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综合以上所作分析与选择，形成了如图2.5所示的完整的CPU最小系统图 C1XTAL2R21KΩVSSR1200ΩC22uFRESETRESETVCCVCC1234567891011121314151617 181920C2XTAL1 P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7XTAL2XTAL1VSSAT89C51VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.04039383736353433323130292827262524232221图2.5 单片机最小系统图
2.3 发电机自并励励磁自动控制系统模拟量检测电路设计
在励磁系统中需要测得参数包括发电机的极端电压、发电机输出电流、励磁电压、励磁电流、有功功率、无功功率以及功率因数cos?，经过一系列限制计算和调节计算来得到整定后的励磁电压所对应的可控硅的导通角，从而触发可控硅，使发电机出口电压稳定在一个新水平。励磁系统模拟量检测电路包括信号采集部分、信号转换部分、A/D转换部分。
1、信号采集
交流量的采样有两种方法：①直流采样法；②交流采样法。
交流采样则是交流电量经互感器后直接进行采样，这种采样方法能实时反映出电参量瞬时值的大小以及动态变化情况，这就使同步采样或准同步采样成为了可能。由于采样电路不存在直流滤波电容，所以不存在滞后，有利于实时控制。
本文采用交流采样法采集的交流量，即采用电压互感器和电流互感器来获取
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机端电压和电流，以及励磁电流。
2、信号转换
从互感器获得电压、电流信号很大，而数模转换器只能对一定范围内输入电压转换，故需要通过变换器对输入的电压、电流信号进行处理。本文中选择电压变换器UV来实现电压信号的变换，电流变换器UA来实现电流信号的转变。变换器的原理图如图2.6所示。
图2.6 变换器的原理图
VREFR3RES1R4RES1UAR1RES1R2RES1C2CAP+C1.CAP--+R5RES1ADC
2.4 直流稳压电源电路设计
本次课设要求控制器选用AC220V电源供电，而单片机的工作电源是+5V的直流电源，因此需要利用使用直流稳压电源为单片机提供电源。直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，其原理框图如图2.7所示。
电网供给的交流电压u1(220V,50Hz) 经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压u2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压u3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压uI。但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。
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一般情况下，生产生活中所需的直流电压的数值与电网电压的有效值相差较大，一次需要通过电源变压器降压后，在对交流电压进行处理。变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。目前，也有部分电路不用变压器，利用其他办法进行升压与降压。
变压器副边电压通过整流电路从交流电压转化为直流电压，即将正弦波电压转化为点一方向的脉动电压，半波整流和全波整流电路的输出波形如框图中所画。本次可设选用桥式全波整流。可以看出它们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作；例如，交流分量将混入输入信号被放大电路放大，甚至在放大电路的输出端所混入的电源交流分量大于有用信号；因而不能直接作为电子电路的供电电源。
为了减小电压的脉动，需要通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。理想情况下，应将交流分量全部滤去，是滤波电路的输出电压仅为直流电压。然而由于滤波电路位无源电路，所以接入负载后势必影响其滤波效果。对于稳定系要求不高的电子电路，蒸馏和滤波后的直流电压可以作为供电电源。
稳压电路的功能是使输出直流电压基本上不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。本次设计主要应用三端稳压器，而W7800系列三端稳压器的输出电压为5v,6v.9v.12v.15v.18v和24v七个档次，型号后面的两位数字表示输出电压值。W7805表示的输出电压为5v。最大电压为1.5A，因此选用W7805三端稳压器。如图2.7所示即为直流稳压电源的主电路图。
图2.7直流稳压电源电路图
W7805VCCT1220V50Hz
C11000uFC20.33uFC31uF本次课课设的目的在于用弱电控制强电，因此在这一部分，强电与弱电的隔离成为关键，现在有许多种开关控制输出电路，其中大多数是通过芯片给出的电压电流如TTL电平信号，这种电平信号一般不能直接驱动外部设备，而需经过转化后才能驱动外部设备，许多外设如大功率交流接触器、制冷剂等在开关控制过
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程中会产生较强的电磁干扰信号，不加隔离就会对系统造成误动作或伤害。因此，在接口处理中，还要包括隔离技术。针对这个问题，所选励磁开关驱动控制电路如图2.8所示，所选的光电隔离器是MOC3041，它是根据晶闸管原理开发出来的。晶闸管是一种大功率半导体器件，可以作为大功率驱动器件使用。具有用较小功率控制大功率、开关无触点等特点，双向晶闸管目前已经广泛应用于生产生活中，而与它相配套的光电隔离器已经有现成的产品，这种器件一般称为光耦双向晶闸管驱动器，常用的有MOC3000系列，用于不同负载下电压使用。
P1.01k74LS043DG270+15V
P1.11k3DG27074LS04+15V
图2.8 开关驱动控制电路
例如MOC3011用于110V交流，而MOC3041等用于220V交流使用。在驱动电路中，R1为限流电阻，一般在微机测控系统中，其输出可以用OC门驱动，在光隔输出端，于双向晶闸管并联的RC是为了在感性负载时，吸收与电流不同步的过压，而门极电阻是为了提高抗干扰能力，以防误触发。
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第3章 自并励励磁控制系统软件设计
3.1 软件实现功能综述
控制系统通过软件完成以下主要功能：恒定机端电压调节功能；无功调差功能；空载过压保护功能；强行励磁功能；欠励限制功能；通过发电机出口电压、电流及计算功率因数；在线调节PID系数功能。
根据励磁调节器所完成的功能不同，将整个励磁调节器的软件划分为主程序和中断服务程序。控制系统软件采用模块化结构设计，各种功能都由相应的子程序来完成。本励磁控制系统的软件主要由以下几个部分组成：实时采样，数据处理程序；中断处理程序；励磁限制处理程序；调节计算程序；键盘管理及其显示程序。
3.2 流程图设计
3.2.1 主程序流程图设计
为了更好的完成上述功能，本设计采用单片机来完成，首先单片机完成数据采集、控制角的计算、调节PID系数等功能，再完成六路脉冲的产生和触发的功能。主程序流程图如图3.1所示。
控制系统上电后首先执行的是初始化和自检，初始化包括标志位和变量的初始化、中断初始化、设置各接口芯片初始化、还包括各种程序模块的初始化等等。初始化结束以后，表明励磁调节器已经准备就绪，接着程序进入起励的设置和起励条件的判别，励磁调节器等待转速信号，在发电机开机而转速未达到额定转速的95%之前将电压给定值设置在空载额定位置，转速一旦达到额定转速的95%，则主程序立刻进入主循环:首先是数据采集和处理部分，主要由三个子模块组成:电机出口交流电压采样处理子模块、电机出口交流电流采样处理子模块和励磁电压采用处理子模块。然后进入功率因数采集计算，它利用徽处理器的外部中断0和定时器1的联合使用来完成对功率因数的采样和计算，并且采用数字滤波的方式最后求得功率因数；无功调差模块可以实现无功的合理分配，以适应发电机并列运行的需要；PID调节计算模块根据采集的数据结果与额定值进行比较，从而进行PID调节计算来算出可控硅的控制角；限制控制子模块则是为保证发电机的正常及安全运行而设置的。
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