單片機實現電力補償裝置控制系統 - 全文

以80C196KC單片機為核心的電力補償控制系統，通過模擬輸入電路對三相電壓、電流進行采樣，計算后通過輸出單元控制電容器的投切，從而實現對電網無功功率的補償。本文介紹了系統硬件和軟件的設計方法。

　　引言

　　目前在電力補償系統中有多種補償方法，本文中的補償系統是根據尋優負序電流最小進行補償的。系統計算需要對交流電一個周期20 ms內對單相電壓u、電流I進行采樣，要求一個周期內采樣次數至少在100次以上。針對這一特點，設計了基于80C196KC的控制系統。Intel公司的高性能16 b單片機80C196KC，其運算速度快，能夠滿足系統高速采樣的要求。

　　1　系統硬件設計

　　本系統的硬件部分主要由采樣輸入電路、中央控制單元、程序存儲單元、輸出驅動電路4部分組成。系統總體框圖如圖1所示。

　　1.1　模擬輸入電路

　　系統中數據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內有一個逐次逼近型的A/D轉換器，共有8個輸入通道。其輸入引腳ACH0～ACH7與P0.0～P0.7共享。內部的A/D轉換器8 b/10 b可調，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，增加了系統的穩定性和抗干擾性，并且減少了控制板的尺寸。在本系統中采用10 b轉換方式。

　　為了保護A/D轉換器，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。

　　其中2個二極管D1和D2起過載保護作用，當輸入電壓高于VREF+0.7 V左右時，D1導通，輸入電平被箝位在VREF+0.7 V的水平上;當輸入電壓低于-0.7 V的水平上。這種過載往往是尖峰干擾，持續時間很短。MCS-96的技術條件規定模擬輸入端對模擬地ANGND的電壓不能低于-0.3 V，這一點可靠輸入端的低通濾波器R4和C1來保證。圖中此濾波器的時間常數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的模擬信號輸入端)達到-0.3 V的電平需耗時：

　　t=-τln(1-0.3/0.7)=1.15μs

　　而通常這類尖峰噪聲的峰值持續時間遠小于上述時間，因此，這一輸入電路可有效地起到過載保護作用。

　　1.2　中央控制單元

　　80C196KC是CHMOS高性能16 b單片機中的一個新分支，內部EPROM/ROM為16 b，內部RAM為488 b，有24 b的專用寄存器。80C196KC中采用了“垂直窗口”結構，使得新增的256 b RAM通過窗口映射同樣可以作為通用寄存器來訪問。80C196KC可以采用16 MHz的晶振，內部時鐘是2分頻，其運行速度比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工作而所加的最少的外圍設備，一般包括復位電路和晶振。80C196KC的最小電路如圖3所示。

　　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。輸出經過光控可控硅MOC3061進行隔離，又經一級雙向晶閘管驅動后，加在雙向晶閘管的控制級，控制雙向晶閘管的導通，進而控制電容器的投切。輸出電路如圖4所示。

　　從80C196KC的輸出管腳輸出的信號電流只有幾個μA，不足以驅動后邊的光電耦合器，所以加一個TTL芯片5407作為電流驅動元件。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，當光電耦合器的輸入端有15 mA電流流入時，晶閘管即導通。MOC3061的輸出端還配有過零檢測電路，用于控制晶閘管過零觸發，以減少用電器在接通時對電網的影響。

　　2　軟件設計

　　系統的軟件采用了高級語言PL/M-96嵌入匯編語言編寫，采用模塊化結構設計。對于實時性要求較高的部分如A/D轉換部分，由于匯編語言具有靈活性好、代碼轉換速度快等特點，同時80C196KC的指令系統效率高，執行速度快，因此采用匯編語言來編寫A/D轉換程序，其他部分采用高級語言編寫，程序可讀性好。

　　整個軟件共包括7部分，他們分別是：主程序、A/D轉換子程序、投切子程序、電壓投切子程序、電流計算子程序、輸出子程序、軟件定時器中斷服務程序。下面介紹主程序及A/D轉換子程序的設計。

　　2.1　主程序設計

　　主程序流程圖如圖5所示。