低压电网动态无功补偿控制器装置的设计研究毕业论文.doc

摘 要 本课题研究以低压电网无功补偿改造为背景 研制了一种低压无功功率补 偿控制器 作为一种非实时的无功补偿装置 该装置以定时的电网监测数据为 依据 以低压电网的无功补偿为对象 本文主要研究了无功补偿对电网性能的 改善 以及控制器的软硬件的配置 系统采用单片机 该单片机是美国 ATMEL 公司生产的低电压 5289CAT 高性能的 CMOS 8 位单片机 具有运算速度高 实时性好的特点 软件则使用 汇编语言进行编译 人机操作界面采用 LCD 显示 显示效果较好 A D 转换采 用 是一款比较实用的 A D 转换装置 该装置可跟踪电网无功功率0809ADC 的变化并自动补偿 实现了无功补偿装置的优化运行 具有体积小 原理简单 智能投切等优点 关键词 无功补偿 单片机 低电压 ABSTRACTABSTRACT What this article studies is based on the alteration of reactive power compensation of low voltage then design an equipment for reactive power compensation of low voltage As a kind of reactive power compensation this equipment is basis on the electrical network monitor data and provides reactive power for city s low voltage power grids This thesis has discussed the importance of the reactive power compensation for the power grids and introduced the hardware and software of the controller This device s hardware core is AT89C52 SCM which has many merits such as high operating speed This monolithic integrated circuit is the low voltage which American ATMEL Corporation produces a high performance CMOS 8 monolithic integrated circuits The software uses the assembly language to carry on the translation The man machine operation contact surface uses the LCD demonstration the demonstration effect is quite good A D transformation uses ADC0809 it is a section of quite practical A D switching device This equipment may track the electrical network reactive power the change and the automatic compensation and this installment has the volume to be small the precision is high the price compared to the higher merit KEY WORDS reactive power compensation SCM Single Chip Micyoco low voltage 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 目 录 III 第 1 章 前言 1 1 1 无功补偿装置必要性 1 1 2 无功补偿装置的发展史 2 1 3 设计提要 4 第 2 章 无功补偿的理论分析 5 2 1 无功补偿的原理 6 2 2 低压电网中的几种无功补偿的方式 8 2 3 确定补偿容量的几种方法 9 2 3 1 从提高功率因数需要确定补偿容量 9 2 3 2 从降低线路有功损耗需要来确定补偿容量 9 2 3 3 从提高运行电压需要来确定补偿容量 10 第 3 章 硬件设计 12 3 1 无功补偿装置的技术要求 12 3 1 1 补偿控制应符合技术条件 12 3 1 2 测量精度 12 3 1 3 控制器原理 12 3 2 硬件介绍 13 3 2 1 微处理器 13 3 2 2 A D 转换器选型 17 3 2 3 看门狗 20 3 2 4 LCD 显示 21 3 3 模拟信号调理电路 23 3 3 1 电流电压互感器 23 3 3 2 电压 电流采样及信号处理电路 24 3 4 输出控制电路 25 3 4 1 控制电路 25 3 4 2 固态继电器 26 第 4 章 软件设计 27 4 1 功率因数计算 27 4 2 投切原则 29 第 5 章 结论与展望 31 致谢 32 参考文献 33 附录 1 硬件结构图 34 附图 34 附录 2 软件程序 35 第 1 章 前言 1 1 无功补偿装置必要性 目前 我国输配电网无功缺乏 备用容量严重不足 无功补偿装置缺少灵 活的调节能力 其中由于无功不足原因而产生电压降落 电能传输损耗大 线 路输送容量降低和网络稳定性下降等问题表现尤为突出 1 近年来 随着大功 率非线性负荷用户的不断增多 对电网的冲击和谐波污染呈不断上升趋势 缺 乏无功调节手段造成了母线电压随运行方式的变动很大 导致电网线损增加 使得系统电压合格率不高 此外 电网的发展 系统稳定性问题越发重要 电 网的损耗 电压及功角稳定性与无功功率快速 有效提供有关 我国互联电网 已经进入了大电网 大机组时代 大量的无功在网间传送 造成了巨大的网络 损耗 故此大量的无功不适应于远距离的传输 无功功率一般采取分层分区平 衡 就近补偿的原则 在工业应用领域 随着国民经济的发展 大量的冲击性质的负荷如电弧炉 轧机 电气化铁路等接入电网 由于其呈现的冲进性无功特性核非线性负荷特 性 对电能质量造成了巨大的污染 主要体现在谐波严重超标 造成变压器 电机 电容器组和线路的损耗加剧 甚至危及设备安全 产生的负序电流对电 机等旋转机械产生附加转矩 降低工作效率 增加能耗 由于冲击无功的作用 对电压造成严重的波动和闪变 降低生产效率 单位能耗增加 同时造成产品 质量下降 对这些大冲击非线性负荷或不对称负荷应进行就地无功补偿和用电 污染治理 即对该类污染从源头进行治理 以达到电能质量治理 节能降耗 增加产量和提高产品质量的目的 近 20 年来 世界各地 包括美国 法国 意大利 英国 俄罗斯 日本等 国 发生的由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故引起了各国的高度重 视 持续了短短 72 小时的 8 14 美加大停电给美国造成了巨大的经济损失和社 会影响 这次事故提醒人们 电网运行要有足够的无功备用容量 无功不能靠 远距离传输 在电力市场环境下 必须制定统一的法规以激励独立发电商和运 营商从维护整个系统安全性的角度提供充足的无功备用 在我国也曾多次发生 电压崩溃事故 如 1993 年和 1996 年南方电网的几次事故 这些事故都促使人 们采取各种措施以维持电网稳定 无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的 2 输电线路中无功功率 的存在 不仅占用输电线路和设备容量 并且系统中流动的无功功率会导致电 压降落 影响电压质量和电力系统的稳定 对用电设备产生影响 因此 在电 网规划和运行中 必须控制无功功率 限制其在系统中的流动 据了解 我国 每年的电力缺口在 15 左右 同时 每年有 20 以上的电力在输送过程白损耗 无功补偿可以提高功率因数 是一项投资少 收效快的降损节能措施 由 于具备改善电能质量 降低电能损耗 挖掘发供电设备潜力 减少用户电费支 出等诸多优势 无功补偿的应用开始越来越为区域配网所采纳 而电力电容器 市场也由此开辟了更为广泛的发展空间 1 2 无功补偿装置的发展史 早期的无功补偿装置为并联电容器和同步补偿器 3 多用在系统的高压侧进 行集中补偿 至今并联电容器仍是一种主要补偿方式 应用范围广泛 只是控 制器在不断的更新发展 同步补偿器的实质是同步电机 当励磁电流发生改变 时 电动机可随之平滑的改变输出无功电流的大小和方向 对电力系统的稳定 运行有好处 但同步补偿器成本高 安装复杂 维护困难 使其推广使用受到 限制 随着近代电力电子技术的出现和发展 3 无功补偿技术也随之发展 在第一 个工业用晶闸管出现之前 电子半导体由于功率过小 在直流传动 交流传动 电磁合闸 交流不间断电源和无功补偿等领域内一直没有得到应有的推广使用 晶闸管的出现标志着电力电子技术的诞生 并以此为起点 随着半导体制造技 术和变流技术的发展 新型的电力电子器件不断问世 由此引发了众多行业的 变革 如交流变频调速技术的蓬勃发展 同样电力电子技术对无功补偿技术也 带来了新的发展契机 无功补偿技术和电力电子技术的结合主要有以下三方面 3 1 是作为投切电容器的开关 因为电力半导体开关的响应时间短 PS 级 所以能够选择电容的投切角度 实现零电压投切 避免了涌流的产生 提高了 电容器使用的可靠性和电力系统的稳定性 现代并联电容器补偿装置中的输出 回路就引进了该项技术 2 是作为无功输出的调节开关 由于电力电子器件的高开关频率 使其能 够方便地控制电容器电流的导通角 从而实现无功的连续调节 快速跟踪负载 无功的变化 静止型无功补偿器是其中的代表 3 是引入电力电子变流技术 将变流器作为无功电源来调节无功的输入和 输出 起到补偿负载无功的作用 经常用的是静止调相机和有源滤波器 由无功补偿源在主电路回路中连接方式的不同 无功补偿器可分为并联型 和串联型两种结构 依据电力电子技术在无功补偿中应用的方式不同 现代无 功补偿装置 4 大致可分为以下几种类型 1 TSC Thyristor Switched Capacitor 型无功补偿装置 它属于并联型无功 补偿装置 主回路如图 1 1 所示 是由多台电力电容器并联以及由可控硅构成 的执行机构组成 装置根据无功电流的大小来决定投入电容组数 由此可见 TSC 的无功调节是有级的 它无法连续的输出无功 这使其在使用中存在合理 选择电容 适当分级的问题 但它的优点也明显 即结构简单 控制方便 电 容器利用率高 使用中不存在谐波污染等 U 1 C 2 C 3 C 1 c I 2 c I 3 c I 图 1 1 TSC 型无功补偿装置主回路 2 FC TCR Fixed capacitor Thyristor Controlled Reactor 型无功补偿装置 它属于并联型无功补偿装置 其主回路如图 1 2 所示 FC TCR 方式是用双相可 控硅的相位控制 调整电抗器的电流 从而调整无功功率的方式 当以电压零 相位为基准时 调节 TCR 中的可控硅的引燃角 可以从到范围内变 90 180 化 补偿器的电流 此电流可随角的变化而变化为感性或容性 这 LC iii 样就改变了 FC TCR 的无功功率 并可连续均匀的调节 由于 TCR 中除可控硅 全导通或关断之外器电流都是非正弦的 所以它是一个电流谐波源 对电网有 一定的危害 该装置在电容和电感之间形成无功损耗 电容利用率低并且电抗 器体积较大 成本高 c IU 图 1 2 FC TCR 型无功补偿器的主回路 3 静止调相机 ASVC Advantage Static Var Compensator 属于串联型补偿 器 它由于输出电压可超前或滞后系统电压 因此可以和系统进行有功 无功 之间的交换 它可以连续调节无功 并且能够抑制谐波 补偿特性较好 但该 c I I L I L 系统存在结构复杂 控制难度大 制造和维护都不便 成本高等问题 不便在 全国推广使用 1 3 设计提要 该课题的研究主要有两方面内容 第一是无功补偿的基本原理和在电网中 最佳无功补偿方式的讨论 首先是对无功补偿中普遍存在的问题进行分析 其 次是分析对无功补偿计算方案 第二是在传统的无功补偿装置的基础上 对其 控制器和动作执行机构进行优化 从而开发出一种智能化的无功补偿器 文中 针对这种补偿器的控制器的硬件电路和软件设计作了较详尽的分析 本文的章节安排 1 第 1 章绪论部分 对该课题的研究背景和无功补偿技术的发展历史进行概述 并提出本文的 主要研究内容和各章的内容安排 2 第 2 章无功补偿理论分析部分 主要是对无功补偿理论中的基本理论进行分析 对无功补偿带来的降损节 能和经济效益等问题展开探讨 3 第 3 章控制器的硬件电路部分 对此无功补偿控制器的硬件电路进行系统的解析 设计 4 第 4 章控制器的软件设计 对控制器的几个主要功能模块进行分析 并画出程序流程图 5 第 5 章 结论与展望 第 2 章 无功补偿的理论分析 电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工做的 磁场所具有的磁 场能是由电源供给的 电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场 在一 个周期内吸收的功率和释放的功率相等 这种功率称为感性无功功率 接在交 流电网中的电容器 在一个周期内上半周的充电功率与下半周的放电功率相等 这种充电功率叫做容性无功功率 所以无功功率被使用于建立磁场和静电场 它存储于电感和电容中 通过电力网往返于电源和电感 电容之间 无功功率 在电力网元件中流动 将会在电力网元件中引起电压损耗和功率损耗 降低电 网的电压质量 增加电网的线损率 R 图 2 1 由局部电力网的等效电路图 由局部电力网的等效电路图 2 1 可知 电力网中由于无功负荷而带来的电 压损耗的计算公式为 U C U XQRP U XQRP XIRIUUU 22 2 22 2221 sincos 式中 电网的额定电压 C U 元件的末端电压 2 U 电网中的电压和电流的差角 R 电网中元件的等效电阻和电抗X 2 P 元件末端的有功负载和无功负载 由式 2 1 可知由负荷的无功功率在元件引起的损耗的计算公式为 2 Q X U C X U XQ U 2 而由负荷的有功功率在元件中引起的电压损耗的计算公式为 2 P 1 I 2 S 2 I 1 S X 1 U 2 U 2 1 2 2 C R U RP U 2 可见的元件电阻小于电抗的电网中 无功引起的电压损耗占主要部分 电网中的线损公式如下 3 2 2 2 2 22 21 jXR U Qp jXRISSS C 式中 111 jQPS 222 jQPS 其中有功线损的计算公式为 P R U QP PPP C 2 2 2 2 2 21 这其中由于无功功率在电网中流动而引起的有功线损的计算公式为 Q P R U Q P C Q 2 2 2 由上述分析可见 要减少电力网中的电压损耗和电网的线损率 提高用户 端的电压质量的重要措施之一 是减少电力网元件中的无功传输 可以从提高 负荷的自然功率因数和进行无功补偿两方面来解决这个问题 2 1 无功补偿的原理 无功补偿的基本原理是 把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联 接同一电路 能量在两种负荷之间相互交换 这样 感性负荷所需要的无功功 率可由容性负荷输出的无功功率补偿 无功补偿的作用和原理可由图 2 2 来解释 P Q c Q Q S S 图 2 2 无功补偿原理 设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为 装设无功补偿装置后 补偿无Q 2 3 2 4 2 5 2 6 功功率为 使电源输出的无功功率减少为 功率因数由提高 c Q c QQQ cos 到 视在功率减少到 cos S S 2 22 jXR U QQP QjPS C 视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量 降低供用电设备 的投资 例如一台 1000 千伏安的变压器 当负荷的功率因数为 0 7 时 可供 700 千瓦的有功负荷 当负荷的功率因数提高到 0 9 时 可供 900 千瓦的有功功 率 同一台变压器 因为负荷的功率因数的提高而可多供 200 千瓦负荷 是相 当可观的 可见 因采用无功补偿措施后 电源输送的无功功率减少了 相应的也使 电网和变压器中的功率损耗的下降 从而提高了供电效率 由电压损耗计算公式 U XQQPR U C 可知 采用无功补偿措施后 因通过电力网无功功率的减少 降低了电力 网中的电压损耗 提高了用户处的电压质量 并联电容器的无功补偿作用和原理 也可以用图 2 3 加以说明 图 2 3 并联电容器的补偿电流向量图 图中的用电负荷总电流可以分解为有功电流分量 和无功电流分量 I P I Q I 电感性的 当并联电容器投入运行时 流入电容器的容性电流与方向相 C I Q I 反 故可抵消一部分使电感性电流分量降低为 总电流由 Q I Q I CQQ III 2 7 2 8 降为 功率因数也由提高到 这时 负荷所需的无功功率全部由I I cos cos 补偿电容供给 电网只需供给有功功率 根据第一章的有功电流与无功电流的定义 还可以用图 2 4 理解 tIR tIX 电力系统中无功补偿的作用与原理 tU tIr tI tIc 图 2 4 电力系统无功补偿原理图 设负荷实际吸收的电流为 为了使输电线路上流过纯有功电流 tI tIr 则需要在负荷端接入一个无功补偿器 补偿器提供的电流为 则 tIc tItItI cr 这里的就是无功电流 这就是电力系统中进行无功补偿的要点 tIc tIX 这是完全的补偿 线路上的电流是为产生负载实际功率 平均功率 而携带 tIr 能量最小的电流 因而在线路上造成的损失是最小的 此时 的波形和 tIr 相同 即电压和电流的相位相同 tU 2 2 低压电网中的几种无功补偿的方式 提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量 因此 影 响功率因数的主要因素有三种 一是异步电动机和电力变压器是耗用无功功率 的主要设备 二是供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响 三 是电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响 针对影响功率因数的一些主要因素 要寻求一些行之有效的 能够使低压 电网功率因数提高的一些实用方法 使低压电网能够实现无功的就地平衡 达 到降损节能的效果 常采用地方式有三种 随机补偿 随器补偿 跟踪补偿 1 1 随机补偿 是指将低压电容器组与电动机并联 通过控制 保护装置与 电机共同投切 随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗 以补偿励磁为主 此 种方式可较好的限制用电单位的无功负荷 随机补偿地优点是 用电设备运行时 无功补偿投入 用电设备停止运补偿 2 9 装置也退出 不需要频繁调整补偿容量 更具有投资少 占位小 配置灵活 维护简单方便 事故率低等优点 为防止电机推出时产生自激过电压 补偿容 量一般不大于电机的空载无功 2 随器补偿 是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧 以 补偿配电变压器空载无功的补偿方式 配变在轻载或空载时的无功负荷主要是 变压器的空载励磁无功 配变空载无功是用电单位无功负荷的主要部分 对于 轻负载的配变而言 这部分损耗占供电量的比例很大 从而导致电费单价的增 加 从而导致电费单价的增加 随器补偿的优点是 接线简单 维护管理方便 能有效地补偿配变空载无 功 限制农网无功基荷 是该部分的无功就地平衡 从而提高配电变压器利用 率 降低无功网损 提高用户的功率因数 改善用户的电压质量 具有较高的 经济性 是目前无功补偿最有效的方法之一 3 跟踪补偿 是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置 将低压电容器 组补偿在大用户 0 4母线上的补偿方式 适用于 100及以上的专用配变kVkVA 电用户 跟踪补偿的优点是 可较好的跟踪无功负荷的变化 运行方式灵活 补偿 效果好 但是费用高 且自动投切装置较随机 随器补偿的控制保护装置复杂 如有任一元件损坏 则可导致电容器不能投切 且主要适用于大容量大负荷的 配变 上述三种补偿方式均可对特定种类无功负荷实现 就地平衡 的无功补偿 降损节能效果好 2 3 确定补偿容量的几种方法 2 3 1 从提高功率因数需要确定补偿容量 设电网的最大负荷月的平均有功功率为 补偿前的功率因数为 Rj P 1 cos 补偿后的功率因数为 则所需要的补偿容量的计算公式为 2 cos c Q 21 tgtgPQ pjc 若要求将功率因数由提高的而小于 则补偿容量计算为 1 cos 2 cos 3 cos c Q 3121 tgtgPQtgtgP pjcpj 2 10 2 11 2 3 2 从降低线路有功损耗需要来确定补偿容量 设补偿前线路中的电流为 相应的有功电流为 无功电流为 补偿 1 I 1r I 1x I 无功后线路中的电流为 相应的有功电流为 无功电流为 则Q 2 I 2r I 1x I 补偿前的线路损耗为 R I RIP r2 1 12 11 cos 33 补偿后的线路损耗为 R I RIP r2 2 22 22 cos 33 则补偿后线损降低的百分值为 100 cos cos 1 100 2 2 1 2 21 l ll P PP P 若根据要求已经确定 则可求得 P P 1 cos cos 1 2 则补偿容量可以按式 21 tgtgPQ pjc 来计算 2 3 3 从提高运行电压需要来确定补偿容量 配电线路末端电压较低 通常是通过无功补偿来提高供电电压的 因此 有时要从提高线路电压来确定补偿容量 设补偿前线路电源电压为 线路末端电压为 线路输送的有功功率为 1 U 2 U 无功功率为 电阻为 电抗为 则PQRX 2 12 U QXPR UU 补偿无功后 线路末端电压升为则 c Q 2 U 2 12 U XQQPR UU c 2 12 2 13 2 14 2 15 2 16 2 17 2 18 所以投入无功补偿后末端电压增量为U 2 22 U XQ UUU c 故补偿容量 X UU Qc 2 若为三相线路 则所需的补偿容量为 X UU Q ll c 2 式中 三相线路的线电压增量 i U kV 三相线路的线电压 2i U kV 2 19 2 20 2 21 第 3 章 硬件设计 在一系列的理论分析之后 本次设计将采用根据功率因数来确定补偿容量 的方法 再根据当前无功补偿技术的发展状况 我们采用 TSC 并联电容器型的 无功补偿装置 它具有连线和控制方式简单 电容使用效率高及不产生谐波污 染等优点 3 1 无功补偿装置的技术要求 3 1 1 补偿控制应符合技术条件 本次装置设计的基本技术条件 6 1 控制方式 可控硅与接触器联合控制 即在投切时采用可控硅 正常运 行时采用接触器的方式 2 工作方式 动态跟踪 逻辑判断 自动及时补偿容量 3 控制物理量 以无功功率电容器的投切 4 补偿方式 采用三相共补 5 自动延时功能 电容器投切延时至少 10 秒 同组电容器的投切间隔时 间大于 5 分钟 6 保护功能 过电压快速切断功能 当电网电压大于高压保护值时 自动切除全部电容 器 短路保护 由快速熔断器和空气开关双重保护 7 现场参数显示 可现场显示电网运行参数 比如电压 电流 功率因数 3 1 2 测量精度 1 电压 电流 1 0 级 2 有功功率 无功功率 功率因数 1 0 级 3 1 3 控制器原理 由以上功能 可得到控制器的机构图如图 3 1 图 3 1 控制器结构原理图 3 2 硬件介绍 3 2 1 微处理器 AT89C52 7 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8k bytes 的可 反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 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 指令系统 片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元 AT89C52 单片机在 电子行业中有着广泛的应用 主要功能特性 1 兼容 MCS51 指令系统 2 8k 可反复擦写 大于 1000 次 Flash ROM 3 32 个双向 I O 口 4 256x8bit 内部 RAM 5 3 个 16 位可编程定时 计数器中断 6 时钟频率 0 24MHz 7 2 个串行中断 可编程 UART 串行通道 8 2 个外部中断源 共 8 个中断源 9 2 个读写中断口线 3 级加密位 10 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 11 有 PDIP PQFP TQFP 及 PLCC 等几种封装形式 以适应不同产品的 需求 图 3 2 PDIP 封装的 AT89C52 引脚图 AT89C52 为 8 位通用微处理器 采用工业标准的 C51 内核 在内部功能及 管脚排布上与通用的 8xc51 相同 如图 3 2 其主要用于会聚调整时的功能控 制 功能包括对会聚主 IC 内部寄存器 数据 RAM 及外部接口等功能部件的初 始化 会聚调整控制 会聚测试图控制 红外遥控信号 IR 的接收解码及与主板 CPU 通信等 主要管脚有 XTAL1 19 脚 和 XTAL2 18 脚 为振荡器输入 输出端口 外接 12MHz 晶振 RST Vpd 9 脚 为复位输入端口 外接电阻电 容组成的复位电路 VCC 40 脚 和 VSS 20 脚 为供电端口 分别接 5V 电源的正负端 P0 P3 为可编程通用 I O 脚 其功能用途由软件定义 在本设 计中 P0 端口 32 39 脚 被定义为 N1 功能控制端口 分别与 N1 的相应功能 管脚相连接 13 脚定义为 IR 输入端 10 脚和 11 脚定义为 I2C 总线控制端口 分别连接 N1 的 SDAS 18 脚 和 SCLS 19 脚 端口 12 脚 27 脚及 28 脚 定义为握手信号功能端口 连接主板 CPU 的相应功能端 用于当前制式的检测 及会聚调整状态进入的控制功能 1 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 复用口 作为输出口用时 每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P0 写 1 时 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 在 Flash 编程时 P0 口接收指令字节 而在程序校验时 输出 指令字节 校验时 要求外接上拉电阻 2 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 此时可作输入口 作输入口使用时 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 与 AT89C51 不 同之处是 P1 0 和 P1 1 还可分别作为定时 计数器 2 的外部计数输入 P1 0 T2 和输入 P1 1 T2EX 3 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 P2 写 1 通过内 部的上拉电阻把端口拉到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 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 部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 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 MOVX RI 指令 时 P2 口输出 P2 锁存器的内容 Flash 编程或校验时 P2 亦接收高位地址和一些控制信号 4 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 它 们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口 此时 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 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 P3 口作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如表 3 1 所示 表 3 1 AT89C52 P3 口备选功能 管脚备选功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2 0INT 外部中断 0 P3 3 1INT 外部中断 1 P3 4T0 记时器 0 外部输入 P3 5T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 5 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 6 ALE PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时 ALE 地址锁存 允许 输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节 一般情况下 ALE 仍以时钟振荡 频率的 1 6 输出固定的脉冲信号 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 如有必要 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 该位置位 后 只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 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 禁止位无效 7 PSEN 程序储存允许 PSEN 输出是外部程序存储器的读选通信号 当 AT89C52 由外部程序存储器取指令 或数据 时 每个机器周期两次 PSEN 有效 即输出两个脉冲 在此期间 当访问外部数据存储器 将跳过两次 PSEN 信号 8 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 9 XTAL1 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端 10 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 时钟振荡器 AT89C52 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 反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器 外接石英晶体 或陶瓷谐振器 及电容 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路 1 C 2 C 对外接电容 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 1 C 2 C 荡频率的高低 振荡器工作的稳定性 起振的难易程序及温度稳定性 如果使 用石英晶体 推荐电容使用 而如使用陶瓷谐振器适宜选择pFpF1030 用户也可以采用外部时钟 这种情况下 外部时钟脉冲接到pFpF1040 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 技术条件的要求 3 2 2 A D 转换器选型 图 3 3 ADC0809 内部结构及封装 ADC0809 8 是美国国家半导体公司生产的 CMOS 工艺 8 通道 8 位逐次逼 近式 A D 转换器 其内部有一个 8 通道多路开关 它可以根据地址码锁存译码 后的信号 只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A D 转换 是目前国内应用 最广泛的 8 位通用 A D 芯片 主要特性 1 8 路输入通道 8 位 A D 转换器 即分辨率为 8 位 2 具有转换起停控制端 3 转换时间为 100 时钟为 640时 130 时钟为 500时 s kHzs kHz 4 单个 5V 电源供电 5 模拟输入电压范围 0 5 不需零点和满刻度校准 V 6 工作温度范围为 40 85 摄氏度 7 低功耗 约 15 mW 内部结构 ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A D 转换器 内部结构如图 3 3 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 A D 转换器 逐次逼近寄存器 逻辑控制和定时电路组成 外部特性 引脚如图 3 3 1 ADC0809 芯片有 28 条引脚 采用双列直插式封装 如图 3 3 所示 下 面说明各引脚功能 2 IN0 IN7 8 路模拟量输入端 3 2 1 2 8 8 位数字量输出端 4 ADDA ADDB ADDC 3 位地址输入线 用于选通 8 路模拟输入中 的一路 5 ALE 地址锁存允许信号 输入 高电平有效 6 START A D 转换启动脉冲输入端 输入一个正脉冲 至少 100宽 ns 使其启动 脉冲上升沿使 0809 复位 下降沿启动 A D 转换 7 EOC A D 转换结束信号 输出 当 A D 转换结束时 此端输出一个 高电平 转换期间一直为低电平 8 OE 数据输出允许信号 输入 高电平有效 当 A D 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 9 CLK 时钟脉冲输入端 要求时钟频率不高于 640 kHz 10 REF REF 基准电压 11 VCC 电源 单一 5 V 12 GND 地 ADC0809 的工作过程 ADC0809 芯片可以分时处理 8 路模拟量输入信号 使用模拟开关切换 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 A D 转换 之后 EOC 输出信号变低 指示转换正在进行 直到 A D 转换完 成 EOC 变为高电平 指示 A D 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 表 3 2 所示 C B A 是三条通道的地址线 当地址所存信号 ALE 为高电平时 C B A 三条线上的数据送入 ADC0809 内部的地址锁存器 中 经过译码器译码后选中某一通道 当 ALE 0 时 地址锁存器处于锁存状态 模拟开关始终与刚才选中的输入通道接通 表 3 2 8 路模拟开关与输入通道的关系表 同入通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7 A01010101 B00110011 C00001111 转换数据的传送 A D 转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理 数 据传送的关键问题是如何确认 A D 转换的完成 因为只有确认完成后 才能进 行传送 为此可采用下述三种方式 1 定时传送方式 对于一种 A D 转换其来说 转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的 例如 ADC0809 转换时间为 128 相当于 6的 MCS 51 单片机共 64 个机s MHz 器周期 可据此设计一个延时子程序 A D 转换启动后即调用此子程序 延迟 时间一到 转换肯定已经完成了 接着就可进行数据传送 2 查询方式 A D 转换芯片由表明转换完成的状态信号 例如 ADC0809 的 EOC 端 因 此可以用查询方式 测试 EOC 的状态 即可确认转换是否完成 并接着进行数 据传送 3 中断方式 把表明转换完成的状态信号 EOC 作为中断请求信号 以中断方式进行 数据传送 不管使用上述哪种方式 只要一旦确定转换完成 即可通过指令进行数据 传送 首先送出口地址并以信号有效时 OE 信号即有效 把转换数据送上数据 总线 供单片机接受 ADC0809 的 A D 转换过程是在时钟信号的协调下进行的 ADC0809 的时 钟信号由 CLOCK 端送入 其最佳频率为 640 在这个最高频率下kHz ADC0809 的 A D 转换时间为 100左右 当 ADC0809 用于 AT89C52 单片机s 系统时 若 AT89C52 采用 12的晶振 则 ADC0809 的时钟信号可以由MHz AT89C52 的 ALE 经过一个四分频电路获取 这时 ADC0809 的时钟频率为 500 A D 转换时间为 130 ADC0809 时钟电路由两个 D 触发器构成 如图kHzs 3 4 所示 图 3 4 四分频电路 A D 转换结束后 A D 转换的结果 8 位数字量 送到三态锁存输出缓冲器 此时 A D 转换结果还没有现在 DB0 DB7 八条数字量输出线上 单片机不能获 取之 单片机要想读到 A D 转换结果 必须使 ADC0809 的允许输出控制端 OE 为高电平 打开三态输了锁存器 A D 转换结果出现在 DB0 DB7 上 单片机读取 A D 转换结果的方法有三种 1 延迟法单片机启动 ADC0809 后 延时 130以上 可以读到正确的s A D 转换结果 AT89C52 ADC0809 CLK 2 查询法 EOC 必须接到 AT89C52 的一条 I O 线上 单片机启动 ADC0809 后 延迟 10 检测 EOC 若 EOC 0 则 A D 转换没有结束 继续s 检测 EOC 直到 EOC 1 当 EOC 1 时 A D 转换已经结束 单片机读取 A D 转 换结果 3 中断法 EOC 必须经过非门接到 AT89C52 的中断请求输入线 INT0 或 INT1 上 AT89C52 的中断触发方式为下降沿触发 单片机启动 A D 转换后可 以做其它工作 当 A D 转换结束时 EOC 由 0 1 经过非门传到 INT 端 AT89C52 收到中断请求信号 若 AT89C52 开着中断 则进入中断服务程序 在中断服务程序中单片机读取 A D 转换的结果 3 2 3 看门狗 看门狗电路的应用 使单片机可以在无人状态下实现连续工作 其工作原理 是 看门狗芯片和单片机的一个 I O 引脚相连 该 I O 引脚通过程序控制它定时地 往看门狗的这个引脚上送入高电平 或低电平 这一程序语句是分散地放在单片 机其他控制语句中间的 一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序 段 进入死循环状态时 写看门狗引脚的程序便不能被执行 这个时候 看门狗电路 就会由于得不到单片机送来的信号 便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出 一个复位信号 使单片机发生复位 即程序从程序存储器的起始位置开始执行 这 样便实现了单片机的自动复位 硬件看门狗是利用了一个定时器 来监控主程序的运行 也就是说在主程 序的运行过程中 我们要在定时时间到之前对定时器进行复位如果出现死循环 或者说 PC 指针不能回来 那么定时时间到后就会使单片机复位 常用的 WDT 芯片如 MAX813 5045 IMP 813 等 价格 4 10 元不等 本系统采用 MAXIM 公司的低成本微处理器监控芯片 MAX813L 构成硬件 狗 7 与 AT89C51 的接口电路如图 3 3 所示 MR 与 WDO 经过一个二极管连 接起来 WDI 接单片机的 P2 7 口 RESET 接单片机的复位输入脚 RESET MR 经过一个复位按钮接地 该监控电路的主要功能如下 1 系统正常上电复位 电源上电时 当电源电压超过复位门限电压 4 65 RESET 端输出 200的复位信号 使系统复位 Vms 2 对 5电源进行监视 当 5电源正常时 RESET 为低电平 单片机VV 正常工作 当 5电源电压降至 4 65以下时 RESET 输出高电平 对单片VV 机进行复位 3 看门狗定时器被清零 WDO 维持高电平 当程序跑飞或死机时 CPU 不能在 1 6 内给出 喂狗 信号 WDO 跳变为低电平 由于 MR 端有一个内部s 250的上拉电流 D 导通 MR 获得有效低电平 RESET 端输出复位脉冲 单mA 片机复位 看门狗定时器清零 WDO 又恢复成高电平 4 手动复位 如果需要对系统进行手动复位 只要按下手动复位按钮 就 能对系统进行有效的复位 GND RESET VDOMR VCC VDF Diode SW PB P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 VCC 40 EA 31 ALE 30 PSEN 29 RES 9 XTAL2 18 XTAL1 19 AT89C52 GND 20 VCC 图 3 5 MAX813L 与 AT89C52 接口图 3 2 4 LCD 显示 1 LCD 简介 1602 字符型 LCD 9 通常有 14 条引脚线或 16 条引脚线的 LCD 多出来的 2 条线是背光电源线 VCC 15 脚 和地线 GND 16 脚 其控制原理与 14 脚的 LCD 完全一样 引脚功能如表 3 3 所示 表 3 3 LCD 引脚功能 引脚符号功能说明 1VSS一般接地 2VDD接电源 5V 3 V0 液晶显示器对比度调整端 接正电源时对比度最弱 接地电源 时对比度最高 4 RS RS 为寄存器选择 高电平 1 时选择数据寄存器 低电平 0 时选 择指令寄存器 5 R W R W 为读写信号线 高电平 1 时进行读操作 低电平 0 时进行 写操作 6EE 或 EN 端为使能 enable 端 下降沿使能 8DB0低 4 位三态 双向数据总线 0 位 最低位 9DB1低 4 位三态 双向数据总线 1 位 10DB2低 4 位三态 双向数据总线 2 位 11DB3低 4 位三态 双向数据总线 3 位 12DB4高 4 位三态 双向数据总线 4 位 13DB5高 4 位三态 双向数据总线 5 位 14DB6高 4 位三态 双向数据总线 6 位 15DB7高 4 位三态 双向数据总线 7 位 最高位 也是 busy flag 16BLA背光电源正极 17BLK背光电源负极 表 3 4 寄存器选择控制表 RSR W操作说明 00写入指令寄存器 清除屏等 01读 busy flag DB7 以及读取位址计数器 DB0 DB6 值 10写入数据寄存器 显示各字型等 11从数据寄存器读取数据 busy flag DB7 在此位为被清除为 0 时 LCD 将无法再处理其他的指令 要求 1602 液晶模块内部的字符发生存储器 CGROM 已经存储了 160 个不同 的点阵字符图形 这些字符有 阿拉伯数字 英文字母的大小写 常用的符号 和日文假名等 每一个字符