JKL5CF型无功功率自动补偿控制器整机电路解析

1.JKL5CF型控制器信号检测电路（见图2-25）

信号检测电路，主要任务是完成对电网电流、电压采样信号的输入处理，以生成无功电流（或功率因数角）信号，供MCU内部运算处理后，得到电容投切动作的数据依据。由5V基准电压源、电压跟随器、反相放大器等电路组成。

[5V和2.5V基准电压电路]由T1电源变压器的8.5V绕组输出的交流电压，经整流桥全波整流和电容滤波后，一路经集成稳压器78W05，取得+5V稳定电源，作为MCU芯片的供电，和外围电流、电压采样电路运算电路的供电；一路由260Ω电阻降压后，由基准电压源431AC处理为5V基准电压，输入MCU的37脚，作为内部A-D转换电路的运算基准参考，用于处理由35、36脚输入的电流和电压检测信号。5V基准电压又经电阻R3、R4分压为2.5V后，送入由N2-1电压跟随器的同相端，N2-1输出的2.5V基准电压，同时引入：

1）反相器N2-2的同相输入端12脚，作为比较基准电压，对应于0V输入交流信号；

2）迟滞电压比较器N2-3的同相输入端3脚，作为比较基准；

3）电流检测信号和电压检测信号的公共端，即电流检测信号的in端。

本电路所用到的基准电压源器件，型号为431AC（其他型号为TL431、LM431、μA431），为3端控制器件，该器件又称为可调式精密并联稳压器，常见封装形式有TO-92（塑封直插）和SOP-8（8引脚贴片封装，4，5脚为空脚，2、3、6、7为阴极）。

431AC（见图2-26）是一种具有电流输出能力的可调基准电压源，输出电压范围2.5～36V。其主要优点是动态阻抗低，典型值为0.2Ω，若构成稳压电路，能显著提高稳压精度。工作电流I_KA为1～100mA，范围较宽。内部基准电压V_REF=2.5V，接入电路达到稳态输出后，外部基准端子V_REF电压也为2.5V，因而此端子也称为外部基准端子。

图2-25 JKL5CF控制器信号检测电路

图2-26 TL431器件符号、封装形式、原理图和测试电路图

短接V_REF、K端子，接成图2-26中的测试电路，即成为2.5V稳压电路。稳压控制原理如下：当负载电流减小引起输出电压上升时，内部运算放大器的同相端（V_REF端）电压上升，晶体管VT导通增强，对负载电路进行并联式分流，直到V_REF端子电压等于2.5V为止；当负载电流减小时，V_REF端电压低于内部基准电压值时，晶体管VT导通变弱，对负载电路的分流能力变小，使输出电压维持不变。若在V_REF端子和K、A极间接入分压电阻，可以调整输出电压为2.5～36V以内的任意值。

由本电路电阻元件R1、R2的电阻值可知，N5的输出端1脚，其基准电压值为5V。电路构成一个5V基准电压源，再由N2-1电路处理后输出2.5V的基准电压。

2.5V基准电压的作用如下：

1）将电流检测信号和电压检测信号的公共端“钳制”于2.5V的基准电平上；

2）使N2放大器输出的信号电压满足0～5V的要求，实现输出电平位移。

因为N2运放电路与MCU的供电为单电源+5V供电，而输入信号为采样交流信号。运放电路不能处理负的输入信号，MCU也不能接受负的输入信号。要将±2V的输入信号转换为0～4V以内的0以上电平信号，故电路需事先处理出2.5V的基准电压，作为输入信号的“0零准”，这样，在运算放大器的输出端，便将输入交流信号，转变为在2.5V上、下变化的0～4V以内的直流输出信号了。考虑到输入信号的线性范围，一般取供电电源电压的一半作为放大器输入端的基准电压。

[电流信号采样电路]N2-2反相器及外围电路，构成电流信号采样电路。外部电流互感器TA1输入的0～5A交流电流信号，先经互感器TA2和负载电阻R6上转变为0～4V左右的交流电压信号，再由R7输入到反相器N2-2的反相输入端，转换为0～4V以内的直流电压信号，输入到MCU的模拟信号输入端。电流互感器TA2和负载电阻R6将输入的电流信号进行二次变换，以适应后续电路对输入信号电压范围的要求。

[电压信号采样电路]N2-4、电压跟随器及外围元器件组成电压信号采样电路。来自T1电源变压器7V绕组的交流电压采样信号，先经R13、R14分压，取得约1V的交流电压后，再输入至N2-4的同相输入端，电容C1将电压跟随器使R12的左端实现交流接地（“0零准”）。经N2-4处理后，输入MCU的36脚。

从MCU芯片的35、36脚输入的电流和电压检测信号，进行比较和运算处理，由MCU内部软件方法生成无功电流或功率因数角检测信号，进而使MCU决定投切电容器组的多少，输出相关的投切控制信号。

2.JKL5CF控制器的操作显示和继电器驱动电路

（1）STC89C5x芯片引脚功能

控制器采用了89C5x（STC89C51RC/RD+）系列MCU芯片（因原芯片型号已经擦除，不能确定准确的序列号，图中以STC89C5x示之），完成对电流、电压检测信号的运算处理，对4位数码显示器、12只发光二极管的驱动，及输出12路继电器驱动信号。

本例电路采用PQFP-44封装形式的MCU芯片，引脚功能标注如图2-27所示。

89C5x系列MCU芯片，是高速、低功耗的新一代8051单片机，其主要特点如下：

1）增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期。

2）工作电压为3.4～5.5V（5V单片机），工作电压为2.0～3.8V（3V单片机）。

3）工作频率范围高达40MHz，有的版本实际可达48MHz。

4）用户可用程序空间，4kB、8kB、15kB、16kB、20kB、32kB、64kB，可选。

5）片上集成512/1280B RAM。

6）EEPROM存储器，2kB，4kB，16kB。(www.xing528.com)

7）共3个16位定时器/计数器。

8）通用I/O口32/36个，P1～P3是准双向口/弱上拉，P0是开漏输出，作为I/O用，必须加上拉电阻；作为总线用时，不加上接电阻。

9）外部中断2路，下降沿中断或低电平触发中断。

图2-27 89C5x系列MCU芯片的引脚功能标注

10）看门狗功能。

11）通用异步串口。

12）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程）。无需专用编程器，可通过串口（P3.0/RXD、P3.1/TXD）直接下载用户程序。

13）内部集成MAX810专用复位电路（D版本有），外部晶体20MHz以下时，可省去外部复位电路。

14）工作温度范围为0～75℃/-40～85℃。

15）封装形式有3种，即PDIP-40、PLCC-44、FQFP-44。

（2）MCU芯片的引脚功能类别

如图2-28所示，按其工作性质和作用，可分为三大类引脚：

1）基本工作条件引脚。Vcc、Vss供电电源引脚、RST复位控制引脚和XTAL1、XTAL2外接晶振引脚。电源、复位和时钟称为MCU工作三要素，以上三个基本工作条件满足，即可构成一个最简易的系统，使MCU芯片具有了工作条件。

2）I/O端子引脚（参见图2-28）。I/O端口又称为I/O接口或I/O通路，是单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路。

图2-28 MCU芯片的引脚功能类别

I/O端口分为串行口和并行口。串行I/O端口一次只能传送一位二进制信息；并行I/O端口一次可传送1B的数据。4个并行端口，分别命名为P0、P1、P2、P3，每个端口都有8条端口线，用于传送数据或地址信息。由于每个端口的结构各不相同，因此它们在功能和用途上差别较大。

从图2-28上可以看到，每个端口均为双向传输口，又同时为复功能端口。如P0.1/AD1引脚，既可以输入、输出高、低电平信号（双向），又可以输入、输出有一定频率值的脉冲信号（双向），还可以向该脚输入模拟电压信号（复功能）。各个I/O口，其实又是多功能多用途端口。MCU的端口，除了由端口内、外部硬件电路来确定外，工作于何种模式，同时还取决于软件（程序）的设置。

其中P1～P3端口多用于输入、输出开关量的控制信号，部分端口用于模拟量信号输入。而P3端口，更多的是用于系统控制：P3.0—RXD是串行数据接收口；P3.1—TXD是串行数据发送口；P3.2—INT0是外中断0输入；P3.3—INT1是外中断1输入；P3.4—T0是计数器0计数输入；P3.5—T1是计数器1计数输入；P3.6—WR是外部RAM写选通信号；P3.7—RD是外部RAM读选通信号。如用于下载程序、片间通信、程序中断、存储器数据的数/写控制等。

3）其他引脚。：地址锁存允许/编程线。MCU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号，以便空出P0口去传送片外存储器的读写数据。不访问片外存储器时，ALE端也以振荡频率的1/6固定输出正脉冲，因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。：在对片内带有4KB EPROM的8751编程写入（固化程序）时，作为编程脉冲输入端。：程序存储允许输出信号端（片外ROM选通线）。在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。此引脚接EPROM的OE端。端有效，即允许读出EPROM/ROM中的指令码。：允许访问片外存储器/固化编程电压输入端。，PC指向片内ROM；，PC指向片外ROM。第二功能V_pp是对8751片内EPROM固化编程时，作为施加较高编程电压（一般12～21V）的输入端。

该类引脚，也是用于系统控制的。

（3）JKL5CF控制器的操作显示和继电器驱动电路（见图2-29）

[控制器的供电电路]由接线端子引入的Ub、Uc/380V线电压，作为电源变压器T1一次绕组的电源，由二次3个低压绕组提供整机电路的供电和作为电压（相位/过零点）采样信号，经处理后，输入MCU相关引脚。二次绕组的11.5V交流电压经整流滤波得到的非稳定直流电压，作为12只继电器线圈的受控供电电源；8.5V交流电压（参见图2-29上半部分），经整流滤波和稳压处理，得到+5V电源，供MCU和信号检测电路的供电；7V交流电压，作为Ub、Uc线电压采样信号，经处理取出电压幅度，和电网过零点信号，经MCU与Ia线电流采样信号相比较，得到电容器组的投、切控制信号。

[MCU基本条件电路]MCU的38脚和16脚为供电电源引入脚，复位控制器4脚省略外部复位电路，上电后进行软件复位。14、15脚外接16MHz晶振元件，与内部反相器电路一起，构成时钟振荡器。该5个引脚的外接电路，提供MCU的基本工作条件。

[操作与显示电路]MCU的30、31、32脚和外接电路，形成系统控制（如自动、手动切换）、工作参数设置等操作控制电路。当操作过程中相应按钮按下时，MCU的相应引脚变为低电平，MCU据此信号电平变化，判断是哪只按键按下，继而执行相应的程序。

MCU的P2、P3端口共输出14线的显示驱动信号，用以驱动4位LED数码显示器和12只发光二极管（对应12路电容器组的投、切状态）。7、9、10、11脚输出4位LED数码显示器的位驱动信号，如果将每8只发光二极管也作为1位数码显示器来看待，12、13脚输出的也是两路位驱动信号，提供共阳极显示器每位的公共端电流通路。其他引脚输出的则是段驱动信号，提供显示器每段笔画的电流通路。位驱动和段驱动信号相互配合。使显示器和发光二极管做出无功电流、电网电压、控制器工作状态等的相应指示。

为降低驱动功耗，一般采用脉冲式驱动方式。两只300Ω排形电阻（每只内含4只独立300Ω电阻），是4位显示器和发光二极管的限流电阻。

[继电器驱动电路]本控制器可以控制12支路电容器组的自动投、切，控制信号由MCU的P1、P4端口的相关引脚输出，输入到高电压大电流晶体管阵列器件——反相器/驱动器ULN2003A的信号输入侧，经功率放大后，直接驱动KA1～KA12等12只继电器。

ULN2003A器件，和上面所述的MC1416器件的原理功能相同，电路原理请参阅前述。

我们以上分析的只是控制硬件电路构成，但系统的工作是按MCU内部软件程序来运行的，如何工作，取决于软件设计者的思路。因而一个MCU控制系统的正常工作，是在硬件电路基础上运行其软件程序的结果。