摘 要
在电力系统中，由于大量输变电设备的存在，其在使用过程中产生磁场，形成感性负载。感性负载的存在导致电网功率因数的下降。为了改善和提高电力系统的电压质量，充分发挥输变电设备的效能，就必须就地平衡无功。本装置设计的目的正是利用控制投切电容组数来达到电感平衡。
低压配电网功率因数补偿系统由控制核心电路和补偿执行机构组成。主控电路主要完成采样和数据处理并输出控制信号，执行机构采用继电器控制电容组的投切。其中CPU采用80C196KB作为主控芯片，控制电网无功功率、电压、电流等参数的实时监测；A/D转换采用12位的高性能A/D转换器MAX197；通过MOC3083来控制晶闸管的过零触发导通，从而投切电容器，达到了甚至消除了合闸涌流的目的。显示部分为DMLS字符液晶显示模块。软件部分采用汇编语言及C语言进行编程，主要包括主程序的设计、A/D转换、数据处理、电容器的投切控制等几大部分。
本装置具有响应快，性能稳定，操作方便等特点，具有广阔的应用前景。
关键词：无功补偿；功率因数；晶闸管投切电容器；触发脉冲
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目 录
第1章 绪 论......................................................................... 错误！未定义书签。 1.1功率因数补偿器的设计............................................................................. 3 第2章 无功补偿装置的芯片选择与分析............................................................. 4
2.1 CPU芯片的选择与应用 ............................................................................ 4 2.2 EPROM 27256 ............................................................................................ 9 2.3A/D转换芯片的选择................................................................................ 10 2.4液晶显示模块（LCD）........................................................................... 14 2.5时钟芯片................................................................................................... 19 第3章 系统软件设计........................................................................................... 24
3.1 系统软件的设计...................................................................................... 24
3.1.1 程序设计语言的选择................................................................... 24 3.1.2 主程序的设计............................................................................... 25 3.1.3 主程序的说明............................................................................... 26 3.2 电容器投切判断及投切控制子程序设计.............................................. 26
参考文献................................................................................................................... 28
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1.1功率因数补偿器的设计
研究低压配电网智能功率因数补偿器的意义在于通过对无功功率的补偿，来改善和提高电力系统电压质量，充分发挥输变电设备的效能，减少电力损失，保证电网安全经济的运行。其主要设计包括以下几个方面：
1.补偿器的主电路图的设计：主要包括电容器的分组，每组由晶闸管控制，根据电网的无功需求并且在最佳时刻来进行投切。
2.系统的硬件电路图的设计：补偿器的控制芯片采用MCS-96系列单片机80C196KB；A/D转换采用12位的高性能A/D转换器MAX197；通过MOC3083来控制晶闸管的过零触发导通，从而投切电容器；并用时钟芯片DS12887来记录时间并具有掉电保护的功能。
3.系统的软件设计：数据采集及计算部分采用快速傅立叶算法，对一系列的电参量进行分析计算，以及显示电参量。系统的编程采用汇编语言及C语言。
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第二章 无功补偿装置的芯片选择与分析
自从1976年Intel公司推出第一批单片机以来，80年代单片机技术进入快速发展时期，近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、高性能方向发展，从4位、8位单片机发展到16位、32位单片机。单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各行各业，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、彩电，单片机都可以大显其能。单片机在国内的三大领域中应用得十分广泛：第一是家用电器业，例如全自动洗衣机、智能玩具；第二是通讯业，包括电话、手机和BP机等等；第三是仪器仪表和计算机外设制造，例如软盘、硬盘、收银机、电表。除了上述传统领域外，汽车、电子工业在国外也是单片机应用十分广泛的一个领域。它成本低、集成度高、功耗低、控制功能多能灵活的组装成各种智能控制装置，由它构成的智能仪表解决了长期以来测量仪器中的误差的修正、线性处理等问题。
所谓单片机，就是把中央处理器CPU（Central Processing Unit）、随机存取存储器RAM（Random Access Memory）、只读存储器ROM（Read Only Memory）、定时器/计数器以及I/O（Input/Output）接口电路等主要计算机部件，继承在一块集成电路芯片上的微型计算机。单片机技术与传感与测量技术、信号与系统分析技术、电路设计技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以及数据结构、计算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合，使得单片机的应用非常广泛。同时，单片机具有较强的管理功能。采用单片机对整个测量电路进行管理和控制，使得整个系统智能化、功耗低、使用电子元件较少、内部配线少、成本低，制造、安装、调试及维修方便。
本设计就是基于单片机80C196KB设计的功率因数补偿装置。补偿器的控制芯片采用MCS-96系列单片机80C196KB；A/D转换采用12位的高性能A/D转换器MAX197；通过MOC3083来控制晶闸管的过零触发导通，从而投切电容器；并用时钟芯片DS12887来记录时间并具有掉电保护的功能。
1.1 CPU芯片的选择与应用
在本装置中采用的CPU芯片为80C196KB，它是Intel公司MCS-96系列中应用最广泛的一种16位单片机，它具有高速处理功能及低功耗等特点。12MHz晶振时，16位加法指令只用0.66us，其基本指令的执行时间为0.5us-1.5us，指令
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的8098的超集，即8098指令的80C196KB全部可以使用。
1.80C196KB单片机的特点及外围特点
1)80C196KB单片机除了保留8098的基本功能外,还具有以下特点:内部分频电路为2分频而不是3分频，使处理能力提高1.5倍；指令速度更快,特别对变址/间址数据操作；对12MHz时钟，16*16位乘法仅需2.33us，而在8097BH上则需6.25us；更快的中断响应时间(几乎是8098的2倍)；低功率和空闲的工作方式；包括长字比较和块传送的6种新指令；8种新中断向量16种新中断源。
2)80C196KB单片机的外围特点
特殊功能寄存器窗口开关允许向只读寄存器中写入数据：定时器2（TIME2）可由外部选择为向上或向下计数；定时器2（TIME2）使用独立的捕捉寄存器；高速输出（HSO）事件存入一个寄存器中；高速输出（HSO）可使用CAM清楚和CAM LOCK命令；串行口可使用新波特率，所以方式都可用高速传输（12MHz晶振时达到3.0MV/S）；双缓冲串行口发送寄存器；串行口接受溢出和错误检测；PWM使用2分频脉冲计数器；HOLD/HLDA总线规约；8路10位A/D转换器，A/D转换时间为14.67us。
鉴于以上特点能够从硬件上缩短快速傅立叶变换的运算时间，保证电量测量的实时性。
2.80C196KB单片机的主要引脚功能 下面介绍个引脚功能： VCC:主电源+5V；
VSS:数字电路地(0V),两个Vss引脚都应接地；
CDE:时钟检测使能,为高使能时钟故障检测电路,若XTAL1频率低于指定的限度,则RESET脚变低；
VREF:片内转换器的参考电压(+5V),同时也为A/D转换器模拟部分和读0号口的电路提供电源,因而必须与0号口和A/D相连,要求VREF的稳压精度高于VCC；
ANGND:A/D转换器的参考地.一般情况下必须和VSS同电位；
VPP:从低功率电路返回的定时管脚,将该脚通过一个1uF的电容连到Vss,通过1个1M 欧姆的电阻连到Vcc，若不使用该功能,可把Vpp连到VCC，该引脚也为片内RPROM的编程电压,编程时，接12.75V电压；
XTAL1:晶振反向器和内部时钟发生器的输入； XTAL2:晶振反向器的输出端；
CLKOUT:内部时钟发生器的输出.CLKOUT的频率是二分之一的晶振频率,占空比为50%；
如图4.1所示为80C196KB单片机的引脚图
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