智能交流有功功率仪表设计.doc

毕 业 设 计 论 文题目： 智能交流有功功率 仪表设计系 别：电气与电子工程系专 业：电气工程及其自动化姓 名： 李 茂 胜学 号： 121406129指导教师： 陈 英河南城建学院2010年 5月 22日河南城建学院 毕业设计（论文）任 务 书题 目智能交流有功功率仪表设计系 别电气与电子工程专业电气工程及其自动化班级学号学生姓名指导教师发放日期河南城建学院教务处制河南城建学院本科毕业设计（论文）任务书一、主要任务与目标：1.本次设计主要任务： 设计一个单片机控制的有功功率仪表。2.本次设计拟达到以下主要目标：（1）培养学生严谨治学的作风和求真务实的科学态度；（2）培养学生分析问题，灵活应用所学知识解决问题的能力；（3）培养学生通过利用各种渠道获取自己所需知识信息的能力；（4）培养学生工作方案的论证、分析、执行的能力；（5）培养学生利用资料进行系统设计的能力；（6）培养学生利用计算机进行大量数据计算得出可用结果的能力；（7）培养学生利用各种绘图软件绘制工程图纸的能力；（8）培养学生的实验研究和数据处理能力；（9）提高科技论文写作方面的能力；二、主要内容与基本要求：本次设计主要内容：1、用单片机为核心设计一个测试仪表，可对三相电源的有功功率进行测量；2、用多个数码管显示测量结果；3、可键盘设定测量范围； 4、自行扩展功能，使之更加完善。 本设计基本要求：1.努力学习、勤于实践、勇于创新，保质保量的完成毕业设计任务书规定的任务。2.遵守纪律，保证出勤，因事、因病不能坚持正常设计，应事先向指导教师请假，否则作为旷课处理。无论任何原因，不参加时间达到1/5者，取消答辩资格，成绩按不及格处理。3.独立完成规定的设计任务，不弄虚作假，不抄袭和拷贝别人的工作内容,否则毕业设计成绩按不及格处理。4.毕业设计说明书必须符合学院有关规范要求，否则不能取得参加答辩的资格。5.每天认真书写毕业设计日志，日志主要记载学生在毕业设计过程中所涉及的学术问题，指导教师定时检查，并给予指导评定。6.在实验室进行实验时，要爱护仪器设备，节约材料，严格遵守操作规程及实验室有关制度。三、计划进度：1.毕业设计起止时间 第5周第12周 2.毕业设计进度安排 第5周 ：毕业设计正式开始 ； 学生导师见面 ； 确定毕业设计小组中每个学生的具体研究任务；借阅有关学术资料；其他准备工作。 第 6周: 对相关知识信息进行收集整理研究，初步确定设计方案第 7 周 第10周：完成具体设计任务。第11周：打印论文图纸，按照要求装订论文 ；撰写答辨提纲,进行预答辩。第12周：毕业设计答辩。四、主要参考文献：1.CNKI数据库、维普、万方等信息库的相关文献；2.单片机丛书；3.Protel丛书；4.模拟电子技术和数字电子技术丛书。5.常用电子元件手册、集成电路手册。指导教师（签名）： 年 月 日教研室审核意见： （建议就任务书的规范性；任务书的主要内容和基本要求的明确具体性；任务书计划进度的合理性；提供的参考文献数量；是否同意下达任务书等方面进行审核。） 教研室主任签名： 年 月 日注：任务书必须由指导教师和学生互相交流后，由指导老师下达并交教研室主任审核后发给学生，最后同学生毕业论文等其它材料一起存档。成绩评定成绩评定说明一、答辩前每个学生都要将自己的毕业设计（论文）在指定的时间内交给指导，教师，由指导教师审阅，写出评语并预评分。二、答辩工作结束后，答辩小组应举行专门会议按学校统一的评分标准和评分办法，在参考指导教师预评结果的基础上，评定每个学生的成绩。系对专业答辩小组提出的优秀和不及格的毕业设计（论文），要组织系级答辩,最终确定成绩，并向学生公布。三、各专业学生的最后成绩应符合正态分布规律。四、具体评分标准和办法见平顶山工学院毕业设计（论文）工作条例中附录2。五、答辩小组评分包括两部分：（1）学生答辩情况的得分和评阅教师评分；（2）指导教师对学生毕业设计（论文）的评分毕业设计（论文）成绩评定班级 姓名 学号综合成绩： 分（折合等级 ）答辩小组组长签字 年 月 日答辩小组评定意见一、评语（根据学生答辩情况及其论文质量综合评定）。二、评分（按下表要求评定）评分项目答 辩 小 组 评 分评 阅 教 师 评 分合计（40分）完成任务情 况（5分）毕业设计（论文）质量（5分）表达情况（5分）回答问题情 况（5分）质 量（正确性、条理性、创造性、实用性）（10分）成果的技术水平（科学性、系统性）（10分）答辩小组成员签字 年 月 日 毕业答辩说明1、答辩前，答辩小组成员应详细审阅每个答辩学生的毕业设计（论文），为答辩做好准备，并根据毕业设计（论文）质量标准给出实际得分。2、严肃认真组织答辩，公平、公正地给出答辩成绩。3、指导教师应参加所指导学生的答辩，但在评定其成绩时宜回避。4、答辩中要有专人作好答辩记录。指导教师评定意见一、对毕业设计（论文）的学术评语（应具体、准确、实事求是）： 签字： 年 月 日二、对毕业设计（论文）评分按下表要求综合评定。（1）理工科评分表评分项目（分值）工作态度与 纪 律（10分）毕业设计（论文）完成任务情况与水平（工作量与质量）（20分）独 立工作能力（10分）基础理论和基本技能（10分）创 新能 力（10分）合 计（60分）得分（2）文科评分表评分项目（分值）文献阅读与文献综述（10分）外文翻译（10分）论文撰写质量（10分）学习态度（10分）学术水平（20）论证能力与创新（40分） 合 计（100分）得分 指导教师签字： 年 月 日摘要- 1 -Abstract- 2 -第一章 绪论- 1 -1.1国内外研究综述- 1 -1.2选题的目的意义- 2 -1.3设计的工作- 3 -第二章 硬件的设计与实现- 4 -2.1 硬件框图介绍- 4 -2.2 信号调理模块- 5 -2.2.1电压调理原理- 5 -2.2.2电流调理原理- 6 -2.2.3原理图中继电器T1作用- 6 -2.2.4信号保持器- 6 -2.3信号频率倍频处理部分- 6 -2.3.1过零检测电路- 6 -2.3.1 锁相倍频电路- 7 -2.3.3脉冲信号- 7 -2.4 A/D转换器模块- 8 -2.5单片机处理模块- 10 -2.5.1结构及功能介绍- 10 -2.5.2引脚功能说明- 11 -2.5.3 控制信号引脚- 14 -2.5.4 时钟电路及复位电路- 14 -2.5.5 单片机时序- 15 -2.5.6 寄存器74L373介绍- 16 -2.6 键盘显示模块- 17 -2.6.1键盘显示接口芯片8279引脚功能介绍- 17 -2.6.2键盘显示接口芯片8279的组成- 17 -2.6.3键盘显示接口芯片8279与80C51的接线方法- 18 -2.6.4接口电路工作过程- 18 -2.6.5 LED数码显示器的结构- 18 -第三章 软件及计算部分设计- 20 -3.1有效值测量- 20 -3.2 软件设计- 22 -3.3各被测量量的测量- 22 -第四章 结论和展望- 25 -致 谢- 26 -参考文献- 27 -系统硬件图- 28 -附录 程序清单- 29 -摘要有功功率仪表的设计原理如下：用调理电路处理工频信号，测得一相电压和电流，测得电压和电流的相位差，通过求得有功功率=I*U*cos求得有功功率。用一相有功功率求得三相有功功率。由于电源和负载都对称，因此可以求得其它两相功率，有功功率的计算需要用单片机软件程序来实现。设计采取的方法是：电信号传送给A/D转换器ADC0809，经A/D转换以后成为数字信号，然后传送给80C51单片机，经过单片机的计算处理以后，在LED上显示有功功率。其中，采样控制信号由集成锁相环CD4046对被测信号进行64倍频产生；数据处理以单片机AT80C51为核心，对采集信号进行精确控制和严格计算；显示部分由键盘显示器8279和LED构成。关键词：有功功率仪表 交流 锁相环AbstractWP-LEPQs design philosophy：Use the circuit to conduct the power frequency signal, use phase lock circuit to measure the voltage and currents phase difference, the calculation formula of active power is P=I*U*cos. Use the single phase active power to measure the three-phase active power.As the source and load is symmetrical, we can seek for the active power of the other phases. The MCU software can realize the calculation formula of active powers .The method taken by this design is：electrical signal is transmited to ADC0809，changed to digital signal， then transmited to 80C51 MCU，measured by MCU and the active power is showed on the LED。The measuring range is controlled by the keyboard.Data processing AT89C52 single-chip microcomputer as the core of the signal sampling precision strict control and calculation; show 8279 in part by the keyboard and LED display pose.Keyword：WP-LEPQ AC phaselocked loop第一章 绪论1.1国内外研究综述从国内有功功率仪表的发展状况来看，有功功率仪表设计品种较少，价格昂贵。仅有部分厂家生产有功功率仪表，例如：上润仪表生产的智能三相交流有功、无功功率仪表，是采用先进的微处理器进行智能控制，对同时输入的三相交流电压与电流信号进行精确测量，经过单片机自动计算出三相交流有功功率值，无功功率值，由高亮度LED数码管或高分辨率光柱进行清晰直观的显示。WP-LEMQC1 采用先进的微处理器进行智能控制，对同时输入的单相交流电压与电流信号进行精确测量，经过CPU自动计算出单相交流有功功率值，无功功率值。上屏显示有功功率、下屏显示无功功率，并可选择串行通讯功能。WPLE系列单相交流无功功率仪表: 采用先进的微处理器进行智能控制，对同时输入的单相交流电压与电流信号进行精确测量。经过单片机自动计算出单相交流有功/无功功率,由高亮度LED管或高分辨率光柱进行清晰直观的显示，并可选择串行通讯功能。AOB19系列数显功率表为新一代可编程智能表，主要用于对单相或三相用电线路中的有功功率、无功功率进行实时测量与指示，并通过RS485接口或模拟量变送输出接口对被测功率数据进行远传。其中无功功率采用数字移相真无功测量方式，具有测量精度高、稳定性好、长期工作免调校、可通过面板按键现场设置参数等特点，是原指针式功率表或普通数字式功率表的理想换代产品。采用高精度的电能计量专用集成电路和高性能单片微处理器，应用数字信号处理技术及SMT工艺以模块化方式进行设计，备有开关量输出（上下限报警）模块、模拟量变送输出模块、RS485 数字通讯模块供用户任意选择，各模块均采用插拔方式设计，用户可根据需要对仪表的各功能模块随意进行组合与增减。通过仪表键盘可非常方便地实现对仪表的互感器倍率、上下限报警值（或范围）及报警切换差、通讯地址及通讯波特率、变送输出方式及变送出范围、数字滤波系数等参数的设置。仪表内部取消了调校电位器，采用软件调校方式进行生产，模块化和通用化的设计方式大幅降低了仪表的生产成本，使本仪表具有极高的性价比。1.2选题的目的意义伴随着国家电网事业的迅速发展，电力在国民经济中所起到的作用也日渐突出。其中在电网调度 、电厂管理 、冶金和化工生产的过程控制以及油田开发等领域中 ，常常需要同步监测有功功率。故而，有功功率仪表在电力事业的发展中也起着不可忽视的作用。国际上，有功功率仪表的发展经历了真空管、晶体管和集成电路三个时代；从组成结构、工作原理和功能特点等方面考察，有功功率仪表的发展经历了模拟式、数字式和智能化三个发展阶段。智能有功功率仪表是在数字化的基础上发展起来的，是计算机技术与仪器仪表相结合的产物。在我国，则紧跟国际步伐，把如何结合目前智能有功功率仪表的工业应用经验并快速跟踪国际智能前沿技术应用于我国智能仪表的开发研究成为振兴民族智能仪器仪表的一大突出问题。在当今经济社会，不管国内还是国际上，都把如何研究有功功率经济分配做为一个重大课题。当然，有功率和无功功率是密不可分的，对有功功率的研究必将涉及到无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率。比如：5.5千瓦的电动机就是把5.5千瓦的电能转换为机械能，带动水泵抽水或脱粒机脱粒；各种照明设备将电能转换为光能，供人们生活和工作照明。无功功率是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。配电网中的电感性电气设备如变压器、电动机、电焊机、空调器、洗衣机、电冰箱、钠灯、日光灯等投入运行后，不仅要从电力网中吸收有功功率用于做功，而且还要吸收无功功率建立磁场，这样就导致电力客户的自然功率因数一般都比较低。我国对电力客户的用电，规定了必须达到的功率因数标准。所以，提高功率因数也成为国内外研究有功功率的一项重大课题。综上，在国内外，对有功功率仪表的研究必将趋向精确度、灵敏度、准确度以及智能化。电网中，由电源供给负载的电功率有两种：一种是有功功率，另一种是无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率。比如：5.5kW的电动机就是把5.5kW的电力转换为机械能，带动水泵抽水或脱粒机脱粒；各种照明设备将电能转换为光能，供人们生活和工作照明。无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。比如40W的日光灯，除需40W有功功率(镇流器也需消耗一部分有功功率)来发光外，还需80var左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它对外不做功，才被称之为无功。有功功率是反映电网安全运行状况的一个基本状态变量，许多电网的控制都要求快速而精确的测量有功功率，特别是电网受到扰动时。因此高精度、高速度智能有功功率仪表的设计势在必行。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量（如，机械能、光能、热能)的电功率。1.3设计的工作在以单片机为核心控制的智能交流有功功率仪表设计中，单片机的主要作用是：控制A/D转换将外部调理电路采集到的模拟信号转换成数字信号, 采用微处理器进行智能控制，对同时输入的三相交流电压与电流信号进行精确测量，经过CPU自动计算出三相交流有功功率值，由高亮度LED数码管或高分辨率光柱进行清晰直观的显示，并且可选择串行通讯功能。随着科学技术的发展，智能有功功功率仪表势必取代传统仪表。以单片机为核心设计一仪表，可对三相交流有功功率仪表进行测量，并能通过键盘接口电路来控制其测量范围。第一，由于模/数转换器ADC0809输入电压范围要求为05V，所以需要设计一调理电路，对输入的大电压电流信号进行调理，转变成合适的输入信号。第二，有功功率的计算主要由软件部分来实现，故需要设计软件来计算。第三，显示部分和单片机数据的交换由键盘接口芯片实现，需设计对键盘接口进行设计。第四，需设计单片机扩展功能。第二章 硬件的设计与实现2.1 硬件框图介绍采用CS-51系列中的80C51单片机来实现计算和控制功能。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程来实现各种算法和逻辑控制。单片机系统可用数码管显示测量值。对输入的电压、电流信号可提前处理变成合适的电信号。在测量工频交流电压、电流信号时，利用锁相环对信号倍频，所得脉冲控制80C51对电压、电流信号的相位测量。另外测量功率时，采用双路保持器对信号采样保持，做到电压、电流的信号的同时采集，因此，采用单片机系统使整体结构简洁。电流信号ADC08098279键盘接口芯片电信号信号调理电路保持器电压信号保持器80C51单机过零检测电路锁相环倍频电路显示器图2-1硬件总体框图本系统以单片机80C51为核心，包括：信号调理模块，A/D转换模块，单片机计算处理模块，显示模块。信号处理模块的作用是：把工频电信号转变成适合测量的电压、电流信号 ；保持器的作用是暂存电压、电流信号；A/D转换器的作用是，实现数/模转换；锁相倍频电路的作用是：测量电压电流相位差；单片机模块则实现有功功率的计算；键盘接口芯片实现数据交换，以及显示器，最终结果在LED上显示。2.2 信号调理模块信号调理分为电流调理和电压信号调理两部分，原理图如图2-2。 测量仪连同两个电流式互感器可将输入的电压、电流信号转为小的电压、电流流信号，OP07和一个电阻实现电流/电压转换。选用的OP07是一种低噪声高精度运放， 3V 22V宽电压供电，且失调电压小。2-2 前端信号调理及关断继电器示意图2.2.1电压调理原理大电压信号通过互感器SPT204B转为小电压，经实验该互感器在10KHz以下无明显衰减，不会对电信号50次内谐波成分有影响。互感器原边跨接2个150K的电阻，副边上通过OP07负输入和输出端之间的电阻R1将电流信号转化为电压信号。考虑到ADC0809输入电压范围为05V，R1取100，便可实现0500v宽范围测量，互感器原、副边电流范围为050 mA。 增加C1是为了对互感器产生的相位变化进行补偿， R3和C2可滤除15KHz以上的信号。低通滤波截止频率 = =15.9K 2.2.2电流调理原理系统设计中，020A电流经20A/20mA互感器SCT220B缩小，R2进行I/V转化，R2取7.5，ADC0809电流测量差模输入电压为05V，小电流一路接LM311组成的过压比较器，当电流超过小档位上限时，单片机中断迅速切换档位。电路中C4是为了对互感器产生的相位变化进行补偿， R5和C3可滤除15KHz以上的信号。低通滤波截止频率 = =15.9K 2.2.3原理图中继电器T1作用为关断电路供电的继电器，由P2.6端口控制，实现预购电量不足或过压、过流时切断电路。T1为中间继电器驱动大继电器模式，原理图中只为示意。在电路电压正常时过电压衔铁释放，一旦电路电压升高到额定电压的110%115%以上时，衔铁吸合，或者电路电压降到5%25%以下时衔铁释放，释放中断信号。2.2.4信号保持器由于测量功率时要对电压、电流信号进行同时测量，可采用保持器LF398对两种信号分别进行保持，用单片机P1.4口对保持器LF398进行控制。进行测量时，单片机先对电压信号进行转换，而同时电流信号被送到保持器进行保持，等待电压信号处理完毕。这种方案对可以对电压、电流信号进行同时测量，并且减少系统带来的误差。2.3信号频率倍频处理部分2.3.1过零检测电路过零检测电路原理图如图2所示。电路中采用宇波CHV-25P霍尔电压传感器，此霍尔电压传感器的额定电流为10mA，原边与副边匝数比为2500：1000，所以在将A相电网电压接入霍尔电压传感器前，需要通过一个限流电阻进行限流，以免电流过大将霍尔电压传感器烧坏，它的M端为副边电流输出端，需要加一支采样电阻，将电阻上的压降引入一个由运算放大器CA3140及四个电阻组成的滞回比较器，然后在其输出端通过一个由两个二极管组成的钳位电路之后，将高低电平锁定为5V和0V，然后再进入一个与非门CD4093，对输出信号进行整形，将信号变成高电平为5V，低电平为0V的标准的方波，然后此方波会作为锁相倍频电路的输入信号。图2-3过零检测电路2.3.1 锁相倍频电路为了保证信号采样的精度，要对信号进行等时间间隔采样。其间隔就是采样周期。从理论和理想情况来看，若认为信号频率是固定不变的，则采样周期也固定不变，但实际系统中，信号频率经常会发生变动，假设信号频率减少时，若仍以原频率时的理论采样间隔对信号采样，会造成信号的一个周期中前一个段是以理论间隔采样，造成一部分信号没有被采样，当信号频率增大是，会引起采样失真。在实际中，必须保持采样间隔随信号频率的波动而发生相位的变化，即把一个周期等时间间隔采样变为等相位采样。锁相环路(Phase Lock Loop，PLL)是一种自动相位控制(APC)系统，是现代电子系统中应用广泛的一个基本部件。它的基本作用是在环路中产生一个振荡信号(有时也称本地振荡)，这个信号的频率受控制电压的作用。当环路锁定时，振荡信号的输出频率与输入信号的频率完全相等，两个信号的相位差保持恒定。实现了无频率误差的信号跟踪，合理地选择PLL的直流增益、振荡频率和相应带宽可有效地改善环路性能，达到理想的效果。2.3.3脉冲信号用锁相环把信号的频率通过计数器进行64倍频，从而在需采集信号的一个周期中产生64个脉冲，利用脉冲信号作为单片机的外部中断信号，快速启动ADC0809进行转换，实现高速数据采集。这种方案实施简单，而且可靠性强，简化了软件的设计。 锁相电路的组成：锁相环路由3部分组成：鉴相器PD(Phase Detector)、环路滤波器LF(Loop Fillter)和压控振荡器VCO(Voltage-Controlled Oscillator)。组成框图如图2-3所示：图2-4锁相倍频电路2.4 A/D转换器模块A/D转换器按其转换原理分为：计数式、双积分式、逐次逼近式、和并行式AD转换器。目前常用的是双积分式和逐次逼近式，但是双积分式AD转换器的转换速度慢，设计中不为采取。逐次逼近式AD转换器速度快、精度高，其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间，符合设计的要求，本设计中采用逐次逼近式A/D转换器ADC0809。ADC0809是8位8通道典型的逐次逼近式A/D转换器，采用CMOS工艺制造。多路模拟开关量可选8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，并共用1个A/D转换器进行转换。地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，如下表所示。表2-1ADC0809通道的选择C B A 选择的通道(ADDC) (ADDB) （ADDA）0 0 0 IN00 0 1 IN10 1 0 IN2 0 1 1 IN31 0 0 IN41 0 1 IN51 1 0 IN61 1 1 IN7ADC0809的内部结构以及引脚图如下所示：图2-4 ADC0809引脚图IN7IN0：模拟量输入通道。ADC0809对模拟量的要求是，信号单极性、电压范围05V、若输入信号过小还需进行放大。另外，模拟量输入在A/D转换过程中其值不应变化，而对变化速度快的模拟量在输入，在输入前应增加采样保持电路。ADDA、ADDB、ADDC：模拟量地址线。这3根地址线用于对模拟量通道进行选择。ALE：地址锁存信号。对应于ALE上跳沿时，ADDA、ADDB、ADDC地址状态送入地址锁存器中。ATART：转换启动信号。在START信号上跳沿时，所有内部寄存器清零;在下跳沿时，开始进行A/D转换。在A/D转换期间，START信号应保持低电平。D7D0：数据输出线。该数据输出线为三台缓冲输出形式，可以和单片机的数据总线直接相连。OE：输出允许信号。他用于三态输出锁存器向单片机输出转换后的数据。OE=0时输出数据线呈高阻状态；OE=1时输出允许。CLK：时钟信号。ADC0809内部没有时钟电路所需时钟电路由外部提供。EOC：转换结束状态信号。当OEC=0时，表示正在进行转换；当OEC=1时，表示转换结束。实际应用中该状态信号既可以作为查询的状态标志，还可以作为中断请求信号使用。Vcc：+5V电源。Vref：参考电压。2.5单片机处理模块本设计中采用的单片机是MCS-51系列中的80C51，此单片机带有串行接口，有多级中断处理系统，多个16位定时器/计数器，片内RAM128字节，片内ROM4KB。其只在工艺采用CMOS技术，具有低功耗的特点，如8051功耗约为630mW，而80C51功耗只有120 mW。2.5.1结构及功能介绍内含一个8位中央处理器CPU。它由运算部件、控制部件构成，其中包括振荡电路和时钟电路，其主要完成单片机的运算与控制功能。128个字节片内数据存储器RAM。其片外数据存储器的地址范围为64KB，用于存放可读写的数据，如运算的中间结果和最终结果。4KB片内程序制度存储器ROM。其片外可寻址范围为64KB，主要用于存放已编制的程序。18个特殊功能寄存器SFR。它用于控制和管理片内算术和逻辑部件、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等功能的工作。4个8位并行输入输出I/O接口：P0口、P1口、P2口、P3口，共32线，用于并行输入或输出数据。1个串行I/O接口。它可使数据1位1位串行地在计算机与外设之间传送可用软件设置为4种工作方式，用于多处理机通讯、I/O扩展。2个16位定时器/计数器。它可以设置为计数方式对外部事件进行计数，也可以设置为定时方式进行定时。计数或定时的范围由软件来设定，一旦计数或定时到则向CPU发出中断申请，CPU根据计数或定时的结果对计算机或外设进行控制。1个具有5个中断源，可编程为2个优先级的中断系统。它可以接收外部中断申请、定时器/计数器中断申请和串行口中断申请。常用于实时控制、故障自动处理、计算机与外设传送数据及人机对话。图2-5 AT80C512.5.2引脚功能说明主电源引脚 Vcc（40引脚）：+5V 电源端 Vss（20引脚）：接地端 外接晶体引脚XATL1（19引脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器，当采用外部时钟时，该引脚作为外部振荡信号的输入端。XATL2（18引脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部时钟时，该引脚悬空不接。RST/Vpd（9脚）：RST即为RESET，Vpd为备用电源，为单片机的上电复位或断电保护端。当单片机震荡工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可以实现操作，使单片机回复到初始状态。当Vcc放声故障、降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源Vpd为内部RAM供电。ALE/PROG（30脚）：当访问外部存储器时，ALE以每机器周期两次的信号输出，用于锁存P0口出现的低8位地址。在不访问外部存储器时,ALE端仍以上述不变的频率，周期性的出现正脉冲信号，可作为对输出的时钟脉冲或用于定时的目的。PSEN（29脚）：片外程序存储器控制信号，低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个周期PSEN两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。EA/Vpp（31引脚）：EA为访问外部存储器控制信号，低电平有效。当EA端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器4KB。若超出范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。 P0 端口(3932脚)：P0.0P0.7统称为P0口。P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个TTL 逻辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0 口可用作多路复用的低字节地址/数据总线分时复用口，它提供8位地址总线和8位双向数据总线。在这种模式下，P0 具有内部上拉电阻。在对 flash 存储器进行编程时，P0 口用于接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节；这时需要外部上拉电阻。P1 端口(1脚8脚)：P1.0P1.7统称为P1口，它是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向I/O口，P1 输出缓冲器能驱动 4个TTL逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被输入信号拉低的引脚由于内部上拉电阻的原因，将输出电流IIL。此外，P1.0 和P1.1 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1 口接收低 8 位地址字节。表2-2 P1口的介绍口线第二功能信号名称P1.0T2定时器/计数器T2的外部计数输入，时钟输出P1.1T2EX定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号的和方向控制P1.5MOSI在系统编程用P1.6MISO在系统编程用P1.7SCK在系统编程用P2 端口：P2 口也是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向I/O口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个TTL逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被输入信号拉低的引脚由于内部上拉电阻的原因，将输出电流IIL。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2 口输出P2 锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 P3 端口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向I/O口，P3 输出缓冲器能驱动 4 个TTL逻辑电平。 对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被输入信号拉低的引脚由于内部上拉电阻的原因，将输出电流IIL。P3 口亦作为AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3 口也接收一些控制信号。表2-3 P3口的介绍引脚第二功能信号名称P3.0RXD串行输入P3.1TXD串行输出P3.2INT0外部中断0P3.3INT1外部中断1P3.4T0定时器0外部输入P3.5T1定时器1外部输入P3.6WR外部数据存储器写选通P3.7RD外部数据存储器读选通2.5.3 控制信号引脚 RST：复位输入端。晶振工作时，RST 引脚的输入高电平有 2 个机器周期就会对单片机复位。RST 引脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能无效。DISRTO 默认状态下，复位高电平有效。 ALE/PROG ：地址锁存控制信号。存取外部程序存储器时，这个输出信号用于锁存低 8 位地址。在对 flash 存储器编程时，此引脚也用作编程输入脉冲PROG 。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用作外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，会跳过一个 ALE 脉冲。在需要时，可以将地址为 8EH 的 SFR 寄存器的第 0 位置为“1”，从而屏蔽 ALE 的工作。而只有在 MOVX 或 MOVC 指令执行时 ALE 才被激活。在单片机处于外部执行方式时，对 ALE屏蔽位置“1”并不起作用。 PESN ：外部程序存储器选通信号。当 AT80C51 从外部程序存储器执行外部代码时，PESN 在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PESN 的两次激活会被跳过。 EA /VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程序存储器读取指令，EA 必须接 GND。 XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 2.5.4 时钟电路及复位电路80C51 中有一个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，振荡电路如图 3.2 左图所示。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、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度的稳定性。如果使用石英晶体，推荐电容使用 30pF 士 lOpF，如果使用陶瓷谐振器建议选择 40pF 士 lOpF。 用户也可以使用外部时钟。采用外部时钟的电路如图 3.2 右图所示。在这种情况下，外部时钟脉冲接到 XTAL1 端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2 端悬空。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低电平持续时间应符合产品技术条件的额定要求。本课题用到的晶振频率为 12MHz。 本课题所用的时钟电路如图26 左图所示。 图 26 AT80C51 振荡电路复位是单片机的初始化操作。其主要功能是将程序计数器 PC 初始化为 0000H，使单片机从 0000H单元开始执行程序。 在运行中，外界干扰等因素可使单片机的程序陷入死循环状态或跑飞。为摆脱困境，可将单片机复位，以重新启动。 复位也使单片机退出低功耗工作方式而进入正常工作状态。 RST 引脚是复位信号的输入端，高电平有效。其有效时间应持续 24 个振荡周期(即两个机器周期)以上。振荡周期就是晶振的振荡周期。2.5.5 单片机时序80C51 单片机专门有两类可以访问对外存储器的指令。一类是读片外 ROM 指令，本课题硬件电路没有涉及到片外 ROM，所以在此不作介绍。另一类是访问片外 RAM 指令，由于本课题主要功能模块都是作为外部 RAM 来访问，所以在此介绍一下 CPU 的访问片外 RAM 指令时序。 CPU 先将数据指针中的低八位地址数据送到 P0 口上，高八位地址数据送到 P2 口上，在第一个 ALE的下降沿时锁存PO口地址。CPU在第一个ALE和第二个ALE信号之间使 RD /WR 有效，选中片外RAM工作。然后 CPU 把从外部 RAM 中读出的数据经 PO 口送到 CPU 的累加器中或者把累加器中的数据经PO 口送到外部 RAM 中，最后终止指令的执行。2.5.6 寄存器74L373介绍图2-7 74LS373单片机系统中常用的地址锁存器芯片74LS373以及CMOS的74hc373。是带三态缓冲输出的8D触发器，其引脚图如上： L低电平；H高电平；X不定态；Q0建立稳态前Q的电平；G输入端，与8031ALE连。高电平：畅通无阻 ；低电平：关门锁存。 图中OE使能端，接地。当G=“1”时，74LS373输出端1Q8Q与输入端1D8D相同；当G为下降沿时，将输入数据锁存。2.6 键盘显示模块2.6.1键盘显示接口芯片8279引脚功能介绍图2-8键盘芯片8279DB0DB7：双向数据线。A0命令状态或数据选择线。A0=1表示DB0DB7线上传送的是命令或状态字；A0=0表示为数据。RD、WR：读、写信号线。IRQ：中断请求线。SL0SL3：扫描线，可进行扫描。RL0RL7：回送线。内部有上拉阻，从此线得到键盘的回扫信号。OUTA0OUTA3、OUTB0OUTB3：显示器刷新寄存器输出，与扫描线同步。2.6.2键盘显示接口芯片8279的组成（1）I/O控制和数据缓冲器；（2）控制和定时存储器及定时控制部分；（3）扫描技术器；（4）回送缓冲器与键盘去抖动控制电路；（5）FIFO寄存器和状态电路；（6）显示器地址寄存器及显示RAM。2.6.3键盘显示接口芯片8279与80C51的接线方法作为一个外设接口芯片，8279的片选信号CS由80C51的P2.5、P2.6、P2.7这3条地址线经地址译码器74LS373译码后得到。其片内寻址线A0与80C51系统的地址线A0相连，此时，8279的地址号为6000H，命令/状态口的地址号为600H。8279向80C51申请中断的信号IRQ经反相后与80C51的外部中断1的输入端INT1相连。利用扫描线SL2、SL1、SL0在经74LS138后得到Y0、Y1、Y2与RL7RL0回线组成24个键编码扫描式，左端输入，8个字符显示的工作方式。这种连接方式，10个数字键09的键值与编码一致，而且功能键F1F14的编码也是连续的。这给编制键命令分析程序带来了方便。2.6.4接口电路工作过程每当按下一个键是，8279会自动识别键号，产生相应的键编码自动送入先进先出寄存器FIFO中，同时产生中断请求信号IRQ，向CPU请求中断。当CPU响应中断，执行中断服务程序，并从FIFO中读取编码数据之后，则IRQ信号将自动撤销。如果上一个键的编码尚未取走，下一个键又被按下，则新的键码会自动进入FIFO中。由于FIFO由8个存储单元组成，故最多可依次暂存8个键码。只有在读完所有数据时，IRQ信号才会撤销。其中按键S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7的作用分别是向单片机传送中断命令，令其分别执行初始化程序、电压测量、电流测量、频率测量、功率因数测量、浮点计算乘法程序、和有功功率计算程序。S8为备用按键。2.6.5 LED数码显示器的结构LED数码显示器是一种由LED发光二极管组合显示