河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告
河北工业大学2013届本科毕业设计（论文）中期报告
毕业设计（论文）题目：基于PIC单片机的智能电容器设计
适用专业：自动化专业 学生信息：学号：102955 姓名：江晓辉 班级：自动化103 指导教师信息：教师号：05119 姓名：孙曙光 职称：副教授 报告提交日期： 2014年4月21日
一、芯片选型与系统的整体设计方案
1、单片机的选型与功能确定
PIC32MX系列单片机是一款具有低功耗、运行速度高、代码压缩率高、外围电路简洁等高性能的32位内核单片机，其最高的频率可达80MHz。单片机内部带有片内低功耗RC振荡器的可配置看门狗定时器，5路捕捉输入，5路比较/PWM输出，最多16路通道的10位模数转换器（最高可达1000 ksps的转换速度），单周期乘法单元和高性能除法单元，用在需及时响应的功率补偿系统中非常的适合。PIC32MX320F系列单片机还具有以下共同特征：
1、带5级流水线的MIPS32M4K32位内核，采用国内单单片机很少使用的哈佛结构，有单周期的乘法单元和高性能的除法单元。
2、运运行速度高，其最高频率可达80MHZ，并且采用哈佛结构，使得其运行速度更加的快速。 3、具有集成32 KB至512 KB的闪存，同时还配备了8 KB至32 KB的SRAM存储器。
4、最多具有84路通用I/O口，其具备以下特性：可单独使能、禁止输出引脚的漏极开路；可单独使能、禁止输入引脚的弱上拉；监视选择性输入并在检测到引脚电平状态发生变化时产生中断；可在CPU休眠和空闲模式下继续工作；可使用CLR、SET和INV寄存器进行快速位操作。
5、5个16位定时器/计数器 （两个16位定时器对组合可构成两个32位定时器）
6、2个编程和调试接口双线接口，可与应用程序进行非抢占式访问和实时数据交换，是4线MIPS标准增强型JTAG接口。
7、5个外部中断引脚，该款单片机采用一个同步、 异步16位定时器，它可作为自由运行的时段定时器使用，且支持以下四种模式：同步内部定时器、同步内部门控定时器、 同步外部定时器和异步外部定时器。
8、PIC32系列的SPI模块与Motorola的SPI和SIOP接口兼容，还具有以下特性：支持主/从模式、4种不同的时钟格式、支持帧SPI协议、标准和增强型缓冲模式 （增强型缓冲模式并非在所有器件上都可
1
河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告
用）、用户可配置的8位、16位和32位数据宽度、PI接收和发送缓冲区是FIFO缓冲区，在增强型缓冲模式下为4/8/16级深、针对每个8位、16位和32位数据传输的可编程中断事件和音频协议接口模式。
PIC32MX系列单片机的A/D转换口在引脚AN0-AN15（也就是RB口的RB0-RB15），最多有16路通道的10位模数转换器。模拟采样包含两个步骤：采集和转换 。在采集期间，模拟输入引脚将与采样、保持放大器 （SHA）连接。对引脚进行足够时间的采样之后，采样电压将等于输入电压，引脚会与SHA断开，以便为转换过程提供稳定的输入电压。然后，转换过程会将模拟采样电压转换为二进制表示形式。采集时间可以手动或自动控制。在用户软件中，采集时间可以通过将SAMP位（AD1CON1<1>）置1来手动启动，并通过清零SAMP来手动结束。采集时间也可以通过A/D转换器硬件自动启动，并通过转换触发源自动结束。采集时间通过SAMC位（AD1CON3<12:8>）进行设置。
PIC32MX系列单片机的定时器分为A类（带有门控功能的16位同步/异步定时器/计数器）和B类（带有门控和特殊事件触发功能的16位和32位同步定时器/计数器）两大类。大多数PIC32MX系列器件都至少包含一个A类定时器；通常为Timer1。A类定时器带内置振荡器的异步定时器/计数器、可在CPU Sleep（休眠）模式下工作、可通过软件选择1:1、1:8、1:64和1:256预分频比；B类定时器可由两个16位定时器构成32位定时器/计数器、可通过软件选择1:1、1:2、1:4、1:8、1:16、1:32、1:64和1:256预分频比、事件触发功能。每个定时器模块都是一个16位定时器/ 计数器，包含以下特殊功能寄存器：TxCON与定时器相关的16位控制寄存器、TMRx16位定时器计数寄存器和PRx与定时器相关的16位周期寄存器；此外，每个定时器模块还具有以下用于中断控制的相关位：TxIE中断允许控制位 （在IEC0中断寄存器中）、TxIF中断标志状态位 （在IFS0中断寄存器中）、TxIP<2:0>：中断优先级控制位 （在IPC1、IPC2、IPC3、IPC4和IPC5中断寄存器中）和TxIS<1:0>：中断子优先级控制位（在IPC1、IPC2、IPC3、IPC4和IPC5中断寄存器中）。
在智能电容补偿无功功率这个系统中，此款单片机主要发挥了下列几方面的应用：通信、数据采集、液晶显示、功率因数等运算。
2、FPGA的选型与功能确定
PROASIC3E是一款Flash FPGA（可编程门阵列），ProASIC3/E系列器件以非易失Flash技术为基础，支持3万到300万门密度和多达616个高性能I/O端口。ProASIC3/E内部主要分为三块：可编程逻辑单元（是由Flash RAM制成的4或6输入真值表，加一个D触发器构成）、可编程的连线和可编程的I/O模块。由于这款器件具有最低的单位成本、最低的整体系统成本、单一芯片，可实现在系统编程、等效系统门数可达3M个、运行频率可达350MHz、带FlashLock 设计保护功能和加密的ISP，带硬件布线的AES加密算法，所以其具有以下特性：
1、高性能：增强的高性能架构，工作频率高达350MHZ，逻辑门利用率可达95%。
2
河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告
2、单芯片：在系统上电时需要额外配置发挥内存以载入器件配置数据，从而减低成本，增加了安全性和系统稳定性。
3、安全ISP：支持内置的AES解密引擎以及在业界处于领先地位的基于Flash的ASE-128密匙，以便设计人员可以利用加密位流通过公共网络来进行安全的远程现场控制。
4、用户非挥发内存：1024位片内用户可访问的非挥发FlasdROM(FROM)，可以满足不同系统应用的需求。
5、上电即行：大幅简化了系统设计，使得器件可以执行重要的系统初始化任务，并节省了Bom成本和PCB空间。
6、固件错误免疫：Flash单元配置元素不会被高能中子改变，因此PROASIC3E器件与基于SRAM的FPGA不同，它具有中子引发的固件错误免疫力。
7、低功率：极少出现加电浪涌电流和大电流转换，而这是许多FPGA器件经常出现的问题。此外PROASIC3E器件还具有很低的动态功耗。
8、固件安全性：利用128位FLASH-Lock技术和固有的Flash技术特性，为可编程逻辑设计提供最完备的安全解决方案。
FPGA主要有三个用途，（1）用在通信设备的高速接口电路设计；（2）数字信号处理方向或数学计算方向；（3）SPOC方向，利用FPGA搭建一个嵌入式系统的底层硬件环境，然后设计者主要是在上面进行嵌入式软件开发。
在智能电容进行无功补偿的系统中，其受PIC32MX系列单片机控制，完成智能电容器复合开关的投切工作。
3、智能电容器的整体设计方案
对于传统无功补偿装置来说，低压电器柜内主要是由一个控制器、电容器若干组和投切开关以及一些保护部件组装而成，其存在很多不足之处，如整柜元件多、体积大、安装接线复杂、可维护性差、各元件间单一连接等，且不能对整机进行自我诊断，起不到对每组电容器电流及温度的保护作用，可靠性低，安全性差，在实际的应用中不确定的安全因素很多，对工作的可靠性有一定的影响。
本文采用多个智能电容器，采用分布式补偿系统，对电网中感性负载产生的无功功率进行补偿，其多个智能电容器协同工作构成的分布式控制系统在电网系统的接线如下图1所示。
分布式无功补偿装置克服了传统无功补偿的不足，其模块化、智能化设计可靠性高，结构精巧，且投切开关模块采用可控硅和磁保持继电器并联，具有过零投切和低功耗特点，各个模块可以灵活配置以满足用户对无功补偿的需求，模块与模块之间通过总线结合成一个整体，工作时相互联系，故障时互不干扰，真正做到了智能化控制。
另外，基于RS485总线构成分布式补偿系统，单机采用快速傅里叶变换算法,根据电压、电流的采样
3
河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告
值，计算电压、电流的幅值与相位，算出功率因数、无功功率进而 由FPGA发出控制指令实现电容的投切，实现功率因数补偿，并可计算电流畸变率大小，因为电网用电设备产生的二次污染“谐波”容易导致电容器老化、击穿，所以在畸变率大的情况下，退出补偿，保护功率补偿装置。
3N 220V电源F1N主机CF2BF3注：快速A熔断器I-A线路保护模块人机界面模块智能I-C检U-A测模U-B块U-CU-NI-B电源端CT1电路CT2CT3注：电流互感器RS-485通讯高品质电容器I-A投切开关模块线路保护模块人机界面模块智能检测模块I-BI-CU-AU-BU-CU-N负载端电路高品质电容器投切开关模块从机NCBA
图1 分布式补偿系统主电路
分布式补偿系统应用于带有负载的电网当中，对电网中感性负载产生的无功功率，通过采用主控制器和从控制器的协同工作的工作方式，对高品质电容进行投切工作，每个控制器均对电网端的三相电压、三相电流进行检测并采样，通过控制器对采集到的各个值进行分析处理，执行负载端电容器投切。
其中，智能测控模块、线路保护模块、人机界面模块、快速投切开关模块和高品质电容器五大模块构成智能电容器控制器，其模块化结构整体体积小、现场接线简单、维护方便、只需要增加控制器的数量即可实现无功补偿系统的扩容，在实际应用中带来极大的便利。在智能电容补偿无功功率这个系统中，此款单片机主要发挥了下列几方面的应用：通信、数据采集、液晶显示、功率因数等运算。在智能电容进行无功补偿的系统中，其受PIC32MX系列单片机控制，完成智能电容器复合开关的投切工作。
4
河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告
4.
智能集成电力电容器采用过零投切技术。技术的中的开关模块基本工作原理是将可控硅开关与磁保持继电器并接,实现电压过零导通和电流过零切断,使开关在接通和断开的瞬间具有可控硅开关的优点,而在正常接通期间又具有接触器开关无功耗的优点。投入时是在电压过零瞬间可控硅先过零触发,稳定后再将磁保持继电器吸合导通;而切出时是先将磁保持继电器断开,可控硅延时过零断开,从而实现电流过零切除。
当电容器需要投入时，通过智能控制器PIC32MX系列单片机控制触发脉冲信号，在电压过零瞬间触发双向晶闸管，双向晶闸管稳定导通后，再由PROASIC3E经过逻辑门控制发出一个延时的正向驱动信号使磁保持继电器触点闭合，此时磁保持继电器与双向晶闸管并联导通工作，当磁保持继电器触点工作稳定后，单片机切除触发脉冲信号，使双向晶闸管在电流过零时自然关断，最终由磁保持继电器维持电容器与电网的连通，实现电容器的投入。
当电容器需要切除时，通过智能控制器PIC32MX系列单片机控制触发脉冲信号，在电压过零瞬间双向晶闸管触发导通，此时磁保持继电器与双向-晶闸管并联导通工作，通过PROASIC3E发出一个延时的反向驱动信号使磁保持继电器触点断开，由双向晶闸管保持电容器与电网的连通。最后，单片机除双向晶闸管的触发脉冲信号，使双向晶闸管在电流过零时断开，完成电容器的切除过程。
2、功率因数的计算方法 简要说明FFT的计算原理
使用FFT求电压、电流信号的初相角 设电压信号为：u?Umsin(2?f0t??u) 电流信号为：i?Imsin(2?f0t??i)
根据上面的计算过程可以分别求出电压和电流的初相位?u、?i，两者之差为功率因数角，即
???u-?i，则功率因数为cos??cos（?u-?i）。
（3）、使用FFT算法求其他参数
跟据FFT算法，得到各次谐波对应的幅值大小为
22Un?（Re（U(fn)））?（Im（U(fn)））
n取0、1、2、 、N-1
同理得，
5