河南理工大学本科毕业设计（论文）说明书
3 硬件设计
3.1单片机的选型
单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点，故此设计应用单片机来实现无功功率补偿器的各种功能。
单片机作为最典型的嵌入式系统，它的成功应用推动了嵌入式系统的发展。近年来，除了各种类型的工控机，各种以通用微处理器构成的计算机方板模块，以通用微处理器为核，片内扩展一些外围功能电路单元构成的嵌入式微处理器，甚至单片形态的PC机等，都实现了嵌入式应用，成为嵌入式系统的庞大家族。
16位单片机虽然拥有运算速度快、处理能力强、I/O接口较丰富等优点，但其价格亦相对于8位单片机较昂贵，而此设计8位单片机已能够实现，故仍用8位单片机。
在众多的单片机系列中，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系列可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，也适用于常规编程。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超高效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，3个16位定时器/计数器，一个响亮2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。故此选用AT89S52单片机。
3.2 相位差检测单元电路的设计
对于相位差的测量，传统的测量方法有很多，如示波器测量法、转化为时间间隔法、零示法等。随着集成电路技术的发展、单片机的普及，用单片机组成的相位差测量电路具有精度高、速度快、成本低的优点，日益受到人们的重视。本
22
河南理工大学本科毕业设计（论文）说明书
相位差检测单元电路的设计充分利用了单片机内部精确的时钟源及校正电路，能进行在线检测、显示，大大提高了相位差的测试精度和速度。本设计中，功率因数检测电路主要是通过对交流电压和电流过零点时刻的检测，单片机通过计算它们过零点时刻的时间差，换算出电网输出电压和输出电流的相位差，最后通过公式计算出功率因数值。
如图3-1所示相位差检测单元电路的设计主要包括以下几部分：
1. 采集要进行补偿线路的信号（及该线路的电压和电流）并进行相应的处理。由于直接采集到的线路电压和电流都比较大，不能直接进行分析和控制。可以将采集到的线路电压U和电流I分别经过电压/电流互感器处理后再进行分析。为了便于比较，I经过电流互感器处理后再经过I/U变换后变成Ui信号。
2. 将得到的U和Ui信号分别传送到电压比较器，得到两组方波信号μ1、μ2。电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元。
3. 将得到的两组方波信号输入鉴相电路。输出信号μ0的宽度反映了两信号之间的相位差。电压比较器将输入的交流信号变成方波信号μ1、μ2，经过由D触发器构成的鉴相电路后，输出信号μ0的宽度反映了两信号之间的相位差。 4. 将得到的信号送入计数器8254处理，并将8254与单片机AT89S52进行连线。AT89S52单片机检测到计数结束信号后，通过总线从8254读出计数值，供单片机处理。
UA电压互感器电压比较器IA电流互感器I/V转换电压比较器鉴u相电路计数器
图 3-1 相位差检测框图
3.2.1 相电压、相电流输入电路
线路上的电压和电流都比较大，不能直接用来进行分析，可以用一定的方法将其降压后再进行处理。本设计中使用电压/电流互感器来进行降压。
23
河南理工大学本科毕业设计（论文）说明书
电压互感器按原理分为电磁感应式和电容分压式两类。电磁感应式多用于 220kV及以下各种电压等级。电容分压式一般用于110kV以上的电力系统,330～765kV超高压电力系统应用较多。电压/电流互感器和变压器的工作原理基本相同,都是运用电磁感应原理来工作的。基本结构也是铁心和原、副绕组。特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态。电压互感器本身的阻抗很小，一旦副边发生短路，电流将急剧增长而烧毁线圈。为此，电压互感器的原边接有熔断器，副边可靠接地，以免原、副边绝缘损毁时，副边出现对地高电位而造成人身和设备事故。变压器的作用是将一种等级的电压变换成另一种等级的同频率的电压,它只能实现电压的变换,不能实现功率的变换。互感器分为电压互感器和电流互感器。电压互感器的作用是供给测量仪表,继电器等电压,从而正确的反映一次电气系统的各种运行情况。使测量仪表,继电器等二次电气系统与一次电气系统隔离,以保证人员和二次设备的安全,将一次电气系统的高电压变换成同样标准的低电压值(100伏,100/1.732伏,100/3伏)。电流互感器的作用与电压互感器的作用基本相同,不同的就是电流互感器是将一次电气系统的大电流变换成标准的5A或1A供给继续电器,测量仪表的电流线圈。本设计为低压无功功率补偿，所以可以用电磁感应式电压互感器。 R1R2R5R3R4CBA零线R6UU+324Ui- 图 3-2 相电压、相电流检测电路 如图所示以A线为例，从三相交流输电线A相取电压信号U，从A取电流信号I，U通过电压互感器电路变换成5V电压信号UU，I通过电流互感器和I/U转换等电路转换成同相位的电压信号Ui。图中的电阻R1、R2、起分压作用。 24 河南理工大学本科毕业设计（论文）说明书
3.2.2 相位差的检测
为了将得到的电压信号转化为数字信号进行分析，可以先把电压和电流的余旋波形经过一定的方法转化为方波信号。本设计中采用电压比较器。
电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元。本设计中电路只有一个阀值电压，故可采用单限比较器。也称为过零比较器，其阀值电压UT=0V。电路如图3-3所示
u1-A+uo 图3-3 过零比较器电路
为了限制集成运放的差模输入电压，保护其输入端，可加二极管限幅电路，如图3-4所示。
+393- 图 3-4 电压比较器电路图 把得到的电压信号输入由D触发器构成的鉴相电路（如图3-5）后可以得到两信号的相位差。 +5VDUAUQQU0u1+5VDUAiSRRCPSQQu2CP 图 3-5 由D触发器构成的鉴相电路 25
河南理工大学本科毕业设计（论文）说明书
以A相为例，A相的电压由电压互感器降压隔离后加到电压比较器的输入端，A相的电流由电流互感器经 I/U 变换后加在另一电压比较器的输入端。两电压比较器将输入的交流信号变成方波信号μ1、μ2，经过由D触发器构成的鉴相电路后，输出信号μ0的宽度反映了两信号之间的相位差，如图3-6所示。
uuou1touitou2tuott 图 3-6 相位检测波形图
3.2.3 相位差的计算
相位差检测电路如图3-7所示。
+5V Q1Q0 74LS373 ALE P1.2 D S Q U0 CP R Q A0 A1 & B相 Uu
+ CLK0 CLK1 GATE0 CLK2 GATE1 WR -393 U1 +5V C相 Ui
+393 D S Q 8254 RD D0 GATE2 D7 - U2 CP R Q
图 3-7 相位差检测电路图
26