(guó)防業(yè)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)行業(yè)，提高我們自動(dòng)化水平，提高我們的科技競(jìng)爭(zhēng)力，顯然這將是一件具有巨大意義的事。 本次設(shè)計(jì)中采用了分相補(bǔ)償?shù)姆椒?，三相電容自?dòng)補(bǔ)償適用于三相負(fù)載平衡的供配電系統(tǒng)。因三相回路平衡，回路中無功電流相同，所以在補(bǔ)償時(shí)，調(diào)節(jié)無功功率參數(shù)的信號(hào)取自三相中的任意一相，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，三相同時(shí)投切可保證三相電壓的質(zhì)量。三相電容自動(dòng)補(bǔ)償適用于有大量的三相用電設(shè)備的廠礦企業(yè)中。在民用建筑中大量使用的是單相負(fù)荷，照明、空調(diào)等由于負(fù)荷變化的隨機(jī)性大，容易造成三相負(fù)載的嚴(yán)重不平衡，尤其是住宅樓在運(yùn)行中三相不平衡更為嚴(yán)重。由于調(diào)節(jié)補(bǔ)償無功功率的采樣信號(hào)取自三相中的任意一相，造成未檢測(cè)的兩相要么過補(bǔ)償，要么欠補(bǔ)償。如果過補(bǔ)償，則過補(bǔ)償相的電壓升高，造成控制、保護(hù)元件等用電設(shè)備因過電壓而損壞；如果欠補(bǔ)償，則補(bǔ)償相的回路電流增大，線路及斷路器等設(shè)備由于電流的增加而導(dǎo)致發(fā)熱被燒壞。這種情況下用傳統(tǒng)的三相無功補(bǔ)償方式，不但不節(jié)能，反而浪費(fèi)資源，難以對(duì)系統(tǒng)的無功補(bǔ)償進(jìn)行有效補(bǔ)償，補(bǔ)償過程中所產(chǎn)生的過、欠補(bǔ)償?shù)缺锥烁菍?duì)整個(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行帶來了嚴(yán)重的危害。對(duì)于三相不平衡及單相配電系統(tǒng)采用分相電容自動(dòng)補(bǔ)償是解決上述問題的一種較好的辦法，其原理是通過調(diào)節(jié)無功功率參數(shù)的信號(hào)取自三相中的每一相，根據(jù)每相感性負(fù)載的大小和功率因數(shù)的高低進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，對(duì)其它相不產(chǎn)生相互影響，故不會(huì)產(chǎn)生欠補(bǔ)償和過補(bǔ)償?shù)那闆r。 本次設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)最優(yōu)控制。其中包括數(shù)據(jù)的采集，電容組的投切控制、電力系統(tǒng)功率因數(shù)的顯示、看門狗設(shè)計(jì)等一系列環(huán)節(jié)，并采用了過零固態(tài)繼電器以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的柔性投切。應(yīng)用51系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)組電容模塊的控制，達(dá)到調(diào)整功率因數(shù)的目的。通過研究單片機(jī)在自動(dòng)控制中的用途，熟悉它的引腳功能，會(huì)用單片機(jī)來滿足實(shí)際中的具體需要。利用單片機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集電力系統(tǒng)的電力相關(guān)參數(shù)，計(jì)算功率因數(shù)，并結(jié)合所學(xué)專業(yè)，依據(jù)電力系統(tǒng)要求進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償。其中主要涉及美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)AT89C52。簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得整個(gè)系統(tǒng)的工作可靠性的抗干擾能力均大為提高。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電容組的投切，用以調(diào)整功率因數(shù)，使電力系統(tǒng)的功率因數(shù)大于0.90，這就是本次論文要實(shí)現(xiàn)的預(yù)期目標(biāo)。第二章 功率因數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概述2.1 功率因數(shù)的計(jì)算 在交流輸電線路中，由于負(fù)載特性的影響，電路中相電壓，相電流之間存在相位差，其角度大小取決于負(fù)載所呈現(xiàn)的感性或容性的程度。若以表示相位差，則：= (2-1) 式中：R為負(fù)載電阻； XL為負(fù)載電抗， XC為負(fù)載容抗。 負(fù)載中消耗的有功功率為P： (2-2)由(2-1) 式可得： p=UIco (2-3)如圖2-1所示，表示有功功率、無功功率和及視在功率之間的關(guān)系。圖 2-1 功率三角形圖式（2-3）中：U,I分別為電力線路中母線上的相電壓和相電流的有效值，若令S=UI,稱S為視在功率（其中包括有功功率和無功功率），則(2-3)寫作：p=Scos則：cos=若用Q表示補(bǔ)償電容的容量，則Q=PK；其中P為有功功率；K=tan1-tan2； 1為改善前的功率因數(shù)角； 2為改善后的功率因數(shù)角； 在確定并聯(lián)電容器的容量后，就可以選擇并聯(lián)電容器的型號(hào)和規(guī)格，并確定并聯(lián)電容器數(shù)量。如果為單相補(bǔ)償，還應(yīng)取為3的倍數(shù)，以便三相均衡分配。2.2 低壓無功功率補(bǔ)償設(shè)備安裝原則與方法 1. 在電力系統(tǒng)中，安裝容性設(shè)備或裝置以提高功率因數(shù)時(shí)，其安裝位置應(yīng)盡量靠近負(fù)載端，以增大補(bǔ)償?shù)男省?2. 容性裝置安裝在低壓側(cè)時(shí)，對(duì)低壓用電設(shè)備容量較大的電器(如：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電爐、電焊機(jī)等)，可以采用個(gè)別裝設(shè)的辦法，以補(bǔ)償局部無功功率消耗的情況；而對(duì)于低壓小容量零星設(shè)備，則可以采用集中在低壓配電柜母線側(cè)加裝低壓電容器的辦法集中補(bǔ)償，既經(jīng)濟(jì)又方便維護(hù)。 3. 對(duì)低壓側(cè)電動(dòng)機(jī)做個(gè)別補(bǔ)償時(shí)，電容器的開關(guān)與電動(dòng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行(見圖2-2)，則效果最好。因?yàn)楫?dāng)電動(dòng)機(jī)不工作時(shí)，則不必加裝補(bǔ)償電容，以避免由于補(bǔ)償過度，而導(dǎo)致線路中的無功電流反向增大的現(xiàn)象。 4. 補(bǔ)償電容器的容量以提高功率因數(shù)至90%為宜，不需要提高太多，以節(jié)約投資，同時(shí)避免由于補(bǔ)償過度，而導(dǎo)致線路中過大的充放電電流。 圖 2-2 電容器位置與開關(guān)同步操作2.2.1 電容器裝置控制方式的選擇 任何改善功率因數(shù)的裝置，都是通過降低無功電流來達(dá)到減小總電流，但當(dāng)電容量補(bǔ)償過大時(shí)，又會(huì)形成部分無功電流過大而導(dǎo)致總電流反而增大的現(xiàn)象。如何才能達(dá)到最佳的補(bǔ)償效果，這與用電設(shè)備的使用時(shí)間和連續(xù)性、非連續(xù)性有著很大的關(guān)系。根據(jù)用電設(shè)備的使用情況，將補(bǔ)償電容器進(jìn)行設(shè)計(jì)分組，采用不同的控制方式，以適應(yīng)不同的電力設(shè)備，無功功率補(bǔ)償裝置在電子供電系統(tǒng)中所承擔(dān)的作用是提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。所以無功功率補(bǔ)償裝置在電力供電系統(tǒng)中處在一個(gè)不可缺少的非常重要的位置。合理的選擇補(bǔ)償裝置，可以做到最大限度的減少網(wǎng)絡(luò)的損耗，使電網(wǎng)質(zhì)量提高。反之，如選擇或使用不當(dāng)，可能造成供電系統(tǒng)，電壓波動(dòng)，諧波增大等諸多因素。表2-3、2-4是通過研究得出的電容器裝置分組情況及控制方式。 表 2-3 補(bǔ)償電容器裝置分組情況用電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)特性電容器裝置分組全部連續(xù)性部分連續(xù)運(yùn)行型，部分為半連續(xù)型非連續(xù)運(yùn)行型固定型補(bǔ)償固定型補(bǔ)償器一組，可切換補(bǔ)償器一組固定型補(bǔ)償器椅子，補(bǔ)償器三組表 2-4 補(bǔ)償電容器裝置控制方式控制方式用電設(shè)備特性計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制計(jì)算機(jī)時(shí)間控制手動(dòng)控制用電量較大，負(fù)載變動(dòng)大，且各時(shí)段設(shè)備開關(guān)率都不同每日定時(shí)變化用電量（工作時(shí)段較固定）；每周設(shè)備的開關(guān)情況基本穩(wěn)定24小時(shí)用電量差異不大，或偶爾變化量較大時(shí)，且可以方便手動(dòng)操作的場(chǎng)合2.2.2 各種無功補(bǔ)償設(shè)備及補(bǔ)償方式 下面我們介紹各種無功功率補(bǔ)償設(shè)備及補(bǔ)償方式。 2.2.2.1 同步調(diào)相機(jī) 同步調(diào)相機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種不帶機(jī)械負(fù)載的同步電動(dòng)機(jī)，它是最早采用的一種無功補(bǔ)償設(shè)備，在并聯(lián)電容器得到大量采用后，它退居次要地位。其主要缺點(diǎn)是投資大，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜。因此，許多國(guó)家不再新增同步調(diào)相機(jī)作為無功補(bǔ)償設(shè)備。但是同步調(diào)相機(jī)也有自身的優(yōu)點(diǎn)： 1. 調(diào)相機(jī)可以隨著系統(tǒng)負(fù)荷的變化，均勻調(diào)整電壓，使電網(wǎng)電壓保持規(guī)定的水平。電容器只能分成若干個(gè)小組，進(jìn)行階梯式的調(diào)壓。 2. 調(diào)相機(jī)可以根據(jù)系統(tǒng)無功的需要，調(diào)節(jié)勵(lì)磁運(yùn)行，過勵(lì)磁時(shí)可以做到發(fā)出其額定100%的無功功率，欠勵(lì)磁時(shí)還可以吸收其額定的50%的無功功率。電容器只能發(fā)出無功，不能吸收無功。 3. 調(diào)相機(jī)可以安裝強(qiáng)行勵(lì)磁裝置，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，電壓劇烈降低，調(diào)相機(jī)可以強(qiáng)行勵(lì)磁，保持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，因而提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。電容器輸出無功功率與運(yùn)行電壓的平方成正比，電壓降低，輸出的無功將急劇下降，比如，當(dāng)電壓下降10%，變?yōu)?.9Ue時(shí)，電容器輸出的無功功率變?yōu)?.81Q，即其輸出的無功功率將下降19%，所以，電容器此時(shí)不能起到穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的作用。 2.2.2.2 并聯(lián)電容器 作為無功補(bǔ)償設(shè)備，電容器有以下顯著優(yōu)點(diǎn)： 1. 電容器是最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備。它的一次性投資和運(yùn)行費(fèi)用都比較低，且安裝調(diào)試簡(jiǎn)單。 2. 電容器的損耗低，效率高。現(xiàn)代電容器的損耗只有本身容量的0.02%左右。調(diào)相機(jī)除了本身的損耗外，其附屬設(shè)備還需用一定的所用電，損耗2%30%，大大高于電容器。 3. 電容器是靜止設(shè)備，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，沒有噪音。調(diào)相機(jī)為旋轉(zhuǎn)電機(jī)，運(yùn)行維護(hù)很復(fù)雜。 4. 電容器的應(yīng)用范圍廣，可以集中安裝在中心變電站，也可以分散安裝在配電系統(tǒng)和廠礦用戶。而調(diào)相機(jī)則只能固定安裝在中心變電站，應(yīng)用有較大的局限。 2.2.2.3 并聯(lián)電抗器 并聯(lián)電抗器是一種感性無功補(bǔ)償設(shè)備，它可以吸收系統(tǒng)中過剩的無功功率，避免電網(wǎng)運(yùn)行電壓過高。為了防止超高壓線路空載或輕負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，線路的充電功率造成線路電壓升高，一般裝設(shè)并聯(lián)電抗器吸收線路的充電功率，同時(shí)，并聯(lián)電抗器也用來限制由于突然甩負(fù)荷或接地故障引起的過電壓從而危及系統(tǒng)的絕緣。 并聯(lián)電抗器可以直接接到超高壓(275kV及以上)線路上，其優(yōu)點(diǎn)是：可以限制高壓線路的過電壓，與中性點(diǎn)小電抗配合，有利于超高壓長(zhǎng)距離輸電線路單相重合閘過程中故障相的消弧，從而提高單相重合閘的成功率。高壓電抗器本身?yè)p耗小，但造價(jià)較高。并聯(lián)電抗器也可以接到低壓側(cè)或變壓器三次側(cè)，有干式的和油浸的兩種，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)較低，操作方便。從發(fā)展趨勢(shì)看，更多的將采用高壓電抗器。大型并聯(lián)電抗器的技術(shù)、結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)與大型電力變壓器類似，也有單相和三相，心式和殼式之分，心式還可以分為帶間隙柱的和空心式的，目前我國(guó)制造的高壓大容量并聯(lián)電抗器只采用心式結(jié)構(gòu)。心式電抗器的結(jié)構(gòu)與心式變壓器類似，但是只有一個(gè)繞組，在磁路中加入間隙以保證不飽和，維持線性。 2.2.2.4 靜止補(bǔ)償器 靜止補(bǔ)償器是近年來發(fā)展起來的一種動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置，電容器、電抗器、調(diào)相機(jī)是對(duì)電力系統(tǒng)靜態(tài)無功電力的補(bǔ)償，而靜止補(bǔ)償器主要是對(duì)電力系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)沖擊負(fù)荷的補(bǔ)償。根據(jù)負(fù)荷變動(dòng)情況，靜止補(bǔ)償可以迅速改變所輸出無功功率的性質(zhì)或保持母線電壓恒定。 靜止補(bǔ)償器實(shí)際上是將可控電抗器與電容器并聯(lián)使用。電容器可發(fā)出無功功率，可控電抗器可吸收無功功率。其控制系統(tǒng)由可控的電子器件來實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于調(diào)相機(jī)，一般只有20ms。它主要用于沖擊負(fù)荷如大型電爐煉鋼、大型軋機(jī)以及大型整流設(shè)備等。另外，在電力系統(tǒng)的電壓樞紐點(diǎn)、支撐點(diǎn)也可以用靜止補(bǔ)償器來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)，靜止補(bǔ)償器還可以抑制諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害。在我國(guó)湖南、湖北、廣東、河南等多個(gè)500kV樞紐變電站都采用了這種裝置。 例如我國(guó)某大型煉鋼廠使用電弧爐煉鋼，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量，電弧爐運(yùn)行時(shí)使電壓下降15%20%，諧波的干擾使眾多用戶的電視不能收看，電器設(shè)備不能正常使用，群眾反應(yīng)強(qiáng)烈。 在裝了靜止補(bǔ)償裝置后，供電質(zhì)量顯著改善，電壓波動(dòng)很小，完全在允許范圍內(nèi)，諧波干擾明顯降低。在周圍廣大用戶普遍受益的同時(shí)，該廠也降低了線損，減少了電費(fèi)支出，提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。 靜止補(bǔ)償器的最大特點(diǎn)是調(diào)節(jié)快速。為了充分發(fā)揮它在需要無功功率時(shí)的快速調(diào)節(jié)能力，在正常情況下應(yīng)經(jīng)常運(yùn)行在接近零功率的狀態(tài)。但因正常負(fù)荷變動(dòng)引起的電壓變化過程緩慢，用一般價(jià)格比較便宜的電容器與電抗器等投切配合，完全可以滿足要求，沒有必要選用這種設(shè)備。 本次設(shè)計(jì)主要采用并連電容器的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)功率因數(shù)的補(bǔ)償。并聯(lián)電容器是電網(wǎng)中用得最多的一種無功功率補(bǔ)償設(shè)備，目前國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)中90%的無功補(bǔ)償設(shè)備是并聯(lián)電容器。2.3 投切方式分類2.3.1 延時(shí)投切方式 延時(shí)投切方式即人們熟稱的靜態(tài)補(bǔ)償方式。這種投切依靠于傳統(tǒng)的接觸器的動(dòng)作，當(dāng)然用于投切電容的接觸器專用的，它具有抑制電容的涌流作用，延時(shí)投切的目的在于防止接觸器過于頻繁的動(dòng)作時(shí)，電容器造成損壞，更重要的是防備電容不停的投切導(dǎo)致供電系統(tǒng)振蕩，這是很危險(xiǎn)的。當(dāng)電網(wǎng)的負(fù)荷呈感性時(shí)，如電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)等負(fù)載，這時(shí)電網(wǎng)的電流滯帶后電壓一個(gè)角度，當(dāng)負(fù)荷呈容性時(shí)，如過量的補(bǔ)償裝置的控制器，這是電網(wǎng)的電流超前于電壓的一個(gè)角度，即功率因數(shù)超前或滯后是指電流與電壓的相位關(guān)系。通過補(bǔ)償裝置的控制器檢測(cè)供電系統(tǒng)的物理量，來決定電容器的投切，這個(gè)物理量可以是功率因數(shù)或無功電流或無功功率。 下面就功率因數(shù)型舉例說明。當(dāng)這個(gè)物理量滿足要求時(shí)，如cos超前且0.98，滯后且0.95，在這個(gè)范圍內(nèi)，此時(shí)控制器沒有控制信號(hào)發(fā)出，這時(shí)已投入的電容器組不退出，沒投入的電容器組也不投入。當(dāng)檢測(cè)到cos不滿足要求時(shí)，如cos滯后且0.95，那么將一組電容器投入，并繼續(xù)監(jiān)測(cè)cos如還不滿足要求，控制器則延時(shí)一段時(shí)間（延時(shí)時(shí)間可整定），再投入一組電容器，直到全部投入為止。當(dāng)檢測(cè)到超前信號(hào)如cos0.98,即呈容性載荷時(shí)，那么控制器就逐一切除電容器組。要遵循的原則就是：先投入的那組電容器組在切除時(shí)就要先切除。如果把延時(shí)時(shí)間整定為300s，而這套補(bǔ)償裝置有十路電容器組，那么全部投入的時(shí)間就為30分鐘，切除也這樣。在這段時(shí)間內(nèi)無功損失補(bǔ)只能是逐步到位。如果將延時(shí)時(shí)間整定的很短，或沒有設(shè)定延時(shí)時(shí)間，就可能會(huì)出現(xiàn)這樣的情況。當(dāng)控制器監(jiān)測(cè)到cos0.95，迅速將電容器組逐一投入，而在投入期間，此時(shí)電網(wǎng)可能已是容性負(fù)載即過補(bǔ)償了，控制器則控制電容器組逐一切除，周而復(fù)始，形成震蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。是否能形成振蕩與負(fù)載的性質(zhì)有密切關(guān)系，所以說這個(gè)參數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況整定，要在保證系統(tǒng)安全的情況下，再考慮補(bǔ)償效果。2.3.2 瞬時(shí)投切方式瞬時(shí)投切方式即人們熟稱的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式，應(yīng)該說它是半導(dǎo)體電力器件與數(shù)字技術(shù)綜合的技術(shù)結(jié)晶，實(shí)際就是一套快速隨動(dòng)系統(tǒng)，控制器一般能在半個(gè)周波至1個(gè)周波內(nèi)完成采樣、計(jì)算，在2個(gè)周期到來時(shí)，控制器已經(jīng)發(fā)出控制信號(hào)了。通過脈沖信號(hào)使晶閘管導(dǎo)通，投切電容器組大約20-30毫秒內(nèi)就完成一個(gè)全部動(dòng)作，這種控制方式是機(jī)械動(dòng)作的接觸器類無法實(shí)現(xiàn)的。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式作為新一代的補(bǔ)償裝置有著廣泛的應(yīng)用前景。現(xiàn)在很多開關(guān)行業(yè)廠都試圖生產(chǎn)、制造這類裝置且有的生產(chǎn)廠已經(jīng)生產(chǎn)出很不錯(cuò)的裝置。 這種方式采用電感與電容的串聯(lián)接法，調(diào)節(jié)電抗以達(dá)到補(bǔ)償無功損耗的目的。從原理上分析，這種方式響應(yīng)速度快，閉環(huán)使用時(shí)，可做到無差調(diào)節(jié)，使無功損耗降為零。從元件的選擇上來說，根據(jù)補(bǔ)償量選擇1組電容器即可，不需要再分成多路。既然有這么多的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該是非常理想的補(bǔ)償裝置了。但由于要求選用的電感量值大，要在很大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，所以體積也相對(duì)較大，價(jià)格也要高一些，再加一些技術(shù)的原因，這項(xiàng)技術(shù)到目前來說還沒有被廣泛采用或使用者很少。 作為補(bǔ)償裝置所采用的半導(dǎo)體器件一般都采用晶閘管，其優(yōu)點(diǎn)是選材方便，電路成熟又很經(jīng)濟(jì)。其不足之處是元件本身不能快速關(guān)斷，在意外情況下容易燒毀，所以保護(hù)措施要完善。當(dāng)解決了保護(hù)問題，作為電容器組投切開關(guān)應(yīng)該是較理想的器件。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償效果還要看控制器是否有較高的性能及參數(shù)。很重要的一項(xiàng)就是要求控制器要有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，準(zhǔn)確的投切功率，還要有較高的自識(shí)別能力，這樣才能達(dá)到最佳的補(bǔ)償效果。當(dāng)控制器采集到需要補(bǔ)償?shù)男盘?hào)發(fā)出一個(gè)指令（投入一組或多組電容器的指令），此時(shí)由觸發(fā)脈沖去觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，相應(yīng)的電容器組也就并人線路運(yùn)行。需要強(qiáng)調(diào)的是晶閘管導(dǎo)通的條件必須滿足其所在相的電容器的端電壓為零，以避免涌流造成元件的損壞，半導(dǎo)體器件應(yīng)該是無涌流投切。當(dāng)控制指令撤消時(shí)，觸發(fā)脈沖隨即消失，晶閘管零電流自然關(guān)斷。關(guān)斷后的電容器電壓為線路電壓交流峰值，必須由放電電阻盡快放電，以備電容器再次投入。 元器件可以選單項(xiàng)晶閘管反并聯(lián)或是雙向晶閘管，也可選適合容性負(fù)載的固態(tài)接觸器，這樣可以省去過零觸發(fā)的脈沖電路，從而簡(jiǎn)化線路，元件的耐壓及電流要合理選擇，散熱器及冷卻方式也要考慮周全。2.3.3 混合投切方式實(shí)際上就是靜態(tài)與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)幕旌希徊糠蛛娙萜鹘M使用接觸器投切，而另一部分電容器組使用電力半導(dǎo)體器件。這種方式在一定程度上可做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，但就其控制技術(shù)，目前還見到完善的控制軟件，該方式用于通常的網(wǎng)絡(luò)如工礦、小區(qū)、域網(wǎng)改造，比起單一的投切方式拓寬了應(yīng)用范圍，節(jié)能效果更好。補(bǔ)償裝置選擇非等容電容器組，這種方式補(bǔ)償效果更加細(xì)致，更為理想。還可采用分相補(bǔ)償方式，可以解決由于線路三相不平行造成的損失。 在無功功率補(bǔ)償裝置的應(yīng)用方面，選擇那一種補(bǔ)償方式，還要依電網(wǎng)的狀況而定，首先對(duì)所補(bǔ)償?shù)木€路要有所了解，對(duì)于負(fù)荷較大且變化較快的工況，電焊機(jī)、電動(dòng)機(jī)的線路采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，節(jié)能效果明顯。對(duì)于負(fù)荷相對(duì)平穩(wěn)的線路應(yīng)采用靜態(tài)補(bǔ)償方式，也可使用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置。2.4 無功功率補(bǔ)償器設(shè)計(jì)的總體框圖 如圖2-5是該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，單片機(jī)AT89C52是本系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、輸入、輸出控制等功能。通過計(jì)數(shù)器8031計(jì)算出系統(tǒng)功率因數(shù)，并通過LED顯示電路顯示出來。把計(jì)算出的功率因數(shù)與規(guī)定的因數(shù)比較看看是否符合要求，當(dāng)功率因數(shù)低于要求時(shí)，通過控制補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)電路的補(bǔ)償。功率補(bǔ)償器的外圍電路還包括電壓、電流相位差檢測(cè)電路，此部分電路主要用來檢測(cè)電路現(xiàn)在的功率因數(shù)，通過比較器和由D觸發(fā)電路鑒相電路把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；三相功率因數(shù)顯示電路，主要用到LED數(shù)碼管。顯示采用LED數(shù)碼管顯示，盡量采用靜態(tài)顯示，以減輕CPU的負(fù)擔(dān)；投切電容電路中用過零固態(tài)繼電器來作為控制開關(guān)來實(shí)現(xiàn)柔性投切；還接上RS232C接口，向上位機(jī)傳遞系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息，以適應(yīng)將來配電網(wǎng)控制發(fā)展趨勢(shì)。為了減少外圍芯片的數(shù)量，本系統(tǒng)也可采用一塊CPLD芯片ispLSI1048E，把74LS373、D觸發(fā)器、與門、非門等外圍器件寫入其中。圖 2-5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖第三章 功率補(bǔ)償系統(tǒng)單元電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)具有體積小、重量輕、價(jià)格便宜、功耗低、控制功能強(qiáng)及運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，故此設(shè)計(jì)應(yīng)用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)無功功率補(bǔ)償器的各種功能。 單片機(jī)作為最典型的嵌入式系統(tǒng)，它的成功應(yīng)用推動(dòng)了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。近年來，除了各種類型的工控機(jī)，各種以通用微處理器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)方板模塊，以通用微處理器為核，片內(nèi)擴(kuò)展一些外圍功能電路單元構(gòu)成的嵌入式微處理器，甚至單片形態(tài)的PC機(jī)等，都實(shí)現(xiàn)了嵌入式應(yīng)用，成為嵌入式系統(tǒng)的龐大家族。 16位單片機(jī)雖然擁有運(yùn)算速度快、處理能力強(qiáng)、I/O接口較豐富等優(yōu)點(diǎn)，但其價(jià)格亦相對(duì)于8位單片機(jī)較昂貴，而此設(shè)計(jì)8位單片機(jī)已能夠?qū)崿F(xiàn)，故仍用8位單片機(jī)。 在眾多的單片機(jī)系列中，AT89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系列可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，也適用于常規(guī)編程。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超高效的解決方案。 AT89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)響亮2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89C52可降至0HZ靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。AT89C52單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且廉價(jià)的方案。故此選用AT89C52單片機(jī)。3.1 AT89C52單片機(jī)3.1.1 AT89C52單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu) 如圖3-1所示，為AT89C52的硬件結(jié)構(gòu)圖。AT89C52單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與MCS-51系列單片機(jī)的構(gòu)成基本相同。CPU是由運(yùn)算器和控制器所構(gòu)成的。運(yùn)算器主要用來對(duì)操作數(shù)進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算和位操作的?？刂破魇菃纹瑱C(jī)的指揮控制部件，主要任務(wù)的識(shí)別指令，并根據(jù)指令的性質(zhì)控制單片機(jī)各功能部件，從而保證單片機(jī)各部分能自動(dòng)而協(xié)調(diào)地工作。它的程序存儲(chǔ)器為8K字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器，閃爍存儲(chǔ)器允許在線+5V電擦除、電寫入或使用編程器對(duì)其重復(fù)編程。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器比51系列的單片機(jī)相比大了許多為256字節(jié)RAM。AT89C52單片機(jī)的指令系統(tǒng)和引腳功能與MCS-51的完全兼容。FLASHCPU串行通訊口RAM輸入輸出接口計(jì)數(shù)器定時(shí)器時(shí)鐘 圖 3-1 單片機(jī)89C52結(jié)構(gòu)框圖3.1.2 主要性能參數(shù) 8K字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器 1000次可擦寫周期 全靜態(tài)操作：0Hz-24MHz 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 2568字節(jié)內(nèi)部RAM 32個(gè)可編程I/O口線 3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 8個(gè)中斷源 可編程串行UART通道 低功耗空閑和掉電模式 圖 3-2 AT89C52外部引腳圖3.1.3 AT89C52管腳說明VCC：電源GND：接地P0口：P0口是一個(gè)8位漏級(jí)開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0口端口寫“1”時(shí)，引腳作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，P0口也用來接受指令字節(jié)：在程序效驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序效驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。 P1口：P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位是雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻的原因，將輸出電流ILL。 此外，與AT89C51不同之處是，P1.0和P1.1還可分別作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸出（P1.1/T2EX），具體如下表所示。 表 3.1 P1.0和P1.1的第二功能 引腳號(hào)功能特性P1.0T2（定時(shí)/計(jì)數(shù)器2外部計(jì)數(shù)脈沖輸入），時(shí)鐘輸出P1.1T2EX定時(shí)/計(jì)數(shù)2捕獲/重裝載觸發(fā)和方向控制 在Flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。 P2口：P2口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)吸收或輸出電流4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P2口寫“1”時(shí)，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流ILL。 在訪問外部好曾許存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口送出高8位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在Flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口接收低8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。 P3口：P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P3口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入端口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流ILL。P3口除了作為一般、的I/O口線外，更重要的是它的第二功能，如下表所示。 表 3.2 P3口引腳第二功能引腳號(hào)第二功能P3.0RXD（串行輸入）P3.1TXD（串行輸出）P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0（定時(shí)器0外部輸入）P3.5T1（定時(shí)器1外部輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 在Flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)，RST腳持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以高電平將使用單片機(jī)復(fù)位。 ALE/：地址鎖存器控制信號(hào)（ALE）是訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在Flash編程時(shí)，此引腳（）也使用作編程輸入脈沖。 在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE脈沖將會(huì)跳過。 如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作無效。這一位置“1”，ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOVC指令時(shí)有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個(gè)ALE使能標(biāo)志位的設(shè)置對(duì)微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。 ：外部程序儲(chǔ)存器選通信號(hào)（）是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。當(dāng)AT89C52從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器時(shí)，將不被激活。 ：訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從0000HFFFFH的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令，端必須保持低電平（接地）。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，應(yīng)該接VCC。 在flash編程期間，也接受12伏VPP電壓。 XTA L1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 XTA L2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.1.4 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) MCS-51器件有單獨(dú)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可以64K尋址。1. 程序存儲(chǔ)器 如果EA引腳接地，程序讀取只從外部