课程设计（论文）-基于单片机控制的交流电机调压调速系统的设计.docx

基于单片机控制的交流电机调压调速系统的设计引言近年来由于微型机的快速发展，国外交直流系统数字化已经达到实用阶段。由于以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响，且单片机具有功能强、体积小、可靠性好和价格便宜等优点，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱之一。其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。所以微机数字控制系统在各个方面的 性能都远远优于模拟控制系统且应用越来越广泛。在现代工业企业中，绝大多数工作机械的运行时由电动机拖动的，因而掌握拖动系统的调速知识是十分重要的。电动机调速分为直流调速和交流调速。直流电动机的调速性能好，因此在调速领域中曾一直占主导地位。交流电动机与直流电动机相比，具有结构简单、构造方便、成本低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率高等许多优点，以前未得到大规模的应用，主要是由于调速困难。随着现代科学技术的高速发展，现代电力电子技术、微电子学、现代控制理论、微机控制技术等为交流电机调速提供了全新的理论和技术，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高地稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。可以说，自20世纪80年代开始交流调速技术就已进入了一个新的时代，也就是可以与直流调速相媲美并逐渐取而代之占据电力传动主导地位的时代。本文主要内容是研究采用单片机控制的调压调速系统，通过软件编程控制电动机的变压调速。第一章 绪论1.1电动机调速系统的发展概况及趋势 在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在工业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备中，还是在日常生活中的家用电器中，都大量地使用着各种各样的电动机。据资料统计，现在有90%以上的动力源来自于电动机。我国生产的电能大约有60%用于电动机。可见，电动机与人们的生活息息相关、密不可分。我们知道，动力和运动是可以相互转换的，从这个意义上讲，电动机是最常用的运动源。对运动控制的最有效的方式是对运动源的控制，因此，常常通过对电动机的控制来实现运动控制。实际上，现在国外已将电动机控制改为运动控制。对电动机的控制一般可分为简单控制和复杂控制两种：简单控制是指对电动机进行启动、制动和顺序控制，这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现；复杂控制是指对电动机的转速、转角、转矩、电压和电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确。以前对电动机简单控制的应用比较多，但是现在人们对电动机控制水平要求越来越高，使电动机的复杂控制逐渐成为应用主流，其应用领域非常广泛。交流调速基本上是由异步电动机调速和同步电动机调速两大部分组成。其中，笼型异步电动机结构简单、坚固耐用、维修工作量小、运行效率高、转动惯量小、动态响应快，因此在工艺上可以达到高电压、大容量、高转速的效果。但是，异步电动机功率因数不高，与等容量同步电动机相比，所用变频装置容量要偏大。尽管普通的同步电动机在结构上要比笼型异步电动机复杂，但却比直流电动机简单，与等容量的直流电动机相比，它具有效率高、过载能力大、体积小、转动惯量小，维护简单等优点，并且可以达到大容量、高转速和高电压的技术工艺水平。与异步电动机调速系统相比，同步电动机具有功率因数高、效率高、调速性能好等方面的优势，尤其适用于低转速负载不断冲击的生产机械工作环境下。在结构上，同步电动机（除永磁式外）在转子侧需加一套励磁装置，和笼型异步电动机相比，增加了一定的维护工作量。同步电动机矢量控制比异步电动机复杂，需准备监测转子装置或转子磁链位置。当前，异步电动机调速和同步电动机调速在电气传动领域中都占很大比重，成为电气传动的主流。从20实际后半叶开始，控制系统硬件已由模拟技术转向数字技术。微型计算机在性能、速度、价格、体积等方面的不断发展为现代交流调速技术实现提供额重要保证。现在16位以及32位微处理机应用十分广泛，由于微处理机的运算速度高且价格较低，使得交流调速系统可以采用全自动化控制，这样不仅使传动系统获得高精度、高可靠性，还为新的控制理论与方法提供了物质基础。从发展趋势上看，交流数字调速有以下两个发展方向：采用专用的硬件、大规模集成电路（ic）。研制交流调速系统专用的ic芯片，可以控制系统硬件小型化、简单化。如富士电机公司推出的变频器采用专用数字信号处理器（dsp）芯片，并采用金属化表面技术（mst），是变频器体积更小，可靠性更高。采用通用计算机硬件，软件模块化、可编程化。1.2现代交流调速的主要类型异步电动机目前，异步电动机应用较广泛的调速系统有如下几种典型类型。1、 转速开环的变频调速系统采用转速开环、恒压频比，并且带低频电压补偿的控制方式。其控制系统结构简单、成本低、风机、水泵等节能调速常用这种系统。2、 转速闭环转差频率控制的pwm变频调速系统利用电动机稳定运行时，在转差率s很小的范围内，当磁通不变时，转矩与转差角频率成正比的关系来实现电动机的较高性能的调速，但此系统动态性能还不够理想。3、 转速、磁链双闭环矢量控制的电流滞环型pwm变频调速系统应用矢量控制理论，对转速、磁链进行分别控制，由于又采用了滞环电流跟踪型pwm逆变器，使该系统动态性能好，再配有精确的磁链观测器，该系统可达到与直流电动机调速系统相媲美的程度。4、 异步电动机直接转矩控制系统此系统利用直流转矩控制方法，直接在定子坐标系中计算和控制电动机的磁通和转矩，实时控制气息磁通矢量按圆形轨迹运行，使转矩相应时间限制在一个节拍以内，且无超调，动态性能比矢量控制还好，技术指标大大超过直流调速系统。5、 双馈电动机亦称同步串级调速它是定子由电源电网供电、转子由变频器电源供电的绕线型异步电动机。同步电动机同步电动机调速是交流调速的量大分支之一，是近些年来发展起来的一门新技术，在电气传动中占有很重要的地位。随着电力电子技术、微电子学、现代控制理论、微机控制进一步发展，同步电动机调速系统将会更加完善，在国民经济各个部门得到更广泛应用，成为取代直流调速系统的重要力量。同步电动机调速系统目前有如下几种典型类型。1、 永磁同步电机调速系统此系统主要用于小于10kw、要求有良好的静态性能和动态响应的伺服装置中。2、 交-直-交型负载换向同步电动机控制系统此系统又称为“无换向器电动机”,它的功率可达几十兆瓦，已实现全数字化，可用于负载平稳的高速传动设备中。3、 大容量交-交变频器供电的同步电动机矢量控系统此系统用于低速大型无齿轮传动中。4、 开关磁阻电动机调速系统此系统是由电动机、角位移传感器、功率电路和控制电路组成的机电统一体，各部分密切结合，缺一不可。可用于轻工、化工、冶金等行业取代直流调速系统。1.3 交流调速系统20世纪70年代以后，大规模集成电路计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流拖动相媲美。交流调速控制作为对电动机控制的一种手段，作用相当明显，就交流系统的目前发展水平而言，可概括如下：（1） 已从中容量等级发展道大容量、特大容量等级，并解决了交流调速性能指标问题，填补了直流调速系统在特大容量的空白。（2） 可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期连续运行的能力，从而满足有些场合不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求。（3） 可以使交流调速系统实现高性能、高精度的转速控制，除了控制部分可以得到和支路调速系统的良好的性能外，异步电动机本身固有的优点又使整个系统得到更好的动态性能。交流调速技术中，交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频调速。1.4 选题的科学依据、意义以前电动机大多使用由模拟电路组成的控制柜进行控制，现在单片机已经开始取代模拟电路作为电机控制器。它有如下特点：（1） 使电路更简单：在模拟电路中，为了实现控制逻辑需要采用许多电子元件，电路比较复杂。采用单片机后，绝大多数控制逻辑可以通过软件来实现。（2） 可以实现比较复杂的控制：单片机具有更强的逻辑运算功能，运算速度快、进度高，一般都有大容量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制等。（3） 灵活性和适应性：单片机的控制方式是由软件完成的。如果要修改控制规律，一般不需要改变系统的硬件电路，只需要修改程序即可。在系统调试和升级的时候，可以不断城市选择不同的参数，非常方便。（4） 无零点漂移，控制精度高:数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题。无论被控量的大与小，都可以保证足够的控制精度。（5） 多机联网工作，提供人机界面：新型单片机内多嵌有各种总线，可以方便的进行联网通信，实现多机联网工作；能够和上位机进行通信，提供可视化人机界面，方便进行调节和控制。本课题主要涉及和研究采用单片机作为晶闸管触发器和电机控制器，最初的电机控制器都是采用分立元件的模拟电路，后来随着技术的发展，集成电路甚至专用电机控制电路被大量的使用。这些技术大大提高了电机控制器的灵活性、可靠性和抗干扰能力，又缩短了新型电机控制器的陈品开发周期，降低的研发费用，因而近年来发展较快。但专用集成电路之间并无统一标准，所以产品及其分散，且不断地有新产品的出现。为满足一次设计的需要，往往要花费很大的力气和时间去收集整理资料。当前电机控制器的发展方向越来越趋于多样化和复杂化，现有的专用集成电路未必能满足苛刻的新产品的开发要求，为此可考虑开发电机的新型单片机控制器。现在市场上通用的地阿基控制器大多数采用单片机和dsp.但是以前单片机处理能力有限，对采用复杂的反馈控制系统，由于要处理的数据量大，实时性和精度要求高，往往不能满足设计要求，其性能得到了很大的提高，价格比dsp低的多，其相关的软件和开发工具越来越多，功能越来越强，但价格却不断降低。现在越来越多的厂家采用单片机来提高性价比。1.5 选题的研究内容本课题采用闭环控制系统设计，利用80c51单片机进行处理，0809和0832转换器进行模拟量和数字两之间的转换，控制触发电路，使用编码器进行测速反馈经0832和给定速度经pid调节反馈给计算机，当电路出现过电流或者过电压时反馈给单片机进行处理。第二章 设计原理2.1 交流调速方案由电机学已知，异步电动机的转速为 式中， 异步电动机定子电压供电频率 异步电动机的磁极对数 异步电动机的转差率所以调节交流电动机的转速有三种方案2.1.1 改变电动机的磁极对数通过改接定子绕组的连接方式来得到不同的极数和转速。这一方法适用与不需要平滑调速的场合。调速时低速的人为特性较硬，静差率较高，经济性较好。变极调速是改变异步电动机的同步转速n=60f1/p，故一般称变极调速的电动机为多速异步电动机。2.1.2 变频调速通过改变定子绕组的供电频率f1是可以调速的。当转差率s一定时，电动机转速n基本上正比f1，很明显，只要有输出频率可平滑调节的变预电源，就能平滑、无级地调节异步电动机的转速。变频调速主要用于笼型异步电动机，性能优异，调速范围大，平滑性高，低速特性较硬，调速过程中如保证电压频率成正比变化，可实现恒转矩调速，并保持过载能力不变。其缺点是必须要有专用的电源，低速时可能因转矩大为降低而带不动负载。2.1.3 变转差率调速 n0 同步转速常用改变转差率的方案有改变异步电动机的定子电压调速、采用滑差电动机调速、转子电路串电阻调速以及串级调速。前两种方法适合于笼型异步电动机，后者适合于烧线式异步电动机。这些方案都能使异步电动机实现平滑调速，但共同的缺点是在调速过程中存在转差损耗，这消耗在转子电路中，使转子发热，系统效率降低。在不计定子绕组铜耗条件下，变转差率调速系统最大可能的效率定义为输出机械功率p1和输入电功率ps之比。 mn 电动机额定电磁转矩s 定子旋转磁场角速度r 一 转子旋转角速度2 转子转差角速度随着转差率s的增大，系统效率降低。绕线转子异步电动机一般采用转子电路串联电阻及串联电动势（即串级调速）两种调速方法。前者损耗较大，效率低，调速指标都不高，范围不大，平滑性差，低速特性较软，但因比较简单，在恒转矩负载下应用较多；后者（串级调速）可用晶闸管等装置接入转子电路，达到平滑调速的目的。晶闸管串级调速的性能优异，转差功率可反馈至电网，调速效率高，经济性较好，便于向大容量发展，最适用于通风机负载，也可用于恒转矩负载，晶闸管等串级调速与直流调速系统比较，在同等功率条件下，设备、指标差不多。但直流电动机用铜量大得多，维护复杂，价格要贵23倍，在向大功率发展时，直流电动机制造困难，而异步电动机便于制造，且采用铝导线后可节约大量的铜。如将晶闸管串级调速与交流换向器电动机比较，后者用铜量大，换向困难，维护复杂，而且调速性能也不如前者。笼型异步电动机采用改变定子电压、滑差离合器及脉冲调速等调速方法，都属于能耗转差的调速方法，其共同的特点是转差功率都消耗在笼型转子或滑差离合器的电枢电路中，调速时发热；较为严重，效率不高。它们只能在功率不高的生产机械上。以上三种调速方案，变极对数p调速和变频调速属于改变同步转速n0的调速方案，在调速过程中，转差率s是一定的，故系统效率不会因调速而降低， 而变转差率调速属于不改变同步转速的调速方案，存在着调速范围愈宽，系统效率愈低的问题，经济性较差。2.2 异步电动机调压调速原理通过改变异步电动机的定子电压进行调速，是一种比较简单的调速方法。早在二三十年以前，人们就已经开始采用在感应电动机定子上接如调压变压器或饱和电抗器等方式对感应电动机进行调压调速了，以饱和电抗器为例，它有一些重大的缺点：比较笨重，成本较高，动态响应慢等等。电力电子技术的发展，开辟了调压调速的新途径。由于晶闸管调压电路用闭环系统可实现平滑调速，得到低速硬特性与较大的调速范围，且具有结构紧凑、轻便、成本较低，动态响应较快等优点，它已经取代了笨重的饱和电抗器等。在中小容量。且对性能指标的要求不十分高的场合，得到了广泛的应用。 调压调速即通过调节通入异步电动机的三相交流电压大小来调节转子转速的方法。交流异步电动机的电磁转矩表达式为：式中: s 一一电机转差率 m1 一一电机定子的相数 0 一一转子同步机械角速度r1 一一定子绕组电阻 x1 一一定子绕组漏电抗 r21 一一折算到定子边的转子电阻x21 一一折算到定子边的转子漏电抗其他参数恒定的情况下，电磁转矩t与定子的相电压有效值u1平方成正比。在一定的负载转矩下，定子的相电压有效值u1的变化引起电动机转差率s的变化，而同步转速你n未变，则电动机的转速发生变化。在调定子相电压有效值时，交流异步电动机的临界转差率sm和同步转速n都不变，使电动机在恒定负载下的调速范围只在0-sm之间，如下图图1-1。从图中还可以看到，如果是风机性负载，其调速范围就可以大一些。图1-1当今用于交流调压调速系统中的电动机一般是采用高转子电阻的交流力矩电动机。因为这种电动机的转子绕组电阻r2很大，这样就增加了交流异步电动机的临界转差率sm, 有时甚至接近1，采用交流力矩电动机进行调压调速，扩大了调速范围，交流力矩电动机机械特性见图1-2所示：0 s a b c 0.5u 1n u1n 0 0.7u2n te tl图1-2调压调速过去常用的方法是在异步电动机定子回路串入饱和电抗器ls，或在定子侧加自耦调压器tu。晶闸管出现以后，由于它几乎不消耗铜、铁材料，体积小、重量轻、控制方便，因此晶闸管组成的调压器，现已成为交流调压器的主要形式。如下图1-3所示：图1-3晶闸管调压器通常采用相位控制。这种控制方式中，控制晶闸管的触发角，就可以对输出交流基波电压有效值进行控制，对不同的触发角，负载电压波形ur=f(t)不同，触发角越大，负载上的电压面积越小，负载上的交流基波电压有效值越低，从而起到了调整交流电压的作用。当然，负载上的电压波形除了含有基波电压外，还含有高次谐波成分，这对电网造成谐波污染。在晶闸管调压调速系统中，晶闸管可借负载电流过零进而自行关断，不需要另加换流装置，故线路简单、调试容易、成本低廉，调压调速在低速时由于电动机的转差损耗增大，致使电动机发热严重。因此，改变定子电压的调速方法一般适用于高转差笼型异步电动机，也可用于绕线转子异步电动机，在其转子电路中可串联一段电阻。如果用于普通的笼型异步电动机，则必须在低速时欠载运行，或短时工作。在低速时可用他扇冷却方式，以改善电动机的发热情况。调压调速多用于一些调速范围不大（s较小）或属于短时工作制以及短时重复工作制中、小功率调速系统中。例如：电梯、起重机械等。改变定子电压调速方法的缺点是，调速时的效率较低，功率因数比转子串联电阻是更低。调压调速也称为降压调速，因为异步电动机的工作电压不允许超过额定值，调节电压需在额定电压以下进行。其一般采用笼式交流异步电动机，用晶闸管可控硅调压电路调节其定子电压，从而实现调速。第三章 控制系统31闭环控制系统异步电动机变电压调速时，若采用普通的电动机则调速范围很窄，采用高转子电阻的力矩电动机时，调速范围虽然可以大一些，但机械特性变软，负载变化时的静差率太大。开环控制很难解决这个问题。对于恒转矩性质的负载，调速范围要求在d1时，一般采用带转速负反馈的闭环控制系统如下图所示：调速性能要求不高时也可以用定子电压反馈代替转速反馈信号。上图（b）所示的是（a）所示的闭环调速系统的静特性。如果该系统带负载t在a点运行时，当负载增大引起转速下降时，反馈控制的作用能提高定子电压，从而在新的一条机械特性上找到工作点a1，同理当负载降低时，也会得到定子电压低一些的新的工作点a11。按照反馈控制规律，将a、a1、a11连接起来便是闭环系统的静特性。虽然交流异步力矩电动机的机械特性很软，但由系统放大系数决定的闭环系统静特性可以很硬。如果采用pi调节器，照样可以做到无静差。改变给定信号un则静态特性平行的向下移动，达到无静差调速。下图为调压调速系统的静态结构图：各控制环节的输入输出关系为： uct=kn(un*-un) u1=ksuct un=ankn-速度调节器的静态放大倍数;ks-调节器（包括触发器）的放大倍数;a-转速负反馈系数。联立解得：u1=kskn(un*-an)= ksknun*-ano(1-s)no-异步电动机的同步转速。已知异步电动机机械特性的实用表达式为：当电动机在额定负载下运行时，转差率s很小，则s/scr时，导通角180，此时电流波形也是连续的。如上图180度水平线下，纯电阻线之间正常的调压工作区域。当=时，i=0,即没有电流的自由分量。这是一种临界状态，电流正好维持导通180度，这相当于晶闸管全导通工作，负载上得到的是电源电压，实际上失去了调压作用。如图180水平线上。当=时时，电路中的电感作用相对很大，自有分量i为正，使电流维持180度以上，影响晶闸管的正常触发，波形畸变，如果电路的触发脉冲采用宽脉冲或脉冲列，时的输出波形可与=时相同，失去调压作用。综上所述：对感性负载，晶闸管调压电路应采用宽脉冲触发，晶闸管控制角移相范围为180.三相晶闸管调压电路带力矩电动机这样的感性负载时，总的趋势是触发角越大，调压电路输出交流基波电压越低，且输出基波电压还与力矩电动机的功率角有关。三相交流调压电路在正常工作时，不同的触发角，负载电流的波形是不相同的。但不管有多大，每一相负载电流波形都是正、负半周对称的。在这种情况下，流过每个晶闸管的有效值ivt计算公式为：负载电流的有效值计算公式为：ivt和的关系如下图。可见，当时，负载上的电压及电流随的增大而减小。4.3 触发电路用单结晶体管构成的晶闸管触发电路如图1 所示，触发电路的有关电压波形如图2 所示。与单结晶体管构成弛张振荡电路相比较，电路的振荡部分相同，同步是通过对电源电路的改进实现的。取自主电路的正弦交流电通过同步变压器t 降压，变为较低的交流电压，然后经二极管整流桥变成脉动直流。稳压管vw 和电阻rw的作用是“削波”，脉动电压小于稳压管的稳压值时，vw 不导通，其两端的电压与整流输出电压相等；如果脉动电压大于稳压管的稳压值，将使vw 击穿，其两端电压保持稳压值，整流桥输出电压高出稳压值的部分降在电阻rw上。这样vw 两端的电压波形近似与一个梯形波，用这个电压取代弛张振荡电路中的直流电源，起到同步作用。 由于振荡电路的电源为梯形波，在主电路正弦波每一半波结束和开始的一段时间，振荡电路的电源电压很小，电路不振荡，同时电容电压释放到0。当电源电压接近梯形波的顶部时，振荡电路开始工作，当电容充电使两端的电压达到单结晶体管峰点电压vp时，单结晶体管导通电容放电，放电电流流过r1与被触发晶闸管的门极的并联电路形成输出，为晶闸管提供触发脉冲，使晶闸管导通。然后电路进入下一振荡周期，但晶闸管一经导通门极就失去控制作用，一个电源电压半周中振荡电路输出的脉冲只是第一个起到触发作用，后面的脉冲是无效的。在主电路电压的半周接近结束时，振荡电路的电源电压进入梯形波的斜边并迅速下降，振荡电路停振，同时电容电压释放到0。因此在主电路的每一个半波中，电容总是从0开始充电，保证了触发脉冲与主电路电压的同步。图1图24.4同步信号选取电路三相同步信号是通过下图所示电路得到的：该电路得到的三路同步信号通过单片机的输入端口输入，单片机以此三个信号为基准，分别确定三相得触发脉冲开始发送时刻，六个触发脉冲分别从单片机的输出端口输出。处于同一相得两个晶闸管中，正向导通的一个其触发脉冲是在该相同步脉冲上升沿后延时对应于角的时间后发出，而负向导通的一个其触发脉冲是在该相同步脉冲出现下降沿后延时对应的角的时间后发出。每个晶闸管的脉冲宽度应该大于60度。只要在每个同步信号的上、下沿时刻给它写入此时的角的值和控制脉冲宽度（控制脉冲宽度由于不变，可只写一次）。它会自动输入控制脉冲，而不额外占用cpu时间。控制脉冲通过光耦合器与主回路隔离，去触发主回路各晶闸管。4.4 电压、电流检测电路为了防止电压过高或者电流过高特设置了电压电流检测电路，当出出现异常情况时信号传到单片机进行处理，从而改变过电压或过电流的情况，起到了保护电路的作用。输出电流检测电路输出电压检测电路4.5 报警电路当过流、过压时，则p1.0和p1.1由低电平变为高电平。光电隔离电路输出由低变高，继电器k1动作，电铃响，同时，红灯亮。第五章 模块简介及程序流程图5.1 单片机5.11 80c51单片机的家族简介：虽然目前单片机的品种很多，但其中最具代表性的当属intel公司的msc-51单片机系列，mcs -51以其典型的结构、完善的总线、sfr的集中管理模式、位操作系统和面向控制功能的丰富的指令系统，为单片机的发展奠定了良好的基础。mcs-51系列的典型芯片是80c51，为此，众多的厂商都 介入了以80c51为代表的8位单片机的发展，如：philips、siemens、dallas、atmel等公司，我们把这些公司生产的与80c51兼容的单片机统称80c51系列。5.12单片机的特点： （1）高集成度，体积小，高可靠性 单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的cpu。单片机程序指令，常数及表格等固化在rom中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。 （2）控制功能强 为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:分支转移能力，i/o口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。 （3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品 为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8v3.6v，而工作电流仅为数百微安。 （4）易扩展 片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 （5）优异的性能价格比 单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用risc流水线和dsp等技术。单片机的寻址能力也已突破64kb的限制，有的已可达到1mb和16mb，片内的rom容量可达62mb，ram容量则可达2mb。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。5.13 单片机的管脚说明：电源引脚（两根）：（1）vcc（40脚）电源端，接+5v电源 （2）vss（20脚）接地端时钟引脚（两根）：（1）xtal1(19脚) 晶体振荡器接入的一个引脚。采用外部时钟电路时，此引脚应接地。（2）xtal2(18脚) 晶体振荡器接入的另一个引脚。使用外部时钟时，此引脚应接外部时钟的输入端。控制引脚（4根）：（1） rst/vpd(9脚) 复位信号输入引脚/备用电源输入引脚。（2） ale/prog(30脚) 地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚。该引脚的第二功能是对8751内部4kb eprom编程写入时，作为编程脉冲的输入端。（3） ea/vpp（31脚）外部程序存储器地址允许输入信号引脚/编程电压输入信号引脚。接高电平时：cpu读取内部程序存储器（rom），扩展外部rom时当读取内部程序存储器超过0fffh时自动读取外部rom；接低电平时：cpu读取外部程序存储器（rom）；8751烧写内部eprom时,利用此脚输入21v的烧写电压。（4）psen(29脚) 片外rom读选通信号。内部rom读取时,psen不动作；外部rom读取时,在每个机器周期会动作两次；外部ram读取时,两个psen脉冲被跳过不会输出；外接rom时,与rom的oe脚相接。并行i/o引脚（32根，由4个8位口构成）：（1） p0.0p0.7 p0口8位双向口线（在引脚的3932号端子）（2）p1.0p1.7 p1口8位双向口线（在引脚的18号端子）（3） p2.0p2.7 p2口8位双向口线（在引脚的2128号端子）（4） p3.0p3.7 p2口8位双向口线（在引脚的1017号端子）p0口有三个功能：外部扩展存储器时,当做数据总线（d0d7为数据总线接口）外部扩展存储器时,当作地址总线（a0a7为地址总线接口）不扩展时,可做一般的i/o使用,但内部无上拉电阻,作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。p1口只做i/o口使用：其内部有上拉电阻。p2口有两个功能： 扩展外部存储器时,当作地址总线使用 做一般i/o口使用,其内部有上拉电阻;p3口有两个功能：除了作为i/o使用外（其内部有上拉电阻）,还有一些特殊功能,由特殊寄存器来设置5.14 总线结构及其扩展80c51系列单片机的内部已有rom、ram、i/o和定时/计数器等基本功能部件，对于小的应用系统已有可以满足系统的要求。但是对于较大的应用系统，受引脚数量的限制，80c51系列的单片机的地址总线的低8位（a7-a0）和数据总线合用p0口，因此p0口是地址/数据复用口；p2口地址线的高8位（a15-a8）；p3口的rd、wr加上控制线ea、ale、pden等组成控制总线。如下图所示：总线结构图5.15 时钟电路时钟电路是单片机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，。单片机的时钟产生方法有两种，内部时钟方式和外部时钟方式，在这里我们采用的是内部时钟方式。在引脚xtal1和xtal2外接晶体振荡器，如下图所示：电容器c1和c2起稳定振荡频率、快速起震的作用。电容值一般为5pf-30pf(常用30pf).晶振的振荡频率范围在1.2mhz-12mhz。由于单片机内部有一个高增益运算放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。5.16 复位电路80c51单片机复位的目的是使cpu和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。复位的条件是必须使rst端加上持续两个机器周期的高电平。有手动复位电路和自动复位电路两种，本实验采用的事手动复位电路，电路图如下所示：在单片机的实际应用系统中，除单片机本身需要复位以外，外部扩展的i/o接口电路等也需要复位。因此需要一个系统的同步复位信号，即单片机复位后，cpu开始工作时，外部电路一定要复位好，以保证cpu有效的对外部电路进行初始化编程。rst是高电平有效，而i/o接口电路的复位端一般为ttl电平输入，通常也是高电平有效，但这两种复位输入的复位有效的电平不完全相同，如果cpu和i/o的复位不同步，则系统不能正常工作。本设计中采用的是系统复位，将复位电路产生的复位信号经斯密特电路整形后作为系统的复位信号，加到mcs-51单片机和外部i/o接口电路的复位端5.2 adc0809adc0809是cmos单片型逐次逼近式ad转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型da转换器等组成.1主要特性1）8路8位ad转换器，即分辨率8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s4）单个5v电源供电 5）模拟输入电压范围05v，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085摄氏度 7）低功耗，约15mw。 2.外部特性（引脚功能） adc0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图1323所示。下面说明各引脚功能。 in0in7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。adda、addb、addc：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ale：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 start： ad转换启动信号，输入，高电平有效。 eoc： ad转换结束信号，输出，当ad转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 oe：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当ad转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。clk：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640khz。 ref（+）、ref（-）：基准电压。 vcc：电源，单一5v。 gnd：地。 adc0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ale=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。start上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 ad转换，之后eoc输出信号变低，指示转换正在进行。直到ad转换完成，eoc变为高电平，指示ad转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当oe输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 5.3 dac0832dac0832是8分辨率的d/a转换集成芯片，与微处理器完全兼容，这个da芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用，a/d转换器由8位输入锁存器、8位dac寄存器、8位d/a转换电路及转换控制电路构成。1.功能特点：(1)分辨率为8位 (2)只需在满量程下调整其线性度(3)可与所有的单片机或微处理器直接接口，也可单独使用(4)电流稳