单片机原理及应用第7章课件.ppt
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1、7.1 单片机应用系统设计实例1 无功功率补偿控制器设计 7.2 单片机应用系统设计实例2 风力发电并网变流器控制器设计 7.3 单片机应用系统设计实例3 食堂售饭射频卡收费系统设计,7.1.1 需求分析无功功率是指在电源和负载之间进行能量交换,但是却不消耗那部分能量,比如电感负载在一定的时间内吸收能量,在另外一部分时间内释放能量,而电感并不消耗这部分能量。无功功率的存在对于电网具有很大的影响,比如增加设备容量、增加设备及线路损耗,使线路及变压器的电压降增大等。因此对于无功功率严重的公共电网,必须进行无功功率补偿。无功功率的补偿有很多种方法,并联电容器的方法成本较低,而且补偿效果较好,是一种常
2、用的方法。,7.1 单片机应用系统设计实例1无功功率补偿控制器设计,无功功率补偿控制器由单片机控制,实时检测电力系统的无功功率和电压、电流,根据系统无功功率和电压的大小投切电容器组,实现无功功率补偿。该产品具有完善的显示、控制和保护功能,可实时显示功率因数、系统电压、负载电流、无功功率、温度、谐波及电容投切状态。还可实时在线设置CT变比、投入门限、切除门限、过电压、欠电压、谐波上限、无功上/下限等参数。该控制器有12个控制输出,用在无功补偿中可控制12组电容器的投切。此外还有一组继电器用作报警信号(包括电压越上限或下限,温度越上限等),可启动外接报警器。无功功率补偿控制器的输出是继电器节点信号
3、,用于控制接触器的投切,是一种有触点无功功率补偿装置的控制器。,7.1.2 系统设计1.系统总体设计无功功率补偿控制器能够根据监测到的电力系统的无功功率,投切相应补充容量的电容,从而补偿电力系统的无功功率。并联电容器补偿电力系统无功功率的总体结构如图7.1所示。,图7.1 并联电容器补偿无功功率总体结构,无功功率补偿控制器应具有如下功能:控制器可自动对112组电容器进行循环投切。每组电容器可设定为长期接通或断开。合理控制,按无功功率大小补偿无功功率,杜绝投切振荡。测量及计算相关参数,测量电路中的电压、电流值,并计算无功功率、功率因数、谐波含量等参数。根据不同用户的要求可在线设置电压PT、电流C
4、T、电容器组投切参数、运行电压范围、动作延迟时间、报警限值等参数。,过压或欠压时闭锁电容投切。设置动作延迟时间,防止频繁动作。设置每组电容器动作间隔,保护电容器免受涌流冲击。装置能有效提高功率因数,减少电网损耗。改善供电质量。可实现电流过零时刻投切电容,对系统无涌流冲击,并可对快速变化的无功负荷进行跟踪补偿,响应时间小于20 ms,消除电压波动,抑制电压闪变。循环投切的功能。,温度测量功能,可测量并显示控制器所处的环境温度,温度越限时有报警信号输出,启动冷却风机。保护及报警功能,保护功能包括过压保护、欠压保护、谐波保护、温度保护四种保护。报警功能要求系统在过压、欠压、谐波过高及环境温度过高等情
5、况下都会有报警显示,报警指示灯闪烁,并有报警节点信号输出。自动运行功能,即停电退出,送电后自动恢复运行。根据功能需求,系统硬件组成框图如图7.2所示,包括主控单片机、系统电路模块、键盘模块、液晶显示模块、参数测量模块、继电器驱动及输出模块、保护及报警模块等。,图7.2 无功功率补偿控制器硬件组成框图,各模块的详细设计及功能见各模块设计部分。2.各模块设计键盘模块:键盘模块主要用来向单片机输入数值,完成参数设置。为了简洁和操作方便,本控制器设计6个按键,分别为菜单键、上键、下键、左键、右键、返回键。菜单键用来进行菜单选择,上、下、左、右四个键用来选择菜单的某个选项,选定后具体设置的时候左、右键进
6、行位选择,上、下键进行具体值的调整。返回键用来返回上一级菜单。,液晶显示模块:液晶显示模块用来显示相关参数以及参数设置结果。液晶显示器在上电后,会进入实时数据显示画面,显示如下内容(其中数值均为示例):功率因数:0.9879。系统线电流:9999。母线间电压:380。系统无功功率:9999 kvar。环境温度:33。谐波:总谐波含量,3、5、7次谐波含量。继电器状态:实时显示目前各继电器的接通状态。,当按下菜单键时,进入菜单选择页面。在第一级菜单选择页面上,主要有参数设置、系数设置、报警设置、极性侦测、继电器测试五个菜单选项。通过上、下、左、右键把光标移动到相应的菜单选项上,按菜单键,则进入相
7、关子菜单页面。参数设置子菜单页面主要有如下参数需要设置:无功上限:当系统感性无功功率大于此值时控制器发出投电容器组的指令。无功下限:当系统容性无功功率大于此值时,控制器发出切电容器组的指令。过压值:(电容器组正常投切的电压最高值)电压超过该设定值时,尽管无功功率大于上限,也不再投入电容,此值一般为1.07UN(UN为PT二次侧值)。,欠压值:(电容器正常投切的电压最低值)电压小于此设定值时,尽管容性无功功率大于下限,也不切除电容,此值一般为0.85UN0.9UN。电容器动作延时:当满足电容器组投切要求时,延时设定值投切电容器组。可设定范围为099 s,一般设为30 s。电容器组间动作延时:当电
8、容器组切下后到再投时的延时,可设定范围为0250 s,根据电容器的充、放电时间确定,一般设为250 s。温度上限:温度高于上限时,发报警信号。谐波上限:当电压的谐波高于此设定值时切除所有的电容器组。,继电器状态设置和每组电容容量及控制方式设定:继电器的属性子选单。电容器投切方式:控制器有循环式和堆叠式两种投切方式,循环式是先投后切,堆叠式是后投先切。通过上、下键选择相关选项,按菜单键进入每个选项的具体值的设定,左、右键选择要设置的值的位(指个位、十位、百位),然后通过上、下键调整所选位的值。系数设置子菜单页面主要有如下参数需要设置:PT变比。电流系数(误差)。CT变比。,报警设置子菜单页面主要
9、有如下参数需要设置:过压报警开关状态设置。欠压报警开关状态设置。超温报警开关状态设置。谐波报警开关状态设置。极性侦测用来检测从传感器检测的电压和电流值极性是否相反。继电器测试用来对每路继电器的工作状态进行测试。,继电器驱动及输出模块:无功功率补偿控制器对外输出继电器信号,来进行电容的投切。可以对12组电容器进行循环投切,根据无功功率大小,能自动选择需要投切或者断开的继电器。过压或欠压时闭锁电容投切。为了防止频繁动作,设置了动作延时时间。为了保护电容器免受涌流冲击,设置了每组电容器动作间隔。参数测量模块:检测电网的电压、电流和环境温度,并根据检测到的电压和电流计算有功功率、无功功率、功率因数、谐
10、波含量等参数。这些参数均可以通过AD公司的功率检测芯片ADE7758来进行测定。,保护及报警模块:过压保护:母线电压高于过压设定值时,分组切除投入的电容器组。欠压保护:母线电压低于欠压设定值时,切除所有投入的电容器组。谐波保护:母线电压的谐波高于设定值时,切除所有投入的电容器组。报警功能:系统可在线设置电压上、下限和温度上限;系统在过压、欠压及环境温度过高时都会有报警显示,报警指示灯闪烁,并有报警节点信号输出。,3.系统程序设计本控制器从功能上来看,软件可以分为三部分:液晶显示器及键盘部分,主要进行各种参数的设置;主控制及驱动程序部分,根据无功功率和设置的各种参数,按所选择的投切方式驱动继电器
11、,完成电容的投切;电网参数测量部分,主要是通过SPI接口对ADE7758的相关寄存器进行读取,并把读取到的值还原为实际的电网参数。液晶显示器部分程序与主控程序之间通过全局变量的形式进行参数传递,而电网参数测量部分和主控制程序之间通过调用子函数的方式进行参数传递。主控制及驱动程序的软件流程图如图7.3所示。,图7.3 主控制程序流程图,7.1.3 硬件电路原理图及PCB设计硬件电路原理图采用Protel进行设计。1.单片机及其系统控制电路设计单片机及其系统控制电路如图7.4所示。单片机选用了飞利浦公司的PCF80C552-5-16WP,这种单片机有48个I/O口,完全可以满足我们扩展液晶显示器、
12、键盘和驱动继电器的需要。,系统控制电路包括电源电路、时钟电路和复位电路。电源电路采用了一个AC/DC模块,输入为220 V市电,输出为+5 V,供控制器电路使用。为了增强抗干扰能力,电源系统采用容值大小不同的电容并联进行电源滤波,容值分别为47 F和0.1 F(一般相差100倍以上即可)。每个芯片的电源和地之间都加入了0.1 F的去耦电容。复位电路设计了上电复位和手动复位两种方式。时钟电路使用外部晶体和内部振荡器,振荡频率为11.0592 MHz。,图7.4 单片机及系统控制电路,2.键盘及液晶显示电路设计本控制器根据系统功能需求,共设计了六个按键,每个按键对应于一个I/O口。同时所有的按键都
13、通过与门输入到单片机的中断引脚上,只要任意一个键按下,都会得到单片机的响应。液晶显示模块采用了深圳拓普微公司的LM2068,它是一款320240点阵的液晶显示器,内部继承了驱动器和中文字库,每个页面最多可显示2015共300个汉字。它与单片机的接口原理请参见相关数据手册和使用指南(可以在拓普微公司的网站上下载)。键盘及液晶显示电路设计如图7.5所示。,3.电网参数检测电路设计电网参数检测芯片采用了AD公司的ADE7758,它可以同时采集三相电压和电流。根据采集的电压和电流能够自动计算无功功率、有功功率、功率因数、谐波、温度等,并把相关参数存储到其内部寄存器中。单片机通过SPI接口读取ADE77
14、58的相关寄存器,即可得到所需的各种参数。,ADE7758的电压检测引脚输入电压范围为-0.5+0.5 V,从电网进来的电压有效值为220 V,峰值为380 V,通过电阻分压,使实际输入到ADE7758的电压为-0.38+0.38 V,在允许的电压范围之内。电流检测采用了电流互感器的方式。具体检测电路如图7.6所示。其相关接口信号请参见相关资料。,图7.5 键盘及液晶显示电路,图7.6 电网参数检测电路,4.继电器驱动及输出电路设计对外的输出有12个投切电容继电器、1个故障信息输出继电器和1个运行/故障灯。对继电器的控制采用I/O引脚控制,单片机的每个I/O口控制一个继电器。由于单片机I/O口
15、的驱动能力有限,因此在单片机和I/O口之间加入达林顿管芯片ULN2003进行功率放大。继电器驱动及输出部分电路如图7.7所示。,图7.7 继电器驱动及输出电路,5.保护及报警模块电路图保护及报警模块的功能主要是当电压、电流、谐波、温度等超过限值时,采取相关保护和报警措施。对于各种参数是否超限的检测主要在软件中进行,一旦检测到故障信号后,就发出报警信号。报警信号的输出采用发光管和继电器输出两种形式,发光管通过闪烁的形式提示故障信号,继电器输出供用户外部连接其他的故障保护设备。具体电路如图7.8所示。,图7.8 保护及故障保护电路,6.接线端子设计本控制器对外的接线端子有输入端子、电容器控制输出端
16、子、报警输出端子,具体设置情况如图7.9所示。7.PCB设计PCB的设计与电路原理图的设计采用同一个设计工具Protel。PCB设计时需要考虑的几个问题是适当的尺寸大小、合理的元器件布局、适当的对外接口位置及较强的抗干扰能力。,本系统中既有强电信号,如继电器、电流互感器等,又有单片机及液晶显示器等弱电信号。为了降低电磁干扰,把强电和弱电分别布在一个电路板上,两个电路板之间通过接口连线进行联系。一个电路板以单片机、液晶显示器、键盘等弱电信号为主,另一个电路板以继电器、参数测量等与强电信号相连的电路为主。,图7.9 无功功率补偿控制器接线端子,为了增强抗干扰能力,加大了电源线宽度,减少了环路电阻。
17、一般电源线和地线的宽度应至少是24 mm。对于功率消耗较大,也就是流过电流较大的单片机系统,电源线的宽度还应该更宽。同时,PCB走线时应尽量降低电源线的长度。对于地线,应在尽可能的情况下采用敷铜技术,把电路板上空余的地方全部敷铜,增大地线宽度。如果技术条件允许,最好采用多层板技术,专门设置一个电源内层。信号线一般不出现锐角。,7.1.4 系统调试1.前期基本调试电路板做好以后,先进行基本连接关系的初步检查调试,主要是看有没有断线或者明显的短路情况。确定没有问题之后再进行相关电器元件的焊接。元器件焊接完成后,在上电之前先检查电源的两个输入端子有没有短路,在没有短路的情况下才可以上电。第一次上电时
18、要小心,应仔细观察上电后是否有异常气味或者声音,有没有芯片发烫严重,发现这些问题后,应立即断电,排查故障。每次电路修改后再上电时都要进行检查。,上电没有故障后,首先用万用表检查各个芯片的电源与地是否正确连接,在电源和地正确连接的情况下再去检测晶振电路是否起振。在电源和晶振都正常工作的情况下,先调试单片机的基本运行情况,运行一个简单程序,看结果是否正确。然后设置I/O口输出,看结果是否正确。,2.功能模块调试当确定单片机可以正常工作后,下面进入功能调试阶段。功能调试阶段按功能模块一步步进行调试,然后再进行系统联调。继电器驱动系统调试时,先使用实验室直流+5 V电源通过达林顿管给继电器线圈供电,检
19、查继电器的输出,看继电器输出系统基本电气连接和输出逻辑是否正确。然后再通过单片机编程I/O口来驱动继电器。,键盘和液晶显示电路调试时,先看当键盘按下时,输入到单片机相关I/O口以及中断引脚的电平是否正确。然后再通过单片机向液晶显示器输出一个简单的显示内容,看是否可以正确显示。无误后再调试通过键盘设置相关参数并通过液晶显示器进行显示的程序。参数检测电路的调试主要是电压、电流的检测,以及电压、电流、无功功率、功率因数、谐波含量等参数的读取。实验室里面的市电电源一般都含有一定的无功功率,通过霍尔传感器或者互感器把电压、电流输入到无功功率补偿控制器相关端子,单片机从ADE7758读出相关参数后,与电源
20、中的实际无功功率进行比较。电源中的实际无功功率可以通过无功功率检测仪来进行检测。另外,也可以使用可编程电源来模拟含有无功功率和谐波的电网情况。,3.系统联调基本功能调试完成并确定没有错误后,接下来就是把各个基本功能模块结合在一起进行产品的综合调试,我们称为系统联调。系统联调主要检测设备可否完成要求的各种功能,包括正常情况下的电容器投切功能和各种极端情况下的报警和保护功能。这里面的一个关键是如何模拟现场中的各种极端情况,比如电压过高、电压过低、谐波过高等。这些极端情况在实际市电电线中一般情况下是不允许出现的,一旦出现将会引发相关灾害。为了在实验室模拟这些极端情况,我们采用可编程电源来给设备供电,
21、从而来模拟各种极端情况。,为了观测实际的补偿效果,给无功功率补偿设备并联一台无功功率检测仪,实时检测补偿前和补偿后无功功率的变化。同时用一台示波器通过互感器实时观察电源的电压和电流波形,特别是电容器投切的动态过程中电压和电流波形的变化。,7.1.5 文档编制文件既是设计工作的结果,也是以后使用、维修以及进一步开发的依据和基础。因此,设计工作完成后一定要精心编写工作文件,尽可能描述清楚,使数据和资料齐全。文件应包括任务描述、性能测定及现场试用报告与说明、使用指南等。最后,设计人员提交的文档应包括:(1)需求说明,包括具体的产品应用场合、产品应实现的功能、产品设计要求等内容。(2)概要设计说明,主
22、要是系统功能设计、设计指导思想及设计方案论证。,(3)详细设计说明,根据概要设计所采取的方案,对详细设计过程进行说明,包括功能模块的划分,每一模块的具体实现,各模块之间的接口情况,电子元器件的选型,硬件电路设计思路等。(4)各种硬件图纸,包括硬件电路原理图、元件布置图及接线图、线路板图、接插件引脚图等。(5)软件相关资料,包括软件流程图、程序清单、程序说明等。(6)用户手册/使用指南,提供给用户使用,使用户根据手册或指南就能进行各种相关操作。用户手册/使用指南的编写要求语言简洁,内容全面,且不能有歧义。,7.2.1 需求分析随着传统化石燃料能源的日益枯竭,以及化石燃料能源对环境的影响,新能源发
23、电日益成为各国竞相关注的热点。特别是随着技术的进步,新能源发电的发电成本日益降低,而传统能源,如石油、天然气等的价格却日益提升,这使得新能源发电已经具备了和传统化石燃料能源竞争的条件。新能源发电包括太阳能发电、风力发电、生物质能发电等。从技术成熟度和发电成本上来看,目前以风力发电最具有短时间内迅速发展的潜力。,7.2 单片机应用系统设计实例2风力发电并网变流器控制器设计,根据所采用风轮形式的不同,风力发电系统可分为垂直轴风机和水平轴风机两种。目前,水平轴风机在实际应用中占据绝对优势。大功率场合常以双馈发电机和永磁同步发电机为主。双馈发电机的优势在于并网变流器仅流过发电量的三分之一左右,因此在同
24、样的发电量并网的情况下,成本较低;其缺点是不论是发电机本身的设计,还是控制系统的设计,都比较复杂。,永磁同步发电机的优势在于可以实现直接驱动,节省了齿轮箱,降低了系统成本,而且不论发电机的设计还是控制系统都比双馈发电机简单。但是永磁发电机所有的并网电量都要经过并网变流器,对电力电子装置的要求较高。我们的设计使用水平轴风机直接驱动永磁同步发电机这种发电方式。其中,风力发电系统的总体结构如图7.10所示。图中,并网变流器采用了电压源型并网变流器。作为自动化类专业的技术人员,我们的设计主要集中在并网变流器控制器上。,图7.10 风力发电系统总体结构,电网对风力发电并网的要求是:必须遵守电网对电能质量
25、的要求,送入电网中的电能功率因数高,谐波含量少,并且输送功率稳定。由于在实际运行中,风力时大时小,随机变化比较大,使风力发电机发出来的电能波动也比较大,因此必须通过并网变流器的控制,使送入电网中的电能符合电网对电能质量的要求。,7.2.2 系统设计并网变流器包含电机侧的整流电路和电网侧的逆变电路。电机侧的整流电路主要进行最大功率跟踪;电网侧逆变电路主要进行并网电能的电能质量控制。从硬件电路来看,整个控制器包括控制芯片、信号调理电路、驱动电路三部分。从控制算法及软件功能来看,包括电机侧整流电路控制算法及程序和电网侧逆变器控制算法及程序。,1.电机侧整流电路控制电机侧整流电路的作用是把风力发电机发
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