毕业设计-基于单片机控制的三相全控桥触发系统设计.doc

单片机控制的三相全控桥触发系统设计昆明工业职业技术学院毕业设计任务书 2013 届 工科 类设计题目： 单片机控制的三相全控桥触发系统设计 班级： 昆明工业职业技术学院2010级电气3班 学生姓名： 胡再兴 学号： 2010219944 指导教师： 莫丽薇 职称： 讲师 指导小组组长： 胡再兴 教学班负责人： 吕 姝 宜 设计时间：2012年 10 月15日至2012年12月15日摘 要电子技术的应用已深入到工农业经济建设，交通运输，空间技术，国防现代化，医疗，环保，和人们日常生活的各个领域，进入新世纪后电力电子技术的应用更加广泛，因此对电力电子技术的研究更为重要。近几年越来越多电力电子应用在国民工业中，一些技术先进的国家，经过电力电子技术处理的电能己达到总电能的一半以上。本文主要介绍基于mcs51系列单片机at89c51芯片控制的三相桥式全控整流电路的主电路和触发电路的原理及控制电路，软件部分由c51高级语言编程。具体运行由工频三相电压经变压器后在芯片控制下在不同的时刻发出不同的脉冲信号去控制相应的scr可控硅整流为直流电给负载供电。此种控制方式其主要优点是输出波形稳定和可靠性高抗干扰强的特点。触发电路结构简单，控制灵活，温度影响小，控制精度可通过软件补偿，移相范围可任意调节等特点，目前已获得业界的广泛认可。并将在很多的工业控制中得到很好的运用。关键词：晶闸管 mcs51单片机 触发角 同步信号 目 录摘要.第一章 引言.311 研究背景和意义.3111 晶闸管的发展现状.3112 电力电子技术的前景.3113 晶闸管的应用.4第二章 三相可控整流电路晶闸管的介绍.521 三相桥式整流电路晶闸管的特征.5211 晶闸管的开关特点.5212 晶闸管的几种导通方式.6213 晶闸管的基本特性.6214 晶闸管的触发.6第三章 三相桥式全控整流电路.731 三相桥式全控整流电路电阻性负载.732 三相桥式全控整流电路电感性负载.11第四章 at89c51芯片介绍.1541 at89c52主要性能参数.1542 at89c52引脚及内部器件功能说明.1543 内部结构功能介绍.22第五章 控制系统原理.28 51 系统结构框图.2852 触发器硬件组成.2953 移相触发脉冲的控制原理.29第六章 系统硬件电路器件选择3161 晶闸管的参数及其选择.31611 晶闸管及平波电抗器.31612 晶闸管的保护.3262 具体器件的计算与选择.34第七章 设计分析总结.36参考文献.37第一章 引 言1.1 研究背景和意义基于at89c51单片机的三相整流触发控制系统。是应用于电力领域的电子技术，即使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。111晶闸管的发展现状晶闸管出现前的时期，用于电力变换的电子技术已经存在：1904年出现了电子管(valve)，能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河。后来出现了水银整流器（mercury-vapour thyratrons），其性能和晶闸管很相似。在30年代到50年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论己经发展成熟并广为应用。在晶闸管出现以后的相当一段时期内，所使用的电路形式仍然是这些形式。交流电变为直流电的方法除水银整流器外，还有发展更早的电动机一直流发电机组，即变流机组。和旋转变流机组相对应，静止变流器的称呼从水银整流器开始并沿用至今。1947年美国贝尔实验室发明晶体管（transistor），引发了电子技术的一场革命；晶闸管（1957年）scr（silicon controlled rectifier）可通过门极控制开通，但通过门极不能控制关断，属于半控型器件目前由于其能承受的电压、电流容量仍是目前器件中最高的，而且工作可靠，所以许多大容量场合仍大量使用。112 电力电子技术的前景电力电子器件发展的目标是：大容量、高频率、易驱动、低损耗、小体积（高芯片利用率）、模块化。新的控制技术的使用，以减小电力电子器件的开关损耗，如软开关技术；通过谐振电路使得器件在零电压（zvs）或零电流（zcs）的状态下进行开关。电力电子应用系统向着高效、节能、小型化和智能化的方向发展。113 晶闸管的应用 一般工业：直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置；近年来电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。几百w到数千kw的变频调速装置，软起动装置等；电化学工业大量使用直流电源，如电解铝、电解食盐水等。冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合，需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源。交通运输：电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统，近年来交流变频调速成为主流。电力系统：电力电子技术在电力系统中有非常广泛的应用。最终用户在使用电能时常常需要进行预处理。如降压、滤波、无功补偿等；据估计，发达国家在用户最终使用的电能中有60以上至少经过一次电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。毫不夸张地说，离开电力电子技术，电力系统的现代化是不可想象的直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置近年发展起来的柔性交流输电可以大幅度提高电网输电能力和稳定性；手段：快速、精确、连续地控制大容量有功和无功等参数实现对系统潮流变化、功率流向、输送能力、阻尼振荡的性能加以改进和提高。如有源滤波器（apf active power filter）一可进行用户端的无功补偿和谐波抑制。不间断电源（ups）和各种开关电源：这一类的应用最为普遍各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在己改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在己逐渐取代了线性电源。家用电器：照明在家用电器中有卜分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。新能源的开发和利用：传统的发电方式是火力发电、水力发电以及后来兴起的核能发电。能源危机后，各种新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视。其中太阳能发电、风力发电的发展较快，燃料电池更是备受关注。太阳能发电和风力发电受环境的制约，发出的电力质量较差，常需要储能装置缓冲，需要改善电能质量，这就需要电力电子技术。当需要和电力系统联网时，也离不开电力电子技术为了合理地利用水力发电资源，近年来抽水储能发电站受到重视。其中的大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电力电子技术的用武之地。第二章 三相可控整流电路晶闸管的介绍 21 三相桥式整流电路晶闸管的特征211 晶闸管的开关特点：（1）当scr的阳极和阴极电压uak0，即ea下正上负，无论门极g加什么电，scr始终处于关断状态。 （图21）（2）当uak0时，只有egk0,scr才能导通。说明scr具有正向阻断能力。（3）scr一旦导通，门极g将失去控制作用，即无论eg如何，一均保持导通状态。scr导通后的管压降为1v左右，主电路中的电流i由r和rw以及ea的大小决定。（4）当uak0时，无论scr原来的状态，都会使r熄灭，即此时scr关断。其实，在i逐渐降低（通过调整rw）至某一个小数值时，刚刚能够维持scr导通。如果继续降低i，则scr同样会关断。该小电流称为scr的维持电流。 综上所述：scr导通条件: uak0同时ugk0，由导通关断的条件：使流过scr的电流降低至维持电流以下。（一般通过减小ea，直至ea0来实现。）212 晶闸管的几种导通方式：（1）正常触发导通：uak0，同时ugk0。（2）阳极电压作用：当uak上升至某个大数值，使v2的漏电流由于雪崩效应而加大，同时由于正反馈而使漏电流放大，最终使scr饱和导通。（3）dudt作用：如果uak以高速率上升，则在中间结电容上产生的电流可以引起导通。（4）温度作用：温度上升，v1，v2的漏电流加大，引起导通。（5）光触发：当强光直接照射在硅片上，产生电子空穴对，在电场的作用，产生触发scr的电流。目前，有一些场合使用这种方式来触发scr，如高压直流输电（hvdc）。这种方式可以保证控制电路和主电路之间有良好的绝缘。这种scr又称为光控晶闸管（light triggered thyristorltt）。213 晶闸管的基本特性：（1）承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。（2）承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。（4）要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以。从这个角度可以看出，晶闸管是一种电流控制型的电力电子器件。214 晶闸管的触发：（1） 作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。（2）广义上讲，晶闸管触发电路还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。（3）晶闸管触发电路应满足下列要求：触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通门极电流应大于擎住电流；触发脉冲应有足够的幅度；不超过门极电压、电流和功率，且在可靠触发区域之内；应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。第三章 三相桥式全控整流电路31 三相桥式全控整流电路电阻性负载 （图31三相桥式全控整流电路原理图）三相全桥的特点： 负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时使用三相整流电路。 应用最为广泛。 共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（vt1，vt3，vt5）。 共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（vt4，vt6，vt2）。 注意编号顺序：1、3、5和4、6、2，一般不特别说明，均采用这样的编号顺序。 由于零线平均电流为零，所以可以不用零线。对于每相二次电源来说，每个工作周期中，即有电流，也有负电流，所以不存在直流磁化问题，提高了绕组利用率。 三相桥式全控整流电路带电阻负载=0时的情况图32 三相桥式全控整流电路（带电阻负载=0时的波形）（1）=0时的情况对于共阴极阻的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通。对于共极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的导通。任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个scr处于导通状态。其余的均处于关断状态。触发角的起点，仍然是从自然换相点开始计算，注意正负方向均有自然换相点。从线电压波形看，ud为线电压中最大的一个，因此ud波形为线电压的包络线。表33三相桥式全控整流电路电阻负载=0时晶闸管工作情况 时段共阴极组中导通的晶闸管vt1 vt1 vt3 vt3vt5vt5共阳极组中导通的晶闸管vt6vt2 vt2vt4vt4vt6整流输出电压uduaub =uabuauc =uacubuc =ubcubua =ubaucub=ucaucub =ucb（2）三相桥式全控整流电路的特点：（三相全桥） 两个同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各有一个导通，且不能为同相的两个否则没有输出。 对触发脉冲的要求： 按vt1vt2vt3vt4vt5vt6的顺序，相位依次差60。 共阴极组vt1、vt3、vt5的脉冲依次差120，共阳极组vt4、vt6、vt2也依次差120。 同一相的上下两个桥臂，即vt1与vt4，vt3与vt6，vt5与vt2，脉冲相差180。 ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，所以三相全桥电路称为6脉波整流电路。 需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲（采用两种方法：一种是宽脉冲触发（大于60）。 另一种是双脉冲触发（常用）：在ud的6个时间段，均给应该导通的scr提供触发脉冲，而不管其原来是否导通。所以每隔60就需要提供两个触发脉冲。 实际提供脉冲的顺序为：vt1，vt2vt2，vt3vt3，vt4vt4，vt5vt5，vt6vt6，vt1vt1，vt2，不断重复。 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同为：ufm =urm=2.45 u2 三相桥式全控整流电路带电阻负载=30时的情况图34 三相桥式全控整流电路（带电阻负载=30时的波形）晶闸管起始导通时刻推迟了30，组成的每一段线电压因此推迟30。从ut1开始把一周期等分为6段，ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表3-3的规律。变压器二次侧电流iu波形的特点：在vt1处于通态的120期间，iu为正，iu波形的形状与同时段的ud波形相同，在vt4处于通态的120期间，iu波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。 三相桥式全控整流电路带电阻负载=60时工作情况ud波形中每段线电压的波形继续后移，平均值继续降低。=60时ud出现为零的点。（因为在该点处，线电压为零）三相桥式全控整流电路带电阻负载60时工作情况当60时，如=90时电阻负载情况下的工作波形如图35所示：图35三相桥式全控整流电路带电阻负载=90时的波形小结 当60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形一样，也连续； 当60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值； 带电阻负载时三相桥式全控整流电路角的移相范围是120。32 三相桥式全控整流电路电感性负载三相桥式全控整流电路电感性负载时的工作情况：当60时：ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样；区别在于：由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流波形不同。电感性负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。图36三相桥式全控整流电路带电感性负载=0时的波形图37三相桥式全控整流电路带电感性负载=30时的波形图38三相桥式全控整流电路带电感性负载=60时的波形图39三相桥式全控整流电路带电感性负载=90时的波形（1）当60时：电感性负载时的工作情况与电阻负载时不同，ud时波形不会出现负的部分，而电感性负载时，由于电感l的作用，ud波形会出现负的部分；带电感性负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为90。因为在=90时，ud波形上下对称，平均值为零。（2）基本参数关系当整流输出电压连续时（即带电感性负载或带电阻负载60时）的平均值为：ud=u2sintd(t) =2.34u2cos 带电阻负载且60时，整流电压平均值为：ud=u2sintd(t) =2.34u2 1cos ()输出电流平均值为：id =三相桥式全控整流的电流有效值当三相整流变压器供电，变压器次级接为星形，初级接三角形以减少三次谐波的影响，带电感性负载时，变压器二次侧电流波形，为正负半周各宽120前沿相差180的矩形波，其有效值为： i2= id= 0.816 id晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。三相桥式全控整流电路接反电势电感性负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，仅在计算id时有所不同，接反电动势电感性负载时的id为：id =（式中和分别为负载中的电阻值和反电动势的值）小结：变压器二次侧每相有两个匝数相同、极性相反（同名端相反）的绕组。分别构成a、b、c和-a、-b、-c两组。电路中设置了平衡电抗器来保证两组三相半波电路能同时导电，每相的触发脉冲，从第一个正自然换相点开始计算起，分别为1、3、5和2、4、6。这样，在不同的时刻导通的scr分别为6，1、1，2、2，3、3，4、4，5、5，6、6，1。实际上，通过每个时刻的等效电路，发现和分析变压器漏感作用时的电路十分类似，输出电压ud的瞬时电压为导通两相电压瞬时值的平均值。第四章 at89c51芯片介绍at89c51是美国atmel公司生产的低电压，高性能cmos8位单片机，片内含4kbytes的快速可擦写的只读程序存储器（perom）和128bytes的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51产品指令系统，片内置通用8位中央处理器（cpu）和flish存储单元，功能强大at89c51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。41 at89c51主要性能参数与mcs-51产品指令系统完全兼容4k字节可重复写flash闪速存储器1000次擦写周期全静态操作：0hz24mhz三级加密程序存储器1288字节内部ram32个可编程i/o口2个16位定时计数器6个中断源可编程串行uart通道 低功耗空闲和掉电模式 图4-1 at89c51外形及引脚排列功能特性概述at89c51提供以下标准功能：4k字节flash闪速存储器，128字节内部ram，32个i/o口线，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，at89c51可降至0hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止cpu的工作，但允许ram，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存ram中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。42 at89c51引脚及内部器件功能说明vcc：电源电压gnd：地p0口：p0口是一组8位漏极开路型双向i/o口，也即地址/数据总线复位口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个逻辑门电路，对端口写“1”可 作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。p1口p1是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口，p1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可做熟出口。做输出口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（iil）.flash编程和程序校验期间，p1接受低8位地址。p2口p2是一个带有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部地山拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输出口，作输出口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（iil）。在访问外部程序存储器获16位地址的外部数据存储器（例如执行movxdptr指令）时，p2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行movxri指令）时，p2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（sfr）区中r2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。flash编程或校验时，p2亦接受高地址和其它控制信号。p3口p3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向i/o口。p3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对p3口写入“1”时，他们被内部上拉电阻拉高并可作为输出口。做输出端时，被外部拉低的p3口将用上拉电阻输出电流（iil）。p3口除了作为一般的i/o口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：端口引脚第二功能p3.0rxd (串行输入口)p3.1txd (串行输出口)p3.2int0 (外中断0)p3.3int1 (外中断1)p3.4t0 (定时/计数器0)p3.5t1 (定时/计数器1)p3.6wr (外部数据存储器写选通)p3.7rd (外部数据存储器读选通)p3口还接收一些用于flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。rst 复位输入。当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ale/prog当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale（地址所存允许）输出脉冲用于所存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ale仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale脉冲。对flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（prog）。如有不要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的8eh单元的d0位置位，可禁止ale操作。该外置位后，只要一条movx和movc指令ale才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ale无效。psen程序存储允许（psen）输出是外部程序存储器的读选通信号，当at89c51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两个psen有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的psen信号不出现。ea/vpp外部访问允许。欲使cpu仅访问外部程序存储器（地址为0000h-ffffh），ea端必须保持低电平（接地）。需注意的是; 如果加密位lb1被编程，复位时内部会锁存ea端状态。如 ea端为高电平（接vcc端），cpu则执行内部程序存储器中的指令。flash存储器编程时，该引脚加上+12v的编程允许电源vpp，当然这必须是该器件是使用12v编程电压vpp.xtal1: 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输出端。xtal2: 振荡器反相放大器的输出端。时钟振荡器at89c51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚xtal1和xtal2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图10。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容c1、c2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容c1、c2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pf+10pf，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pf+10pf。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图10右所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到xtal1端，即内部时钟发生器的输入端，xtal2则悬空由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术要求。空闲模式在空闲工作模式状态，cpu保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内ram和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。终止空闲工作模式的方法有两种，其一是任何一条被允许中断的事件被激活，即可终止空闲工作模式。程序会首先响应中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并仅随终端返回指令，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令。其二是通过硬件复位也可将空闲工作模式终止，需要注意的是，当由硬件复位来终止空闲模式时，cpu通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期（24个时钟周期）有效，在这种情况下，内部禁止cpu访问片内ram，而允许访问其它端口。为了避免可能对端口产生以外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应该是一条对端口或外部存储器的写入指令。空闲和掉电模式外部引脚状态模式程序存储器alepsenport0port1port2port3空闲模式内部11数据数据数据数据空闲模式外部11浮空数据数据数据掉电模式内部00数据数据数据数据掉电模式外部00浮空数据数据数据掉电模式在掉电模式下，震荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内ram和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变ram中的内容，在vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。程序存储器的加密 at89c51可使用对芯片上的3个加密位进行编程（p）或不编程（u）来得到如下表所示的功能： 加密位保护功能表程序加密位保护类型lb1 lb2lb31uuu没有程序保护功能2puu禁止从外部程序存储器中执行movc指令读取内部程序存储器的内容3ppu除上表功能外，还禁止程序校验4ppp除以上功能外，同时禁止外部执行当加密位lb1被编程时，在复位期间，ea端的逻辑电平被采样并锁存，如果单片机上电后一直没有复位，则锁存起的初始值是一个随机数，且这个随机数会一直保持到真正复位为止。为使单片机能正常工作，被锁存的ea电平值必须与该引脚当前的逻辑电平一致。此外，加密位只能通过整片擦除的方法清除。flash闪速存储器的编程at89c51单片机内部有4k字节的flasheprom,这个flash存储阵列出厂时已处于擦除状态（即所有存储单元的内容均为ffh），用户随时可对其进行编程。编程接口可接收高电平（+12v）或低电平（vcc）的允许编程信号，低电平编程模式适合于用户再线编程系统，而高电平编程模式可与通用eprom编程器兼容。at89c51单片机中，有些属于低电压编程方式，而有些则是高电平编程方式，用户可从芯片上的型号和读取芯片内的签名字节获得该信息，见下表。vpp=12vvpp=5v芯片顶面标识at89c51xxxxyywwat89c51xxxx-5yyww签名字节(030h)=1eh(031h)=51h(032h)=ffh(030h)=1eh(031h)=51h(032h)=05hat89c51的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片内的perom程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除。编程方法编程前，需设置好地址，数据及控制信号， at89c51编程方法如下：1 在地址线上加上要编程单元的地址信号。2 在数据线上加上要写入的数据字节。3 激活相应的控制信号。4 在高电压编程方式时，将ea/vpp端加上+12v编程电压。5 每对flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ale/prog编程脉冲，改变编程单元的地址和写入的数据，重复15步骤，直到全部文件编程结束。每个字节写入周期是自身定时地，通常约为1.5ms。数据查询at89c51单片机用数据查询方式来检测一个写周期是否结束，在一个写周期中，如需要读取最后写入的那个字节，则读出的数据的最高位（p0.7）是原来写入字节最高位的反码。写周期完成后，有效的数据就会出现在所有输出端上，此时，可进入下一个字节的写周期，写周期开始后，可在任意时刻进行数据查询。ready/busy字节编程的进度可通过“rdy/bsy”输出信号监测，编程期间，ale变为高电平“h”后p3.4(rdy/bsy)端电平被拉低，表示正在编程状态（忙状态）。编程完成后，p3.4变为高电平表示准备就绪状态。程序校验如果加密位lb1、lb2没有进行编程，则代码数据可通过地址和数据线读回原编写的数据。加密位不可能直接变化。证实加密位的完成通过观察它们的特点和能力。芯片擦除整个perom阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ale管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，at89c51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，cpu停止工作。但ram，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存ram的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。读片内签名字节at89c51单片机内有3个签名字节，地址为030h、031h和032h。用于声明该器件的厂商、型号和编程电压。读签名字节的过程和单元030h、031h和032h的正常校验相仿，只需将p3.6和p3.7保持低电平，返回值意义如下：（030h）=1eh声明产品由atmel公司制造。（031h）=51h声明为at89c51单片机。（032h）=ffh声明为12v编程电压。（032h）=05h声明为5v编程电压。编程接口采用控制信号的正确组合可对flash闪速存储阵列中的每一代码字节进行写入和存储器的整片擦除，写操作周期是自身定时的，初始化后它将自动定时到操作完成。43内部结构功能介绍微处理器（cpu）at89c51单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以位变量的处理。数据存储器(ram)数据存储器空间分为片内与片外两部分。片内为128个字节，字节地址为00h7fh。片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。当at89c51单片机的片内ram不够用时，可由片外ram扩展至64kb ，以供用户的需求。程序存储器(rom)at89c51单片机的片内程序存储器为4kb的flash存储器，地址范围为0000h0fffh。有16位地址线，可外扩的程序存储器空间最大为64kb，地址范围为0000hffffh。由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。中断系统mcs51系列单片机中不同型号芯片的中断源数量是不同的，at89c51芯片有5个中断源，分别是into、int1、to、tl。中断源分为两个中断优先权级别，可以实现两级中断服务程序嵌套。每一个中断源可以编程为高优先权级别或低优先权级别中断，允许或禁止向cpu请求中断。at89c51芯片的中断系统内部结构图由上可知，中断源都要产生相应的中断请求标志，这些标志分别放在特殊功能寄存器tcon和scon的相关位。每一个中断源的请求信号需经过中断允许ie和中断优先权选择ip的控制才能够得到单片机的响应。串行口at89c51单片机有一个编程的全双工的串行口，可作为通用异步收发器（uart），也可作为同步移位寄存器。可以设置为固定波特率和可变波特率，给使用者带来很大的灵活性。可用来进行串行通讯，扩展并行i/o口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。（一）串行口的 4 种工作方式串行口的 4 种工作方式的选择由sm0 、 sm1实现1. 串行口方式0 同步移位寄存器方式 方式0以8位数据为一帧，不设起始位和停止位，先发送或接收最低位。其帧格式如下：串行数据通过rxd输入或输出，而txd用于输出移位时钟，作为外接部件的同步信号。这种方式不适用于两个8051之间的串行通信，但可以通过外接移位寄存器来实现单片机的i/o接口扩展。2.串行口方式1 10位uart 方式1以10位为一帧传输，设有1个起始位（0），8个数据位和1个停止位（1）。其帧格式为：方式1真正用于串行发送或接收，为10位通用异步接口。txd（p3.1）引脚发送数据，rxd（p3.0）引脚接收数据。数据传输波特率由t1的溢出率决定，可用程序设定。在接收时，停止位进入scon的rb8。串行口方式1的发送和接收时序如图（a）和（b）所示。 只有当ren=1时，才能对rxd进行检测 方式 1 发送和接收时序接收有效的两个条件：ri=0。即上一帧数据接收完成时，ri=1发出的中断请求已被响应，sbuf中数据已被取走。由软件使ri=0，以便提供“接收sbuf已空”的信息。sm2=0或收到的停止位为1（方式1时，停止位进入rb8）。 满足上述两个条件，将接收到的数据装入串行口的sbuf和rb8（rb8装入停止位），并置位ri，通知cpu取数据；如果不满足，接收到的数据不能装入sbuf，这意味着该帧信息将会丢失。3. 串行口方式2和3 11位uart方式2和方式3以11位为1帧传输，设有1个起始位(0)，8个数据位，1个附加第9位和1个停止位(1)。其帧格式为： 附加第9位（d8）由软件置1或清0。发送时在tb8中，接收时送rb8中。方式2的波特率是固定的，为振荡器频率的1/32或1/64。方式3的波特率则由t1的溢出率决定，可用程序设定。 方式2和方式3的发送、接收时序如图所示。其操作与方式1类似。 只有当ren=1时，才能对rxd进行检测。方式2、方式3发送和接收时序发送过程:发送前，先根据通信协议由软件设置tb8（如作奇偶校验位或地址/数据标志位），然后将要发送的数据写入sbuf，即可启动发送过程。串行口能自动把tb8取出，并装入到第9位数据位的位置，再逐一发送出去。发送完毕，使ti=1。接收过程:接收时，使scon中的ren=1，允许接收。当检测到rxd(p3.0)端有10的跳变（起始位）时，开始接收9位数据，送入移位寄存器（9位）。当满足ri=0且sm2=0，或接收到的第9位数据为1时，前8位数据送入sbuf，附加的第9位数据送入scon中的rb8，置ri为1；否则，这次接收无效，也不置位ri。（二）四种方式的比较方式08位同步移位寄存器常用于扩展i/o口fosc/12方式110位uart起始位0、8位数据、结束位1可变（取决于定时器1溢出率）方式211位uart起始位0、8位数据、奇偶校验位结束位1fosc/64或fosc/32方式312位uart同上可变（取决于定时器1溢出率）特殊功能寄存器（sfr）at89c51单片机共有21个特殊功能寄存器，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的ram区。由上可见，at89c51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。特别值得一提的是该单片机cpu中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个1位微计算机有自己的cpu、位寄存器、i/o口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。mcs-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的一个突破，这也是mcs-51单片机在设计的精美之处，得以在实际生活中得到了广泛的应用。at89c51单片机中21个特殊功能寄存器如表所示： mcs51单片机的特殊功能寄存器符号地址功能介绍bf0hb寄存器acce0h累加器pswd0h程序状态字ipb8h中断优先级控制寄存器p3b0hp3口锁存器iea8h中断允许控制寄存器p2a0hp2口锁存器sbuf99h串行口锁存器scon98h串行口控制寄存器p190hp1口锁存器th18dh定时器/计数器1（高8位）th08ch定时器/计数器0（高8位）tl18bh定时器/计数器1（低8位）tl08ah定时器/计数器0（低8位）tmod89ht0、t1定时器/计数器方式控制寄存器tcon88ht0、t1定时器/计数器控制寄存器dph83h数据地址指针（高8位）dpl82h数据地址指针（低8位）sp81h堆栈指针p080hp0口锁存器pcon87h电源控制寄存器第五章 控制系统原理51系统结构框图图5-1 at89c5152 触发器硬件组成1-6所接电路图图5-253 移相触发脉冲