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毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页1 单片机应用系统设计功率因数补偿器 专 业： 自动化 姓 名： 指导老师： 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页2 单片机应用系统设计单片机应用系统设计功率因数补偿器功率因数补偿器 摘要摘要 根据目前低压电网用电负载功率因数偏低和国内单片机的应用现状，立足于补偿装 置提高交流电的功率因数，基于将每个补偿进行集中监控、信息集中传递的思路，本文 作者在分析现有的控制系统体系结构的基础上，提出了基于单片机的功率因数补偿器设 计，构建了功率因数智能动态补偿系统。针对本系统的应用对象，确定了本系统中所应 用的无功电流实时检测理论和方式、补偿电容器接线和分组方式、补偿电容器投入时刻 的选择等关键技术；在分析电网的频率特性和功率因素动态补偿系统的性能特点基础上， 对功率因数动态补偿。系统以性价比很高的8031 单片机作微处理器单元，该单片机具 有当今最新型的片内闪速可编程、可擦除的存贮器，最多可擦写1000次。他不仅具有 mcs- 51 系列单片机所具有的特性，而且还有完善的兼容性、快捷便利的电擦写操作和 价格低廉的特点，此外他还可加密，因此广受用户欢迎。 关键词：单片机关键词：单片机 功率因数功率因数 补偿器补偿器 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页3 the systerm designe and appliance of single chip compuerpower factor supply implement abstractabstract use the applied present condition of a machine of the electricity load power factor currently according to the low-pressure charged barbed wire net, have a foothold to equip the power factor of raise the alternate current in the repair, according to carry on each repair concentrated supervision, information the way of thinking that concentration deliver, this text in analyzing the foundation of the existing control system structure, the author put forward according to the power factor of a machine compensate machine design, set up the power factor intelligence dynamic state repair system.aim at the applied object of this system, make sure this system in applied without electric current of the solid hour examines the theories and ways and compensates the capacitor to connect the line and cent a method, compensate the capacitor throws in the choice of the time etc. key technique;compensate the function characteristics foundation of the system in the frequency characteristic and power factor dynamic states of the analytical charged barbed wire net up, compensate to the power factor dynamic state.the system is with sex price compare very high 8031 single chip computer to make the microprocessor unit, should a machine tool have nowadays the latest model inside the slice soon programmable, can wipe in addition to of save the machine , can wipe to write at most 1000 times.he not only has the mcs- 51 the characteristic that a machine of series have, and still is perfect and permit the electricity of sex, fast convenience to wipe to write the operation and cheap characteristics of price, in addition he can also encrypt, therefore wide the enjoyable door is welcome. keywordskeywords： single-chipsingle-chip computercomputer，powerpower factorfactor，supplysupply machinemachine 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页4 目录目录 1 绪论5 1.1 引言 5 1.2 功率补偿在国内外的研究现状 6 1.3 本论文的研究意义 9 1.4 本论文的主要工作 11 2 8031 单片机功能及简介.12 2.1 单片机的基本概念 12 2.2 单片机的特点及应用 16 2.3 8031 单片机配件原理综述及地址分配 .16 2.3.1 mcs-51 单片机芯片的概述16 2.3.2 mcs-51 单片机的内部结构与工作原理17 2.3.3 mcs-51 单片机的时序功能分析19 2.3.4 mcs-51 单片机的定时器/计数器原理21 3 功率因数角的测量方法29 3.1 功率因数角 29 3.1.1 功率因数角的测量原理.29 3.1.2 接口电路.30 3.1.3 程序框图.31 3.1.4 小结.32 32 功率因数的补偿方法-电容投切控制方案研究 33 3.2.1 概述.33 3.2.2 并联电容器补偿原理.33 3.2.3 并联电容器补偿无功功率的方式.35 3.2.4 补偿电容器自动投切判据.36 3.2.5 补偿电容器的程序框图及电路图.38 3.2.6 小结.39 3.3 功率因数显示电路研究 40 3.3.1 概述.40 3.3.2 采用 4 位 led 动态显示接口电路原理.41 3.3.3 动态显示程序及流程图.42 3.3.4 小结.44 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页5 4 综合应用功率因数补偿器的设计45 4.1 硬件设计图及原理 45 4.2 小结 46 总 结47 致谢48 参考文献49 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页6 1 绪论 1.11.1 引言 我国的高压输电网一般只在变电站设置增压设备，用户往往距离变电站 较远。由于传输线路长、用电设备功率需求量大，且用户多以感性负载为主， 所以电网功率因数普遍较低，无功功率得不到补偿，致使能源浪费较大，设 备损耗严重，给电力部门和用户造成巨大经济损失。至于用户因电网电压不 稳定和供电不足所造成的废品、次品、设备减寿、停产、停电等损失更难以 估计。而在我国，电动机类负载所耗电能的比重占整个工业用电的65%左右， 运行效率一般低于世界平均水平的10%-20%。仅此一项节约电能潜力约为每年 480-600亿度。国家为了推动企业向节能低耗和经济效益型企业转变，特制订 了gb/t12479(三相异步电机经济运行)，其中特别规定要对电机的功率补偿和 配电的优化技术进行大力推广和提高。利用无功功率自动补偿装置，对电网 和电机等用电设备进行无功功率补偿是降低线路损耗、节约电能、改善电网 电压质量、充分发挥用电设备使用效率的最经济和最普遍的方法之一。目前， 国内普遍采用的无功补偿技术主要是集中补偿，且多为固定补偿方式。即使 采用就地补偿方式，也是采用继电器作为补偿电容器的投切开关来控制，由 于受电力电容器承受涌流能力、涌流次数、放电时间及电力电容器单台容量 等诸多因素的限制，这类产品只能采用有级、延时的控制方法。采用有级调 节补偿方式，将导致补偿精度较差、节能效果不理想，而其延时性使得电网 无功功率补偿在时间上得不到完全满足，跟随性不好(最快只能为10秒)，从 而影响其补偿效果，大大限制了节能效率的发挥。当负荷变化快、波动大时， 这类静态补偿装置无法实现补偿；有时为了满足一定的跟随性，不得不将继 电器 交流接触器过于频繁动作，因而造成接触器和电容器过早损坏，节能 效率也不理想。因此，国家己决定大规模地进行城乡电网建设改造，投资达 2500亿元。据估计，在未来五年里，农村电网无功功率补偿装置的容量需要 104.78万千瓦，城市电网则大约需要598.4千瓦。如实现这一目标，其设备价 值至少将达8.5亿元。面对如此千载难逢的机遇，国内外厂商对此展开了激烈 的竞争。 另外，随着工业中生产手段的复杂化和功能要求的不断提高，对于配电 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页7 系统的要求也越来越高。除了传统的容量、可靠性不断提高外，对数据量、 远程控制、故障检测等也提出了要求，这就是智能化配电技术。它能实现遥 测各回路各控制单元(子站)的电量参数；遥调各个子站远距离上传、下载各 种保护设定值和特性曲线：遥控各个子站进行远程储能(框架断路器)、合闸、 分闸、启动、停车(马达控制回路)等操作；遥讯-各种信息资源查询、故 障记录，日记报表等，以及电网管理、成本分析、电网质量和负荷分析等。 1.21.2 功率补偿在国内外的研究现状 有关功率理论的争论可以追溯到上个世纪20年代。budeanu和fryze最早 分别提出在频域定义和时域定义的方法，以后又有各种定义和理论不断出现。 1991年以来，多次举办了专门讨论功率定义和测量问题的国际会议，但迄今 为止，尚未找到彻底解决问题的理论和方法。 图1.1现有功率理论按其适应性分类 akagi等人提出的瞬时无功功率理论解决了谐波和无功功率的瞬时检测等 问题，对无功补偿装置的研究和开发起到了很大的推动作用，但这一理论的 物理意义较为模糊，与传统理论的关系不够明朗，在解决如图1.1所示的第一 类和第三类问题时遇到困难。而我国的学者夏道止在这一领域也有较深的造 诣，其研究的主要特点是把交直流电力系统作为一个整休统一求解，使得分 析结果更为准确，但是对于第三类问题的研究至今也未能取得较大突破。因 此，目前这一领域的一些问题还有待进一步研究解决，至于功率补偿的方法， 各种 功率 理论 第一类 适用于谐波和无功功率的辨识 第二类 适用于谐波和无功功率的补偿和抑制 第三类 适用于仪表测量和电能的管理,收费 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页8 国外在低压电网上主要采用静止补偿器(static var compensator，简称svc) 和静止无功发生器(static vargenerator，简称svg)作为动态补偿装置svc又 可分为晶闸管开断电容器(thyristor switching capacitor简称tsc)、晶闸 管开断电容器并联晶闸管控制电抗器(thyristor switching capacitor and thyristor controlling reactor简称tsc+tcr)等几种类型。tsc这种设备解 决静态补偿装置的延时投切方法，但是，由于受到晶闸管的导通特性的限制 以及电容器容量分级的影响，这种补偿装置的无功调节范围只能是有限的， 得不到最佳的补偿。因此，在静态补偿装置的基础上，人们又增加了一个较 小容量的电抗器，用微机控制下的晶闸管进行电流调节(电抗器容量大约为电 容器总容量的20%)，使电网无功得到连续地、动态地补偿，这种补偿方式简 称为tsc+tcr方式。日本三菱公司生产的svg设备，不用电抗器和电容器，通 过调节可控硅阀，可以调节交流电机的输出电流与电网电压间的相角。但是 与svc装置相比，svg使用了较多的可控硅阀，还要附加一套启动设备。 面对电力系统发展中的矛盾和问题，来自直流输电竞争的压力以及已有 后来属于灵活交流输电技术(facts)部件的初始研制和运行经验积累，随着电 力电子技术及计算机自动控制技术的迅速发展，在80年代后期由美国电力科 学研究院正pri)的n.g.hingorani博士先后提出了灵活交流输电技术(facts) 和用户电力技术(custom power)的概念。这两项技术均是以电力电子技术、 微处理机技术、控制技术等高新技术为基础的，均是用以提高电力系统的可 靠性、可控性、运行性能及电能质量，并可获得大量节电效益的新型综合技 术。不同之处在于facts侧重应用于高压输电系统，而custom power侧重应用 于中、低压配电系统，但有时两者又是统一的，如静止无功补偿器(svc)和静 止调相器 (statcon)等既可用于高压输电网又可用于配电网中。尽管custom power与 facts有不同的使用目的和经济评价标准，但是custom power使配电网高度柔 性化，其结果无疑会对输电网中的facts技术产生相互配合和支持的效果，也 会对输电网的控制及运行产生影响.因此也有一部分专家把custom power称之 为dfacts，认为其是facts技术在配电系统应用的延伸。 facts技术的概念，是在交流输电系统的主要部位，采用具有专门功能 或综合功能的电力电子器件和现代自动控制装置及组合体，对输电系统的运 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页9 行参数如电压、相位差、电抗等以至网络结构进行调控，实现对交流输电功 率的灵活快速控制，以大幅度提高现有高压输电线路的输送能力，实现输送 功率的合理分配，降低功率损耗或发电成本，提高电力系统的稳定运行水平 和可靠性，使运行更加灵活可靠，使系统适应不断扩展的要求。facts作为一 项电力系统的新技术，不仅仅指单项的控制器，而是以分阶段方式可单一或 组合地用于控制有内在联系的参数控制器组合体，目前尚处在蓬勃发展的初 级阶段，但近年来发展十分迅速，所包含的器件种类不断增加。目前已知的 属于facts(含custom power)开发项目的具体装置有： (1) 静止无功补偿器(staiv var compensator，简称svc) (2) 静止调相器(static condenser，简称statcon；亦称新型静止无功发生 器advanced static var generator，简称asvg) (3) 可控串联电容补偿器(thyristor-controlled series compensation，简 称tcsc) (4) 综合潮流控制器(unified power flow controller，简称upfc) (5) 串联潮流控制器(series power flow controller，简称spfc) (6) 可控移相器(thyristor-controlled phase angle regulator，简称tcpr) (7) 变压器抽头有载可控调节器(thyristor controlled tap changer，简称 tctc) (8) 可控制动电阻器(thyristor-controlled braking resistor，简称tcbr) (9) 可控并联电容器(thyristor-switched shunt capacitors，简称tsc) (10) 可控串联电抗器(thyristor-controlled series reactor，简称tcr) (11) 次同步振荡阻尼器困arain g.hingorani subsynchronons resonance damper，简称nghssr damper) (12) 可控铁磁谐振阻尼器(thyristor-controlled ferro- resonance damper，简称tcfrd) (13) 固态断路器(solid- state circuit breaker，简称sscb) (14) 故障电流限制器(fault current limiter，简称fcl) (15) 动态过电压限制器(dynami voltage limiter，简称dvl) (16) 动态电压恢复器(dynamic voltage restorer，简称dvr) (17) 有源电力滤波器(active power filter，简称apf) 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页10 (18) 超导蓄能器(superconducting magnetic energy storage，简称me s) (19) 电池蓄能器(batery energy storage system，简称bess) 在以上这些facts设备中，目前使用较多的是静止无功补偿器(svc)， svc用晶闸管阀快速投切并控制与线路并联的电抗或电容器组，可以保证动态 无功功率的快速调节，维持电压水平，提高系统的稳定性。实际运行中的svc 有很多种类型，包括固定电容器和晶闸管控制的电抗器(fc 1 tcr)结构以及 晶闸管开关的电容器和晶闸管控制的电抗器(tsc/tcr)结构。本课题所研究的， 便是增加了电网监测与通信功能的晶闸管投切电容器(tsc)控制系统。 1.3 本论文的研究意义 为了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，就地平衡无功，确保电网安全经济运行，在电力系统中普遍采用 并联电容器来进行无功补偿。电网不同时刻所需要的无功是不同的，这就需 要根据电网的无功需求量来控制投入电网的电容组数，以达到电网的实时平 衡。目前配电系统中的电力电容器自动控制装置大致可以划分为三代产品： 第一代产品采用接触器或真空断路器等机械装置进行投切。目前配电系统中 仍有许多场合使用此类装置，但是这种方法有以下缺点： (1) 接触器和真空断路器在合闸过程中存在弹跳、重燃及过压等危险。 (2) 电容器组合闸的冲击电流一般为额定电流的十几倍到几十倍，比三 相异步电动机起动的冲击电流还大。 (3) 主回路分闸后电容器上仍存在较高的直流电压，此时不允许带电操 作，每次合闸、分闸要有几分钟的电容器放电间隔时间.因为这种补偿装置不 能频繁动作，所以当负载减小、电网不需要补偿时，装置仍在运行，大的容 性电流流入电网，使电网电压升高，给其他用户造成过多损耗，形成过补状 态。 由于上述缺点，使得这一类自动装置的应用受到很大限制。在70年代末 产生的无功补偿方法-晶闸管投切电容器(thyristor switching capacitor- -tsc)技术，则可以完全克服这些缺点，做到无过电流、无过电压、无电弧。 同时，随着单片机技术、液晶显示技术的提高，为tsc技术的应用提供了一种 高性能的控制手段，出现了第二代电力电容器自动控制产品- 单片机型功 率因数自动控制器。该代产品利用晶闸管作中间驱动单元；采用电容器循环 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页11 投切方式；动作时间、功率因数限值可随时调整；能实时显示电网功率因数 值，同时显示控制器的工作状态、电容器组的投切情况；设置了过压、过流 锁定、强切环节以保护电力电容器；具有软件自诊断功能和手动/自动转换功 能。由于采用了单片机和晶闸管技术，使控制器体积减小，性能稳定。尽管 第二代产品比第一代产品有了很大的进步，但依然存在以下诸多问题： (1) 电容器的分组、接线形式和控制方式相互结合起来，形成了诸多的 补偿方案，而很多控制器不能同时适用于多种补偿方案。 (2) 由于采取的补偿目标不合理，补偿装置普遍存在投切振荡问题。如 以功率因数为补偿目标就会产生投切振荡现象。 (3) 采样方式不当，会造成无功倒送。有的控制器为了降低成本和提高 运算速度，只采样一相电压电流信号，使得当三相负载不平衡时，很难准确 测量无功功率，造成有的相过补，有的相欠补。 (4) 没有考虑到电网谐波对电容器的影响，使得电容器寿命大大缩短， 甚至经常被烧毁。 (5) 补偿速度慢，补偿精度差。在采样三相电压、三相电流信号，进行 fft变换，计算出高次谐波电压、谐波电流的情况下，单片机一般难以实现无 功功率的实时检测和动态补偿，或者补偿精度比较差。在这些问题当中，电 网谐波对并联电容器的运行有较大的影响。叠加在电容器的基波电流上的谐 波电流，使电容器的运行电流有效值增大，温升增高，甚至引起过热而降低 电容器的使用寿命或使电容器损坏。加在电容器基波电压上的谐波电压，不 仅使电容器运行的电压的有效值增大，而且可能使峰值电压增大得多，使电 容器在运行中发生的局部放电不能熄灭，这往往是电容器损坏的一个主要原 因。据统计，由于谐波而损坏的电气设备中，电容器约占40%，因为电容器可 以使电网谐波电流放大，有时甚至在电网中产生谐振，使电网中的电气设备 受到严重损坏，破坏电网的正常运行。电容器对电网谐波电流的放大是一个 不可忽视的问题。电容器对谐波电流一般放大2到5倍，谐振时可达30倍以上。 因此，在讨论谐波与电容器的相互影响时，一方面要认识谐波对电容器的影 响和电容器承受谐波的能力；另一方面是要认识电容器对谐波电流的放大作 用，合理地配置电容器和电抗器，避免电气参数匹配发生谐振。所以在用电 容器进行无功补偿时，必须实时监测线路中谐波电压和谐波电流的含量，以 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页12 保证电容器的安全运行。同时，为保证电网的安全运行和了解电网运行的状 况，需要对电网的各种运行参数进行实时检测，并能根据需要及时地将各种 测量参数送往调度监控中心，因此在目前低压配电网中，电量检测仪得到了 广泛的应用。 电容投切控制器和电量检测仪两套装置在低压配电网中并列运行，无论 是在成本上还是在管理上都是个问题，所以本论文采用了了一种将二者合二 为一的设计方法，使得装置在投入成本上大大降低，在管理上更加灵活方便。 采用单片机（single chip computer）处理器，既可实现电量检测仪的功能， 又可实现无功补偿控制器的功能. 1.4 本论文的主要工作 1.将电容投切控制器与单片机两者功能相结合，提出了基于单片机处理 器的功率因数智能控制器整体设计方案。 2.阐明了并联电容器补偿无功功率的原理，对补偿电容器投切的各种控 制方案进行了分析和比较，最终采用了电压、无功功率复合控制策略。 3.对控制器各个硬件的组成进行较为详尽的介绍，完成了整个硬件系统 的设计、制作与调试。 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页13 2 8031 单片机功能及简介 2.1 单片机的基本概念 单片机作为微型计算机的一个分支，它的产生与发展大体同步，主要分 为三个阶段： 第一阶段(1974-1978)：初级单片机阶段。以intel公司的mcs-48为代表， 这个系列的单片机在片内集成了8位cpu，并行i/o 口， 8位定时器/计数器、 ram等，无串行i/o口，寻址范围不大于4k. 第二阶段(1978-1983)：高性能单片机阶段。以mcs-51系列为代表，这个 阶段的单片机均带有串行i/o口具有多级中断处理系统，定时器计数器为16位， 片内ram和rom客量相对增大，且寻址范围可达64k.这类单片机的应用领域极 其广泛，由于其优良的性价比，特别适合我国的国情，故在我国得到广泛的 应用。 第三阶段(1983年-)：8位单片机巩固、完善及16位单片机推出阶段。16 位单片机除了cup为16位以外，片内ram和rom的客量进一步增大，片内ram增 加为232字节，rom为8k字节，且片内带有高速输入/输出部件，多通道10位 aid转换器，具有8级中断等。近年来，32位单片机也己进入实用阶段。 1单片机指令系统与汇编语言程序 前面已经讲述了单片机的几个主要组成部分，这些部分构成了单片机的 硬件。所谓硬件（hardware），就是看得到，摸得到的实体。但是，光有这 样的硬件，还只是有了实现计算和控制功能的可能性。单片机要真正地能进 行计算和控制，还必须有软件（software）的配合。软件主要指的是各种程 序。只有将各种正确的程序“灌入”（存入）单片机，它才能有效地工作。 单片机所以能自动地进行运算和控制，正是由于人把实现计算和控制的步骤 一步步地用命令的形式，即一条条指令（instruction）预先存入到存贮器中， 单片机在 cpu 的控制下，将指令一条条地取出来，并加以翻译和执行。就以 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页14 两个数相加这一简单的运算来说，当需要运算的数已存入存贮器后，还需要 进行以下几步： 第一步：把第一个数从它的存贮单元（location）中取出来，送至运算 器。 第二步：把第二个数从它所在的存贮单元中取出来，送至运算器； 第三步：相加； 第四步：把相加完的结果，送至存贮器中指定的单元。 所有这些取数、送数、相加、存数等等都是一种操作（operation），我 们把要求计算机执行的各种操作用命令的形式写下来，这就是指令。但是怎 样才能辨别和执行这些操作呢？这是在设计单片机时由设计人员赋予它的指 令系统所决定的。一条指令，对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部 指令，就是该单片机的指令系统（iustruction set），不同种类的单片机， 其指令系统亦不同。 使用单片机时，事先应当把要解决的问题编成一系列指令。这些指令必 须是选定的单片机能识别和执行的指令。单片机用户为解决自己的问题所编 的指令程序，称为源程序（source program）。指令通常分为操作码 （opcode）和操作数（operand）两大部分。操作码表示计算机执行什么操作， 即指令的功能；操作数表示参加操作的数或操作数所在的地址（即操作数所 存放的地方编号）。因为单片机是一种可编程器件，只“认得”二进码 （0、1）。要单片机运作，单片机系统中的所有指令，都必须以二进制编码 的形式来表示。例如，在 intel 公司的 mcs51 系列单片机中，从存贮器中 取出一数到 cpu 中的累加器（在运算器中，参与运算、存放运算结果的专用 寄存器）的指令代码为 74h，累加器内容加立即数的代码为 24h，再加上立即 数代码，累加器送数到内部 ram 存贮器的代码为 f6hf7h 等。这些指令是用 十六进制表示二进制的机器码。mcs51 单片机的字长为 8 位，有时，要完 成某些操作用一个字节尚不能充分表达。所以，在指令系统中有单字节指令， 也有多字节指令。机器码是由一连串的 0 和 1 组成，没有明显的特征，不好 记忆，不易理解，易出错。所以，直接用它来编写程序十分困难。因而，人 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页15 们就用一些助记符（mue monic）通常是指令功能的英文缩写来代替操作 码，如 mcs51 中数的传送常用 mov（move 的缩写）、加法用 add(addition 的缩写）来作为助记符。这样，每条指令有明显的动作特征，易于记忆和理 解，也不容易出错。用助记符来编写的程序称为汇编语言程序。但是，助记 符编写的程序便于人理解，可单片机却只认识二进制机器代码，因此，为了 让单片机能“读懂”汇编语言程序必须再转换成由二进制机器码构成的程序， 这种转换过程，就称为“汇编”。汇编可借助于人工查表法来实现，也可借 助 pc 机通过所谓“交叉汇编程序”来完成。由机器码构成的用户程序一旦 “进入”了单片机，再“启动”单片机，就可让它执行输入程序所规定的任 务。 单片机 8031 的 cpu 由运算器和控制器组成。 2运算器 运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件 alu 为核心，再加上暂存器 tmp 累加器 acc、寄存器 b、程序状态标志寄存器 psw 及布尔处理器。累加器 acc 是一个八位寄存器，它是 cpu 中工作最频繁的寄存器。在进行算术、逻 辑运算时，累加器 acc 往往在运算前暂存一个操作数（如被加数），而运算 后又保存其结果（如代数和）。寄存器 b 主要用于乘法和除法操作。标志寄 存器 psw 也是一个八位寄存器，用来存放运算结果的一些特征，如有无进位、 借位等。其每位的具体含意如下所示。psw cy ac fo rs1 rs0 ov - p 对 用户来讲，最关心的是以下四位。 (1)进位标志 cy（psw.7）。它表示了运算是否有进位（或借位）。如果 操作结果在最高位有进位（加法）或者借位（减法），则该位为 1，否则为 0。 (2)辅助进位标志 ac。又称半进位标志，它反映了两个八位数运算低四 位是否有半进位，即低四位相加（或减）有否进位（或借位），如有则 ac 为 1 状态，否则为 0。 (3)溢出标志位 ov。mcs51 反映带符号数的运算结果是否有溢出，有溢 出时，此位为 1，否则为 0。 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页16 (4)奇偶标志 p。反映累加器 acc 内容的奇偶性，如果 acc 中的运算结果 有偶数个 1（如 11001100b，其中有 4 个 1），则 p 为 0，否则，p=1。 psw 的其它位，将在以后再介绍。由于 psw 存放程序执行中的状态，故 又叫程序状态字?运算器中还有一个按位（bit）进行逻辑运算的逻辑处理机 （又称布尔处理机）。其功能在介绍位指令时再说明。 3控制器 控制器是 cpu 的神经中枢，它包括定时控制逻辑电路、指令寄存器、译 码器、地址指针 dptr 及程序计数器 pc、堆栈指针 sp 等。这里程序计数器 pc 是由 16 位寄存器构成的计数器。要单片机执行一个程序，就必须把该程序按 顺序预先装入存储器 rom 的某个区域。单片机动作时应按顺序一条条取出指 令来加以执行。因此，必须有一个电路能找出指令所在的单元地址，该电路 就是程序计数器 pc。当单片机开始执行程序时，给 pc 装入第一条指令所在 地址，它每取出一条指令（如为多字节指令，则每取出一个指令字节），pc 的内容就自动加 1，以指向下一条指令的地址，使指令能顺序执行。只有当 程序遇到转移指令、子程序调用指令，或遇到中断时（后面将介绍），pc 才 转到所需要的地方去。8031 cpu 碢 c 指定的地址，从 rom 相应单元中取出指 令字节放在指令寄存器中寄存，然后，指令寄存器中的指令代码被译码器译 成各种形式的控制信号，这些信号与单片机时钟振荡器产生的时钟脉冲在定 时与控制电路中相结合，形成按一定时间节拍变化的电平和时钟，即所谓控 制信息，在 cpu 内部协调寄存器之间的数据传输、运算等操作。 4存储器 存储器是单片机的又一个重要组成部分，是一种存储容量为 256 个单元 的存储器。其中每个存储单元对应一个地址，256 个单元共有 256 个地址， 用两位 16 进制数表示，即存储器的地址（00hffh）。存储器中每个存储单 元可存放一个八位二进制信息，通常用两位 16 进制数来表示，这就是存储器 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页17 的内容。存储器的存储单元地址和存储单元的内容是不同的两个概念，不能 混淆。 2.22.2 单片机的特点及应用 mcs 系列单片机的应用范围很广，根据使用情况大致可分为四大类： (1)单片机在智能仪器仪表中的应用。 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强等优点，故可广泛应用于各类 仪器仪表中间(包括温度、湿度、流a.流速、电压、频率、功率、厚度、角度、 长度、硬度、元素、压力测定等)，引入单片机使得仪器仪表数字智能化、微 型化、且功能大大提高。 (2)单片机在工业测控中的应用。 用单片机可以构成各种工业测控系统、自适应控制系统、数据采集系统 等。 (3)单片机在计算机网络与通信技术中的应用。 mcs系列单片机具有通信接口，为单片机在计算机网络与通信设备中的应 用提供了良好的条件。 (4)单片机在日常生活及家电中的应用。 单片机愈来愈广泛地应用于日常生活中的智能电气产品以及家电中。 2.32.3 80318031单片机配件原理综述及地址分配 我这次毕业设计所用的单片机是8031单片机，它是51子系列产品。51子 系列主要有8031，8051，8751三种机型。他们的指令系统与芯片引角完全兼 容。他们的差别仅在于片内有无rom或eprom.下面我来介绍一下51单片机的原 理。 2.3.12.3.1 mcs-51mcs-51单片机芯片的概述 单片机scm(single chip microcomputer)，即microcontroller，是把微 型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。主要包括了微 处理器(cpu)、存储器(rom. ram)，输入/输出口(1/o口)和定时器/计数器、 中断系统等功能部件。单片机自70年代出现以来，已经有了很大的发展，被 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页18 广泛应用于机械、测量控制、工业自动化、智能接口和智能仪表等许多领域。 例如：单片机与传统的机械产品相结合后简化产品结构，实现控制智能化， 成为新一代的机、电一体化产品；利用单片机来构成各种工业控制系统、数 据采集系统等；在大型工业测控系统中，单片机进行接口的控制与管理，与 计算机主机并行工作，可以大大提高系统运行速度。目前国内以intel公司 mcs-48. mcs-51. mcs-96为主流系列产品，其中mcs-51系列单片机的应用最 为广泛，mcs-51单片机双列直插式封装为40引脚(pin)芯片，如图2.1所示。 按功能其引脚可分为三部分： 2.1 mcs-51单片机芯片引脚图 i/o口：po， p1， p2， p3共4个8位并行口，其中p3端口是双功能口， 具有的第二功能如图2-1中所示。rxd为串行输入口，txd为串行输出口， into，int1分别为外部中断0， 1的输入，t0、t1分别为定时器/计数器0、1 的外部输入，wr对应于外部数据存储器的写选通，控制线psen叶外取址控制、 ale(地址锁存控制)、t4 (叶外存储器选择控制)、reset(复位控制)。电源以 及时钟： vss，xtal1，xtal2。 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页19 2.3.22.3.2 mcs-51mcs-51单片机的内部结构与工作原理 1mcs-51单片机的内部结构 8051是mcs-51系列单片机的最初产品，也是mcs-51器件的核心。8051核 的主要特征包括： (1)64k程序存储器地址空间和64k数据存储器地址空间。 (2)4k字节的片上程序存储器和128字节的片上数据ram。 (3)8-bit最优化的用于控制应用程序的cpu。 (4)广泛的布尔处理能力(single-bit logic)。 (5)两个16-bit定时器/计数器。 (6)全双工urat(通用异步接收发送器)。 (7)具有两个优先级的5个中断源。 (8)32个双向并可分别设定地址的1/o口。 (9)一个片内振荡器。 mcs-51单片机的内部结构主要由8个部件组成，即微处理器(cpu).数据存 储器(ram)、程序存储器、1/o口(po口、p1口、p2口、p3口)、申行口、定时 器/计数器、中断系统和特殊寄存器(sfr)。其中，微处理器由运算器和控制 逻辑组成，主要包括累加器(acc).b寄存器、临时存储器(tmp1、tmp2)、算术 运算单元alu等。特殊功能寄存器sfr (special function register)是用来 对片内各功能单元进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是位 于片内数据存储器上的一个特殊功能的ram 区，其地址范围为80h-ffh，sfr 主要包括po口锁存器、p1口锁存器、p2口锁存器、p3口锁存器、申行口控制 寄存器scon、中断允许寄存器ie、定时器/计数器控制寄存器tcon、程序状态 字寄存器给出了较为详细的内部结构框图。psw .b寄存器、累加器acc等。 2mcs-51单片机的工作原理 mcs-51系列单片机工作时首先要进行复位。振荡器开始振荡后，可以通 过在rst引脚上加上两个机器周期的高电平来使芯片实现复位。程序计数器pc 和特殊功能寄存器sfr的复位状态如表2.1所示： 表2.1 sfr的复位状态表 寄存器复位状态寄存器复位状态 pc0000b00h acc00hth000h 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页20 sp07htl000h tmod00hth100h dptr0000htl100h p0p3 寄存器ffhpsw00h 实现复位之后pc的值是0000h，因此，程序的入口地址为0000h，cpu从 0000h开始执行操作。模式控制寄存器tmod为ooh，表示定时器/计数器都处于 方式0工作状态，而tho，tlo，th1，tl1均为ooh则表示定时器/计数器复位后 都清零。p0，p1，p2和p3端口复位后锁存器都处于“1“状态。工作状态下， 每当ale是高电平的第一个时钟(slp2， s4p2)， p2口被拉低而po口为高阻态。 实际进行芯片解剖时，可以根据寄存器复位状态下的特殊值来判断功能电路 块。工作时如果芯片的外部选通信号ea被拉为高电平，则首先访问内部数据 存贮器。如果ea总是保持低电平，则只访间外部程序存贮器，也就是说，无 论是否有内部程序存贮器，所有的程序取指都是直接指向外部rom的。当执行 外部程序存贮器内的程序时，每个机器周期内都是psen两次有效，ale两次枪 出高电平，用于锁存地址的低位字节。我们在开始进行反向解剖时，没有设 计使用芯片内部的flash，因此只选用访问外部程序存贮器方式。在这种状态 下，得到的psen， ale的频率是振荡器频率的1/6， psen信号波形占空比为 1/1，而ale信号波形占空比为1/2。每个机器周期中ale信号的高电平为 sip2，s2p1， s4p2， ssp1， psen信号的高电平为slp2， s2p1， s2p2， s4p2，s5pl， s5p2o总之，cpu在psen， ale和外部数据存储器写选通信号 wr，读选通信号肠的共同作用实现功能。 2.3.32.3.3 mcs-51mcs-51单片机的时序功能分析 mcs-51单片机的机器周期是由内部时钟发生器定义的序列状态组成，每 个机器周期包括6个状态，从s1到s6。每个状态持续2个晶体振荡周期，因此 每个机器周期包括12个晶振周期。也就是说，当所用的晶振频率为12mhz时， 则每个机器周期将持续lms每个状态周期又分成2个时相p1， p2，这样一个机 器周期可以依次表示为sip1， sip2， s2p1， s2p2， s3p1， s3p2，s4p1， s4p2， s5p1， s5p2， s6p1以及s6p2不同类型的指令取指、执行时序发生的 状态和周期是不相同的，图2.2分别给出了单字节、单周期，双字节、单周期， 单字节、双周期指令的取指/执行时序。 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页21 图2.2 单字节单周期指令的取指/执行时序 对于单字节单周期指令如图2.3，s1p1状态时读入需要的操作码。s4p1状 态时读入下一条指令的操作码，此时读入的操作码被丢弃，芯片不执行相关 操作。s2p1以及s5p1状态锁存该条指令对应地址。 图2.3双字节单周期指令的取指/执行时序 对于双字节单周期指令如图2.4，例如mov a， #data， slp1状态时读入 该条指令的操作码“74“， s4p1状态时读入该条指令的第二字节“立即数”。 s2p1状态时锁存该条指令对应的地址而s5p1状态时锁存立即数对应的地址。 对于单字节双周期指令如图2.4，第一个机器周期sip1状态时读入所需的 指令操作码，s4p1以及第二个机器周期sip1， s4p1状态不断读入下一条指令 的操作码并丢弃。同样，第一个机器周期的s2pl状态锁存指令地址，s5p1以 及第二个机器周期s2p1、s5p1状态重复锁存该地址。 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页22 图2.4单字节双周期指令的取指/执行时序 事实上，每个机器周期取指都发生两次，无论指令执行时是否需要更多 的代码字节，如果取得的代码是指令所需要的，例如立即数等，送入数据通 道并进行操作；如果取得的代码是指令所不需要的，例如额外取指等，cpu直 接将其丢弃，程序计数器的值也不增加。 2.3.42.3.4 mcs-51mcs-51单片机的定时器/计数器原理 1时钟电路 mcs-51单片机具有片上振荡器如图2.5，可以用作cpu的时钟源。使用片 上振荡器时，在芯片的引脚xtal1和xtal2之间连接一个晶体或者陶瓷谐振器， 并且xtal1和xtal2到地之间各连接一个小电容(例如：选用石英晶振、30pf电 容)。如果使用外部时钟驱动，应该将时钟信号加在xtal1引脚上。下图分别 给出了mcs-51单片机cmos型芯片的片上振荡器电路和由时钟信号产生2组内部 时钟信号的电路。 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 共 49 页 第 页23 图2.5 片上振荡器电路 分析图2.5可以得到： (1)对于cmos电路来说，其杭静电干扰能力、抗高压能力较差，甚至人体 所带静电都可能击穿管子、损坏芯片。而xtal1， xtal2均为cmos型芯片的外 引脚，因此在xtal1， xtal2端均加上保护电路如虚线框内电路1、电路2所示， 相当于分别连接了2个二极管。如果芯片外部突然加上一个正向较高电