基于单片机煤矿供电系统的保护毕业设计论文.doc

摘要 I 摘要 单片微型计算机简称单片机 它是把组成微型计算机的各功能部件 中央处理器 CPU 随机存取存储器 RAM 只读存储器 ROM I O 接口电路 定时器 计数器以及 串行通信接口等制作在一块集成芯片中 构成一个完整的微型计算机 单片机主要应 用于控制领域 由于其具有可靠性高 体积小 价格低 易于产品化等特点 因而在 智能仪器仪表 实时工业控制 智能终端 通信设备 导航系统 家用电器等自控领 域获得广泛应用 在煤矿生产中 井下煤矿的供电系统的保护大多采用继电保护装置 随着计算机 技术 微电子技术 信息技术 网络通信技术的不断发展 智能保护系统已经研制成 功 在硬件方面 采用具有强大数据处理能力的 DSP 微处理器 低功耗可编程逻辑芯 片和高集成度的专用芯片 使整个系统的可靠性有很大提高 从而保证了生产质量 本设计采用单片机 AT89C51 对 A D 转换器 D A 转换器进行控制 通过 I O 口 输出的具有时序的方波作为控制信号 进行采集 处理信号 并根据处理结果发出相 应的控制信号并显示报警 关键词 单片机 A D 转换器 D A 转换器 Abstract II Abstract Single chip computer chip referred to It is composed of the microcomputer functional components the central processor the CPU random access memory ROM RAM and read only memory I O interface circuit timer counter and serial communication interface chip in a piece of integration constitute a complete micro computer SCM is mainly applied to control field since it has high reliability small volume low price easy to prod in intelligent instrument industry control real time intelligent terminals communication equipment navigation household appliances automation field widely used In coal mine production in coal mine the power system protection relay protection device is used mostly along with the computer technology microelectronics technology information technology network communication technology unceasing development intelligent protection system has been developed successfully in hardware data processing using powerful ability of DSP microprocessor low power programmable logic chips and high integration of special purpose chip make whole system reliability has greatly improved so as to ensure the quality of production This design USES the monolithic AT89C51 for D converters D A converter I control through the mouth of output is temporal O the torque current as control signal collecting processing and according to the signal processing results issued corresponding control signal and display alarming Keywords MCU A D converters D A converter 目录 目录 摘要摘要 I ABSTRACT II 1 1 绪论绪论 1 1 1 引言 1 1 2 煤矿供电系统保护概述 1 1 3 PROTEL 简介 4 1 3 1 PROTEL 的发展 4 1 3 2 PROTEL99 的组成及主要特色 4 1 3 3 PROTEL 存在的问题 6 1 3 4 PROTEL 99SE 的特点 6 1 4 煤矿供电系统保护框图 7 2 2 控制系统的硬件电路的设计控制系统的硬件电路的设计 9 2 1 方案简介 9 2 2 硬件电路设计 11 2 2 1 单片机简介 11 2 2 2 互感器 18 2 2 3 整流装置 23 2 2 4 有缘滤波器 23 2 2 5 采样保持器 25 2 2 6 A D 转换 26 2 2 7 D A 转换器 28 2 2 8 报警设备 29 2 2 9 液晶显示 31 2 2 10 光电耦合器的功能及简介 32 2 3 部分元件设计 34 2 3 1 时钟电路设计 34 2 3 2 复位电路设计 35 3 3 抗干扰措施抗干扰措施 36 目录 3 1 硬件抗干扰措施 36 3 2 软件抗干扰措施 36 结论结论 38 参考文献参考文献 39 致谢致谢 40 附录附录 41 附录附录 A A 41 附录附录 B B 42 河北工程大学毕业设计说明书 1 1 绪论 1 1 引言 在煤矿生产中 井下煤矿的电气设备和供电系统的保护大多采用继电保护装置 随着计算机技术 微电子技术 信息技术 网络通信技术的不断发展 智能保护系统 已经研制成功 在硬件方面 采用具有强大数据处理能力的 DSP 微处理器 低功耗可 编程逻辑芯片和高集成度的专用芯片 使整个系统的可靠性有很大提高 从而保证了 生产质量 1 2 煤矿供电系统保护概述 由于井下的环境较特殊 电气设备分为矿用一般型电气设备和矿用隔爆型电气设 备 前者不具有防爆性能 适用于没有瓦斯 煤尘爆炸危险的场所 后者具有防爆和 隔爆性能 适用于有瓦斯 煤尘爆炸危险的场所 同时 电气设备按工作电压高低分 为低压电气设备和高压电气设备 井下电气设备大多属一类负荷和二类负荷 工作时 的电流 电压都较大 对其保护是保证可靠性工作的关键 目前 过流保护 漏电保 护和接地保护是井下的三大保护 漏电保护 当电网绝缘电阻小于一定数值时 人触及后会产生触电危险 而且漏电不仅会使 设备进一步损坏 形成短路事故 同时还导致人身触电和漏电火花引爆瓦斯 煤尘的 危险 因此在井下供电系统中必须装设漏电保护装置实现绝缘监视 漏电保护以及补 偿流过人身的电容电流的作用 按其实现保护功能分为无选择性漏电保护和有选择性 漏电保护 有选择性漏电保护 采用零序电流保护原理 零序电流信号由零序电流互感器获得 当未发生漏电时 一次侧三相电流对称 其电流相量和为 0 二次侧无电流输出 当发生漏电时 一次侧 三相电流不对称 其电流相量和不为 0 二次侧有电流输出 其装置与分路开关配合使 用 其优点是减少停电范围 易于查找故障线路 因此被广泛地使用 无选择性漏电保护 采用附加直流电源的保护原理 在包含对地绝缘电阻的检测回路中附加直流电源 监视其直流电流的变化 达到监测绝缘电阻的目的 该装置需与低压自动馈电总开关 配合使用 其缺点是停电范围大 不易判断漏电线路 但结构简单 工作可靠 故仍 在使用 过流保护 电火灾产生的主要原因是电网的过电流 而过电流又是由短路 过载引起的 因 此防止电火灾方法就是防止过流的产生 所以过流保护包括短路保护和过载保护 河北工程大学毕业设计说明书 2 过载保护 过载是指电动机的运行电流或电气设备工作电流大于其额定电流 但超过额定电 流的倍数小些 通常是额定电流的 1 5 倍以内 引起电动机或电气设备过载的原因很 多 如负载突然增加 断相运行以及电网电压降低等 若电动机或电气设备长期过载 运行 其绕组或电气设备的温升超过允许值使绝缘老化 损坏 过载保护的动作时间 与过载电流大小有关 其动作值设定小于短路保护的动作值 动作延时取决于过载程 度 过载程度越大 延时越短 过载程度越小 延时越长 此特性称为反时限特性 延时环节由时间继电器构成 过载时 电流继电器动作 其触点接通时间继电器线圈 经延时后时间继电器触点动作 使执行机构动作 切断主回路电源 同时发出过载信 号 过载保护可由电磁式继电器 电子式继电器和热继电器实现 短路保护 当电器或线路绝缘遭到损坏 负载短路 接线错误时将产生短路现象 短路时产 生的瞬时故障电流可达到额定电流的十几到几十倍 使电气设备或配电线路因过流而 产生电动力损坏 甚至因电弧引起火灾 短路保护的动作时间要短 其动作值设定较 大 在很短的时间内切断电源 电磁式继电器和电子式继电器均可实现短路保护 接地保护 在正常情况下 电气设备的金属外壳及架构不带电 但如果电气设备的绝缘损坏 其金属外壳和架构就要带电 当人触及此电气设备时就会发生触电事故 而且我国规 定触电的安全极限交流电流值为 30mA 因此要通过接地保护限制通过人身的电流使其 在极限电流之内 保护接地的关键是将保护接地装置的接地电阻降低到规定的范围内 就可以使流过人体的电流不超过安全极限电流 达到减少触电危险的目的 欠压过压 对所有的电器设备而言 都有一个额定电压 但在实际中 不能完全保证都在额 定电压下工作 是在额定电压附近的一个范围 一般要求在 15 为了保护电器设备 和工艺质量 如果低于 15 这个电压 就是 欠压 当工作电压下降到这个电压以 下 保护动作 切断电源 相反 如果高于 15 这个电压 就是 过压 保护也动 作切断电源 当然 在不同场合使用的电器 这个电压要求略有不同 但保护原理是 一致的 漏电保护 当被保护线路的相线直接或通过非预期负载对大地接通 而产生近似正弦波形并 且其有效值是缓慢变化的剩余电流 当该电流大于一定数值时 保护器切断 该线路 漏电保护器俗称漏电开关 是用于在电路或电器绝缘受损发生对地短路时防人身 触电和电气火灾的保护电器 一般安装于每户配电箱的插座回路上和全楼总配电箱的 河北工程大学毕业设计说明书 3 电源进线上 后者专用于防电气火灾 其适用范围是交流 50HZ 额定电压 380 伏 额定电流 250 安 低压配电系统中设漏电保护器是防止人身触电事故的有效措施之一 也是防止因 漏电引起电气火灾和电气设备损坏事故的技术措施 但安装漏电保护器后并不等于绝 对安全 运行中仍应以预防为主 并应同时采取其他防止触电和电气设备损坏事故的 技术措施 过载保护 防止主电源线路因过载导致保护器过热损坏而加装的过载保护设备 电气线路中 允许连续通过而不至于使电线过热的电流量 称为安全载流量或安全电流 如导线流 过的电流超过了安全载流量 就叫导线过载 一般导线最高允许工作温度为 65 C 过载时 温度超过该温度 会使绝缘迅速老化甚至于线路燃烧 在机械中 在轴超过所能承受的负载时 过载保护可以防止过载而造成的器械损 坏 发生过载的主要原因 1 有导线截面选择不当 实际负载已超过了导线的安全电流 2 还有 小马拉大车 现象 即在线路中接入了过多的大功率设备 超过了配电 线路的负载能力 在重要的物资仓库 居住场所和公共建筑物中的照明线路 有可能 引起导线或电缆长时间过载的动力线路 以及采用有延烧性护套的绝缘导线敷设在可 燃或难烧建筑构件上时 都应采取过载保护线路 短路保护 短路保护就是保证当发生短路时 或接近于短路电流数值的电流出现时可以可靠 地切断电源 电源的保护功能主要是过压 过流保护两种功能 过流保护与短路保护的的关系 为 任何一种电源在发生故障时 都有可能使输出电压或输出电流失去控制 为了使 用户的负载不致因此而损坏 电源一般都设有过压和过流保护 有些负载如阻性负载 当电源有故障 负载上的电压有可能大幅上升 而电流的上升值不一定能超过过流保 护值 此种情况宜用过压保护 例如工作在 50V 可将电压保护值调至 55V 如果电源 故障只要电压升至 55V 时 电源会自动切断电压输出 当有些负载是容性负载时 由 于大容量的电解电容器并联在一起 当电源发生故障时 电流就可能大幅度上升 而 电压的升值却不甚明显 这时电源内部的过流保护部件会首先启动 电源会自动切断 输出 过压保护值在面板上有一只电位器 可以人工设定 而过流保护值是不能人工设 定的 机内已经定死 一般为额定电流的 1 2 1 5 倍 需要说明的是 过压保护会立 即快速启动 过流保护则有一秒左右的延时 这是因为如果电源正常工作时 如果电 河北工程大学毕业设计说明书 4 源的负载发生突然短路 此时电源输出的瞬间电流是数倍或数十倍的额定电流值 可 以认为是一个电流冲击 远远超过过流保护的数值 但这时并不希望过流保护起作用 而希望短路解除后 电压自动恢复正常 因此在设计过流保护时 要避开突发短路时 的电流冲击 而仅考虑使输出过电流的时长达到一定的值才启动过流保护 过压 过流保护是针对机内故障的 因此既然发生电源就不应自动恢复 如果一 定要再现 必须关机后重新开机 而短路保护 电流报警 短路报警功能是面对用户 的 如果电流已经下降 短路已经排除 相对的报警声就会自动解除 电压就会自动 恢复正常 绝缘监视 对未接地电网络 其中存在包括网络和地之间不可避免的欧姆性和电容性绝缘电 阻的绝缘阻抗 特别是这种带有被连接的整流器或其他转换器的网络 脉冲电压形式 的测量电压被施加到网络和地之间要被监视的网络 一开始 偏置 DC 电压被施加并被 调节至到要被监视的网络所固有的可能 DC 电压被补偿 所述测量电压的电压脉冲被施 加到网络和地之间的所述网络 且所得到的电流或者从其得出的变量被监视直到预定 阶段被达到 例如基本上平稳的值 所述所得到的电流或者从其得出的变量的值在该阶 段被确定 且被用于建立对网络的绝缘阻抗的评估 1 3 Protel 简介 1 3 1Protel 的发展 随着计算机业的发展 从 80 年代中期计算机应用进入各个领域 在这种背景下 87 88 年由美国 ACCEL Technologies Inc 推出了第一个应用于电子线路设计软件包 TANGO 这个软件包开创了电子设计自动化 EDA 的先河 这个软件包现在看来比 较简陋 但在当时给电子线路设计带来了设计方法和方式的革命 人们纷纷开始用计 算机来设计电子线路 直到今天在国内许多科研单位还在使用这个软件包 随着电子业的飞速发展 TANGO 日益显示出其不适应时代发展需要的弱点 为了适 应科学技术的发展 Protel Technology 公司以其强大的研发能力推出了 Protel For Dos 作为 TANGO 的升级版本 从此 Protel 这个名字在业内日益响亮 八十年代末 Windows 系统开始日益流行 许多应用软件也纷纷开始支持 Windows 操作系统 Protel 也不例外 相继推出了 Protel For Windows 1 0 Protel For Windows1 5 等版本 这些版本的可视化功能给用户设计电子线路带来了很大的方便 设计者再也不用记一些繁琐的命令 也让用户体会到资源共享的乐趣 九十年代中 Win95 开始出现 Protel 也紧跟潮流 推出了基于 Win95 的 3 X 版 本 3 X 版本的 Protel 加入了新颖的主从式结构 但在自动布线方面却没有什么出众 的表现 另外由于 3 X 版本的 Protel 是 16 位和 32 位的混合型软件不太稳定 98 年 Protel 公司推出了给人全新感觉的 Protel98 Protel98 以其出众的自动 河北工程大学毕业设计说明书 5 布线能力获得了业内人士的一直好评 99 年 Protel 公司又推出了最新一代的电子线路设计系统 Protel99 在 Protel99 中加入了许多全新的特色 1 3 2 Protel99 的组成及主要特色 Protel99 的组成 原理图设计系统 印刷电路板设计系统 信号模拟仿真系统 可编程逻辑设计系统 Protel99 内置编辑器 原理图设计系统 原理图设计系统是用于原理图设计的 Advanced Schematic 系统 这部分包括用于 设计原理图的原理图编辑器 Sch 以及用于修改 生成零件的零件库编辑器 SchLib 印刷电路板设计系统 印刷电路板设计系统是用于电路板设计的 Advanced PCB 这部分包括用于设计电 路板的电路板编辑器 PCB 以及用于修改 生成零件封装的零件封装编辑器 PCBLib 信号模拟仿真系统 信号模拟仿真系统是用于原理图上进行信号模拟仿真的 SPICE 3f5 系统 可编程逻辑设计系统 可编程逻辑设计系统是基于 CUPL 的集成于原理图设计系统的 PLD 设计系统 Protel99 内置编辑器 这部分包括用于显示 编辑文本的文本编辑器 Text 和用于显示 编辑电子表格的 电子表格编辑器 Spread Protel99 是基于 Win95 Win NT Win98 Win2000 的纯 32 位电路设计制版系统 Protel99 提供了一个集成的设计环境 包括了原理图设计和 PCB 布线工具 集成的设 计文档管理 支持通过网络进行工作组协同设计功能 Protel99 的主要特性如下 1 Protel99 系统针对 Windows NT4 9X 作了纯 32 位代码优化 使得 Protel99 设 计系统运行稳定而且高效 2 SmartTool 智能工具 技术将所有的设计工具集成在单一的设计环境中 3 SmartDoc 智能文档 技术将所有的设计数据文件储存在单一的设计数据库 中 用设计管理器来统一管理 设计数据库以 ddb 为后缀方式 在设计管理器中统一 管理 使用设计管理器统一管理的文档是在 Protel99 中新提出来的 以前版本中没 有 4 SmartTeam 智能工作组 技术能让多个设计者通过网络安全地对同一设计进 行单独设计 再通过工作组管理功能将各个部分集成到设计管理器中 5 PCB 自动布线规则条件的复合选项极大的方便了布线规则的设计 6 用在线规则检查功能支持集成的规则驱动 PCB 布线 7 继承的 PCB 自动布线系统最新的使用了人工智能技术 如人工神经网络 模 河北工程大学毕业设计说明书 6 糊专家系统 模糊理论和模糊神经网络等技术 即使对于很复杂的电路板其布线结果 也能达到专家级的水平 8 对印刷电路板设计时的自动布局采用两种不同的布局方式 即 Cluster Placer 组群式 和基于统计方式 Statistical Placer 在以前版本中只提供了 基于统计方式的布局 9 Protel99 新增加了自动布局规则设计功能 Placement 标签页是在 Protel99 中新增加的 用来设置自动布局规则 10 增强的交互式布局和布线模式 包括 Push and shove 推挤 11 电路板信号完整性规则设计和检查功能可以检测出潜在的阻抗匹配 信号传 播延时和信号过载等问题 Signal Integrity 标签页也是在 Protel99 中新增加的 用 来进行信号完整性的有关规则设计 12 零件封装类生成器的引入改进了零件封装的管理功能 13 广泛的集成向导功能引导设计人员完成复杂的工作 14 原理图到印刷电路板的更新功能加强了 Sch 和 PCB 之间的联系 15 完全支持制版输出和电路板数控加工代码文件生成 16 可以通过 Protel Library Development Center 升级广泛的器件库 17 可以用标准或者用户自定义模板来生成新的原理图文件 18 集成的原理图设计系统收集了超过 60000 元器件 19 通过完整的 SPICE 3f5 仿真系统可以在原理图中直接进行信号仿真 20 可 以选择超过 60 中工业标准计算机电路板布线模板或者用户可以自己生成一个电路 板模板 21 Protel99 开放的文档功能使得用户通过 API 调用方式进行三次开发 22 集成的 Macro 宏编程功能支持使用 Client Basic 编程语言 1 3 3 Protel 存在的问题 虽然 Protel99 很出色 但它也存在一些问题 对于普通用户常见的问题如下 1 在 PCB 设计中无法放置中文 双字节 文字 这个问题 Protel 所有版本都存 在 到 Protel99 中还是没有改进 如果要放置中文文字的话可以向第三方获取 2 系统资源消耗过大 Protel99 由于增加了许多新的功能 所以在运行时将占 据大多数系统资源 其系统占用率远远高于以前的版本 3 原理图和印刷电路板设计系统设计界面的不统一在 Protel99 中还是没有得到 改善 如对齐功能 Align 原理图设计时对齐功能 Align 在 Edit 菜单下 而在 印刷电路板设计时却在 Tools 菜单下 右键菜单也是如此 4 Protel99 中的新的联机帮助功能没有 Protel98 的联机功能好用 5 系统配置要求较高 河北工程大学毕业设计说明书 7 1 3 4 Protel 99SE 的特点 本设计采用的软件为 Protel 99SE Protel 99SE 是 Protel 公司近几年来治理于 Windows 平台开发的拳头产品 它能 实现从电学概念设计到输出物理生产数据 以及这之间的所有分析 验证和设计数据 管理 今天的 Protel 99SE 软件已不是单纯的 PCB 印制电路板 设计工具 而是一个 系统工具 它覆盖了以 PCB 为核心的全部物理设计 Protel 99SE 的功能共分为 5 个模块 即原理图设计 PCB 设计 包含信号完整性 分析 自动布线 原理图混合信号仿真和 PLD 设计 Protel 99SE 采用了 ddb 数据库格式保存文件 所有与同一设计相关的原理 图文件 印制电路板文件及各种报表文件都可以在同一个 ddb 数据库中并存 便 于集体开发和文件的管理 与以前的版本相比 Protel 99SE 的部分最新功能如下 可生成 30 多种格式的电气连接网络表 强大的全局编辑功能 若在原理图中选择一个器件 PCB 中同样的器件也将被选中 可以同时运行原理图编辑器和 PCB 编辑器 在打开的原理图和 PCB 图间允许双 向交叉查找元件 引脚 网络 既可以进行正向注释元器件标号 由原理图到 PCB 也可以进行反向注释 由 PCB 到原理图 以保持电路原理图和 PCB 在设计上的一致性 满足国际化设计要求 包括国际标题栏输出 GB4728 国际库 方便易用的数模混合仿真 兼容 SPICE 支持用 CUPL 语言和原理图设计 PLD 并生成标准的 JED 下载文件 PCB 可设计 32 个信号层 16 个电源 地线层和 16 个机械加工层 强大的 规则驱动 设计环境 符合在线的和批处理的设计规则检查 智能覆铜功能 导线改动时覆铜可以自动重铺 提供大量的工业化标准电路板作为设计模块 支持在 PCB 上放置汉字功能 可以输入和输出 DXF DWG 格式文件 实现和 Auto CAD 等软件的数据交换 智能封转导航 这对于建立复杂的 PGA BGA 封装很有用 方便的打印预览功能 独特的 3D 显示功能可以在制版之前看到装配事物的效果 强大的 CAM 处理功能 可以让用户轻松实现输出光绘文件 材料清单 钻孔 文件 贴片机文件 测试点报告等材料 经过允许验证的传输线特性和仿真精确计算的算法 信号完整性分析可以直接 河北工程大学毕业设计说明书 8 从 PCB 启动 反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合 专家导航功能可以帮用户解决信号完整性问题 1 4 煤矿供电系统保护框图 图 1 1 煤矿供电系统保护框图 河北工程大学毕业设计说明书 9 2 控制系统的硬件电路的设计 2 1 方案简介 本设计是通过对采集来的电压数据信号经 A D 转换后在单片机内与设定的初始值 进行比较处理 把处理完的结果用液晶显示屏显示出来 并且根据结果发出相应的控 制信号 本设计数据的采集主要是通过互感器 互感器采集的来的数据经过整流和滤 波后暂放在采样保持器中 单片机通过 P0 口发出脉冲信号是 A D 转换器开始转换数据 待数据转换后单片机进行处理 把处理结果显示出来并通过 D A 转换后发出信号做出 相应的动作 本设计主要实现以下几大保护 绝缘监视 漏电保护 欠压过压 过载 短路 绝缘监视绝缘监视 通过给定一个直流电源 在接地线和监视线之间形成一个回路 通过 检测检测元件两端电压的大小 来判断高压屏蔽双绞线内绝缘是否完好无损 所检测 电压经过光电隔离和有源滤波后进行数据比较处理 如图 2 1 图 2 1 绝缘监视检测电路图 漏电保护漏电保护 当电网绝缘电阻小于一定数值时 人触及后会产生触电危险 而且漏 河北工程大学毕业设计说明书 10 电不仅会使设备进一步损坏 形成短路事故 同时还导致人身触电和漏电火花引爆瓦 斯 煤尘的危险 因此在井下供电系统中必须装设漏电保护装置实现绝缘监视 漏电 保护以及补偿流过人身的电容电流的作用 按其实现保护功能分为无选择性漏电保护 和有选择性漏电保护 原理和绝缘监视基本相同 同样也是给定一个直流电源 形成一回路 通过检测 检测元件两端电压的大小 来判断该煤矿供电系统是否漏电 此检测是放在首位的 若有漏电则线圈跳闸 后面的一些检测不再进行 所检测的电压数据同样经过有源滤 波 采样保持器后 进行 A D 转换 然后进入单片机进行数据比较处理 如图 2 2 图 2 2 漏电保护检测电路图 欠压过压 欠压过压 绝缘监视和漏电保护都是通过附加直流电源构成回路进行采集电压数 据 欠压过压则通过电压互感器对三相电压进行采集 相对前两个检测要相对麻烦一 点 采集后的数据因为是交流 所以必须经过整流后才能进行处理 整 流后的数据也要进行滤波 滤除掉一些谐波和一些干扰信号 以保证检测的准确性 如图 2 3 河北工程大学毕业设计说明书 11 图 2 3 欠压过压检测电路图 过载短路 过载短路 过载短路的保护设计则和漏电保护相似 该保护通过电流互感器进行 采集信号数据 同样也要经过整流后才能进行数据处理 如图 2 4 图 2 4 过载短路检测电路图 2 2 硬件电路设计 2 2 1 单片机简介 河北工程大学毕业设计说明书 12 近十几年来 单片机在生产过程控制 自动检测 数据采集与处理 科技计算 商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用 单片机具有体积小 重量轻 耗 能省 价格低 可靠性高和通用灵活等优点 因此也广泛应用于卫星定局 汽车火花 控制 交通自动管理和微波炉等专用控制上 近几年来 单片机的发展更为迅速 它 已渗透到诸多学科的领域 以及人们生活的各个方面 单片机不求规模大 只求小而全 厂家在一个芯片上制成了 CPU 和一定容量的程 序存储器和数据存储器以及一定数量的输入 输出接口 在一个大规模集成电路芯片上 构造了完整的计算机结构 故称之为单片机 MCS 51 系列中的一片 8751 芯片 内部构造了完整的计算机硬件系统 从 CPU 存 储器到输入输出端口 一应俱全 只要写入程序 就可完成中央控制或数据采集 处 理及通信传输的信息处理 MCS 51 单片机指令系统中为适应控制的需要设有极强的位 处理功能 具有加 减 乘 除指令 CPU 时钟高达 12MHz 完成单字节乘法或除法运 算仅需要 4Ns 具有多机通信功能 可作为多机系统中的一个子系统 近年来 在国际上出现了 Mechanics 和 electronics 复合成 Mechtronics 这个新 词 我国译为 机电一体化 这种机械和电子技术 信息技术紧密结合的新的学科领 域是先进制造技术研究和普及的结果 机电一体化产品要实现电器控制的实时性 高 可靠性 可编程和一定的人工智能 同时追求体积小 价格低 甚至低功耗等 正是 针对上述种种要求而设计的单片机自然成为机电一体化控制器的最佳选择 单片机是早期 Single Chip Microcomputer 的直译 它反映了早期单片机的形态 和本质 然后 按照面向对象 突出控制功能 在片内集成了许多外围电路及外设接 口 突破了传统意义上的计算机结构 发展成 microcontroller 的体系结构 目前国 外已普遍称之为微控制器 MCU Microcontroller Unit 鉴于它完全作嵌入应用 故 又称为嵌入式微控制器 Embedded Microcontrolle 大多数单片机采用哈佛 Harvard 结构体系 即数据存储空间与程序存储空间相互独立的结构体系 它不同 于一般通用计算机系统结构 即程序和数据共用一个空间的冯 诺伊曼 Von Neumann 结构 河北工程大学毕业设计说明书 13 本设计采用单片机型号为 AT89C51 图 2 5 单片机结构图 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS 8 位微处理 器 俗称单片机 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集 河北工程大学毕业设计说明书 14 图 2 6 单片机引脚图 和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 AT89C2051 是它的一种精简版本 AT89C51 单片机为 很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 外形及引脚排列如图 2 6 所 示 主要特性 与 MCS 51 兼容 4K 字节可编程闪烁存器 寿命 1000 写 擦循环 数据保留时间 10 年 全静态工作 0Hz 24MHz 三级程序存储器锁定 128 8 位内部 RAM 32 可编程 I O 线 两个 16 位定时器 计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 管脚说明 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口 河北工程大学毕业设计说明书 15 的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据存储器 它可以 被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原码输入口 当 FIASH 进 行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下拉为 低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作 为第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作为输入 并 因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时 P2 口输出地址 的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地址数据存储器 进行读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高 八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电 流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于 外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下表所示 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 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 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位 字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频率周 期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用作对外部输出的脉冲或用 于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指 河北工程大学毕业设计说明书 16 令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁 止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个机器周 期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不 管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保 持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程 电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 振荡器特性 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可以配置为片内振 荡器 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 如采用外部时钟源驱动器件 XTAL2 应不接 有 余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器 因此对外部时钟信号的脉宽无任何 要求 但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 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 除此之外 考虑到测控会用于工业生产当中 可靠性要求比较重要 并要具有抗 干扰能力和避免 消除干扰的能力 以保证系统平稳工作 由以上大致分析 整个 系统控制将由 AT89C51 单片机为核心构成 并由软件和硬件共同来保证系统抗干扰的 能力 SBUF 数据缓冲寄存器这是一个可以直接寻址的串行口专用寄存器 有朋友这样问 起过 为何在串行口收发中 都只是使用到同一个寄存器 SBUF 而不是收发各用一个 寄存器 实际上 SBUF 包含了两个独立的寄存器 一个是发送寄存 另一个是接收寄 存器 但它们都共同使用同一个寻址地址 99H CPU 在读 SBUF 时会指到接收寄存器 在写时会指到发送寄存器 而且接收寄存器是双缓冲寄存器 这样可以避免接收中断 没有及时的被响应 数据没有被取走 下一帧数据已到来 而造成的数据重叠问题 发送器则不需要用到双缓冲 一般情况下我们在写发送程序时也不必用到发送中断去 外理发送数据 操作 SBUF 寄存器的方法则很简单 只要把这个 99H 地址用关键字 sfr 河北工程大学毕业设计说明书 17 定义为一个变量就可以对其进行读写操作了 如 sfr SBUF 0 x99 当然你也可以用其 它的名称 通常在标准的 reg51 h 或 at89x51 h 等头文件中已对其做了定义 只要用 include 引用就可以了 SCON 串行口控制寄存器通常在芯片或设备中为了监视或控制接口状态 都会引用 到接口控制寄存器 SCON 就是 51 芯片的串行口控制寄存器 它的寻址地址是 98H 是一个可以位寻址的寄存器 作用就是监视和控制 51 芯片串行口的工作状态 51 芯 片的串口可以工作在几个不同的工作模式下 其工作模式的设置就是使用 SCON 寄存器 它的各个位的具体定义如下 SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI SM0 SM1 为串行口工作模式设置位 这样两位可以对应进行四种模式的设置 串 行口工作模式设置 SM0 SM1 模式 功能 波特率 0 0 0 同步移位寄存器 fosc 12 0 1 1 8 位 UART 可变 1 0 2 9 位 UART fosc 32 或 fosc 64 1 1 3 9 位 UART 可变 在这里只说明最常用的模式 1 其它的模式也就一一略过 有兴趣的朋友可以找相 关的硬件资料查看 表中的 fosc 代表振荡器的频率 也就是晶振的频率 UART 为 Universal Asynchronous Receiver 的英文缩写 SM2 在模式 2 模式 3 中为多处理机通信使能位 在模式 0 中要求该位为 0 REM 为允许接收位 REM 置 1 时串口允许接收 置 0 时禁止接收 REM 是由软件 置位或清零 如果在一个电路中接收和发送引脚 P3 0 P3 1 都和上位机相连 在软件 上有串口中断处理程序 当要求在处理某个子程序时不允许串口被上位机来的控制字 符产生中断 那么可以在这个子程序的开始处加入 REM 0 来禁止接收 在子程序结束 处加入 REM 1 再次打开串口接收 大家也可以用上面的实际源码加入 REM 0 来进行实 验 TB8 发送数据位 8 在模式 2 和 3 是要发送的第 9 位 该位可以用软件根据需要 置位或清除 通常这位在通信协议中做奇偶位 在多处理机通信中这一位则用于表示 是地址帧还是数据帧 RB8 接收数据位 8 在模式 2 和 3 是已接收数据的第 9 位 该位可能是奇偶位 地址 数据标识位 在模式 0 中 RB8 为保留位没有被使用 在模式 1 中 当 SM2 0 RB8 是已接收数据的停止位 TI 发送中断标识位 在模式 0 发送完第 8 位数据时 由硬件置位 其它模式中 则是在发送停止位之初 由硬件置位 TI 置位后 申请中断 CPU 响应中断后 发送 河北工程大学毕业设计说明书 18 下一帧数据 在任何模式下 TI 都必须由软件来清除 也就是说在数据写入到 SBUF 后 硬件发送数据 中断响应 如中断打开 这时 TI 1 表明发送已完成 TI 不会 由硬件清除 所以这时必须用软件对其清零 RI 接收中断标识位 在模式 0 接收第 8 位结束时 由硬件置位 其它模式中则 是在接收停止位的半中间 由硬件置位 RI 1 申请中断 要求 CPU 取走数据 但在 模式 1 中 SM2 1 时 当未收到有效的停止位 则不会对 RI 置位 同样 RI 也必须要 靠软件清除 常用的串口模式 1 是传输 10 个位的 1 位起始位为 0 8 位数据位 低 位在先 1 位停止位为 1 它的波特率是可变的 其速率是取决于定时器 1 或定时器 2 的定时值 溢出速率 AT89C51 和 AT89C2051 等 51 系列芯片只有两个定时器 定时 器 0 和定时器 1 而定时器 2 是 89C52 系列芯片才有的 波特率在使用串口做通讯时 一个很重要的参数就是波特率 只有上下位机的波 特率一样时才可以进行正常通讯 波特率是指串行端口每秒内可以传输的波特位数 有一些初学的朋友认为波特率是指每秒传输的字节数 如标准 9600 会被误认为每秒种 可以传送 9600 个字节 而实际上它是指每秒可以传送 9600 个二进位 而一个字节要 8 个二进位 如用串口模式 1 来传输那么加上起始位和停止位 每个数据字节就要占 用 10 个二进位 9600 波特率用模式 1 传输时 每秒传输的字节数是 9600 10 960 字节 51 芯片的串口工作模式 0 的波特率是固定的 为 fosc 12 以一个 12M 的晶振 来计算 那么它的波特率可以达到 1M 模式 2 的波特率是固定在 fosc 64 或 fosc 32 具体用那一种就取决于 PCON 寄存器中的 SMOD 位 如 SMOD 为 0 波特率为 focs 64 SMOD 为 1 波特率为 focs 32 模式 1 和模式 3 的波特率是可变的 取决于 定时器 1 或 2 52 芯片 的溢出速率 那么我们怎么去计算这两个模 式的波特率设置时相关的寄存器的值呢 可以用以下的公式去计算 波特率 2SMOD 32 定时器 1 溢出速率 上式中如设置了 PCON 寄存器中的 SMOD 位为 1 时就可以把波特率提升 2 倍 通 常会使用定时器 1 工作在定时器工作模式 2 下 这时定时值中的 TL1 做为计数 TH1 做为自动重装值 这个定时模式下 定时器溢出后 TH1 的值会自动装载到 TL1 再 次开始计数 这样可以不用软件去干预 使得定时更准确 在这个定时模式 2 下定时 器 1 溢出速率的计算公式如下 溢出速率 计数速率 256 TH1 上式中的 计数速率 与所使用的晶体振荡器频率有关 在 51 芯片中定时器启动 后会在每一个机器周期使定时寄存器 TH 的值增加一 一个机器周期等于十二个振荡周 期 所以可以得知 51 芯片的计数速率为晶体振荡器频率的 1 12 一个 12M 的晶振用 在 51 芯片上 那么 51 的计数速率就为 1M 通常用 11 0592M 晶体是为了得到标准的 无误差的波特率 那么为何呢 计算一下就知道了 如我们要得到 9600 的波特率 晶 河北工程大学毕业设计说明书 19 振为 11 0592M 和 12M 定时器 1 为模式 2 SMOD 设为 1 分别看看那所要求的 TH1 为何值 代入公式 11 0592M 9600 2 32 11 0592M 12 256 TH1 TH1 250 12M 9600 2 32 12M 12 256 TH1 TH1 249 49 上面的计算可以看出使用 12M 晶体的时候计算出来的 TH1 不为整数 而 TH1 的值只能 取整数 这样它就会有一定的误差存在不能产生精确的 9600 波特率 当然一定的误差 是可以