基于单片机的锅炉液位控制系统

摘摘 要要 本设计对锅炉液位的控制方案进行了简单地介绍， 并对其设计方案存在的问题进行分析。论述了改进方 案的特点，消除了“虚假水位”的影响。 本文还介绍了锅炉汽包水位的动态特性，单冲量、 双冲量、三冲量控制方案的特点及工程中需注意的问 题，着重介绍了汽包三冲量控制方案。 通过对锅炉汽包液位动态特性的分析，介绍了基 于 51 单片机的液位控制系统的软硬件组成，并成功地 运用到实际系统中，大大降低了使用成本，提高了系 统的性价比，取得了良好的控制效果。 关键词关键词：汽包水位；串级三冲量控制；单片机； 汽包水位；动态特性；控制方案；单冲量；双冲量； 三冲量 AbstractAbstract The methods of the boiler liquid level were introduced simplely in the paper and exsiting questions of the methods in the designing were anylied. Improving methods feature was descriped and faulse liquid levels effection was eliminated. The paper introduced the dynamic characteristics of the level of boiler bubble. The characteristics of automatic control schemes with one variable or two variables or three variables were discussed,as well as some problems concerned in engineering. The automatic control scheme of boiler bubble with three variables was recommended specially. According to analyzing the boiler liquid levels dynamic characteristics,this paper introduces the liquid level control system of boiler based on single chip computer,including the software and the hardware.This system was used in practice successfully,reduced the cost greatly,increased the ration of the performance and the cost,and achieved good control effect. KeyKey words:words:boiler liquid level;impulse three and serial control;single chip computer;dynamic characteristics; automatic control schemes;one 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 1 variable;two variables;three variales 目目 录录 1.1.引言：引言： .1 1 2.2.锅炉的传热和水循环过程原理锅炉的传热和水循环过程原理 .1 1 2.12.1 锅炉的传热过程原理锅炉的传热过程原理 .1 1 2.22.2 锅炉的水循环过程原理锅炉的水循环过程原理 .2 2 3.3.锅炉基本工艺过程分析锅炉基本工艺过程分析 .4 4 4.4.锅炉汽包水位动态特性分析锅炉汽包水位动态特性分析 .5 5 4.14.1 给水流量作用下的动态特性给水流量作用下的动态特性 .5 5 4.24.2 汽包水位在蒸汽扰动下的动态特性汽包水位在蒸汽扰动下的动态特性 .6 6 5.5.锅炉液位的控制方案的选择锅炉液位的控制方案的选择 .8 8 5.15.1 单冲量控制系统单冲量控制系统 .8 8 5.25.2 双冲量控制系统双冲量控制系统 .9 9 5.35.3 三冲量控制系统三冲量控制系统 .1010 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 5.3.1 三冲量控制方案 I-前馈（蒸汽流量）加反馈 （液位、给水流量）控制方案.10 5.3.2 三冲量控制方案 II-蒸汽流量前馈-给水流量 串级控制系统.11 5.45.4 几种控制方案的比较几种控制方案的比较 .1111 5.55.5 工程中需要注意的问题工程中需要注意的问题 .1414 5.5.1 关于汽包液位测量的问题 .14 5.5.2 给水阀的选择问题 .14 5.5.3 给水流量和蒸汽流量的选择 .14 6.6.系统实现系统实现 .1515 6.16.1 硬件实现硬件实现 .1515 6.1.1 输入模块设计 .28 6.1.2 键盘/显示模块设计 .31 6.1.3 报警模块设计 .33 6.1.4 输出模块设计 .34 6.26.2 软件设计软件设计 .3636 7.7.应用应用 .3636 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 8.8.结束语结束语 .3939 9.9.致谢信致谢信 .4040 10.10.参考文献参考文献 .4141 1.1.引言：引言： 汽包液位是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标， 液位过高，会使蒸汽带水过多，汽水分离差，使后续的过 热器管壁结垢，传热效率下降，过热蒸汽温度下降，严重 时将引起蒸汽品质下降，影响生产和安全；水位过低又将 破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而损坏， 严重时会发生锅炉爆炸。尤其是大型锅炉，一旦控制不当， 容易使汽包满水或汽包内的水全部汽化，造成重大事故。 因此，在锅炉运行中，保证汽包水位在正常范围是非常重 要的。 2.2.锅炉的传热和水循环过程原理锅炉的传热和水循环过程原理 通常将锅炉分为锅和炉两部分。燃料在炉内燃烧使化 学能变成热能，热能通过复杂的传热过程传递给盛于锅内 的工质。在工业锅炉中称锅炉为将燃料放出的热量传给水 产生蒸汽或热水的设备。这就是说，工业锅炉所采用的工 质仅仅是水。实际上，目前在工业生产和生活中，还有不 少并不以水为工质的锅炉。 燃料和空气在锅炉的炉腔里混合燃烧后，放出大量的 热，然后通过辐射、对流和导热的热交换过程，把热量传 给水。 2.12.1 锅炉的传热过程原理锅炉的传热过程原理 燃料在炉腔里燃烧放出的热量，经过一个复杂的传热 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 过程后再传给锅炉里的水。在这个过程中导热、对流和辐 射三种方式几乎同时发生，可以用图 A、B 表示。A 是锅炉 炉腔的传热状况，由导热、 炉水 对流 受热面导热 辐射 对流 炉腔 A 对流和辐射三种方式组成。第一步是炉腔里的高温烟气通 过辐射和对流把热量传给管壁；第二部是管壁的导热，把 热量从烟气侧传到炉水侧；第三步是管壁与炉水之间的对 流换热，把热量传给炉水。 B 是锅炉对流受热面的传热状况，图中所示状况为烟 气温度较低处，忽略烟气的辐射放热、传热由对流和导热 两种方式组成。烟气通过对流把热量传给受热面管壁，经 过管壁的导热把热量从高温侧传到低温侧，然后再通过对 流，管壁把热量传给炉水。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 2.22.2 锅炉的水循环过程原理锅炉的水循环过程原理 锅炉的水冷壁管与对流管束受到高温烟气的辐射和包 围，大量的热量经过管壁传给炉水，使它加热升温、汽化、 管壁温度介于烟气与炉水温度之间，仅比炉水温度稍高一 些，这是因为炉水对金属管壁有良好的冷却作用。管壁把 热量传给炉水后，在管壁上会形成小的气泡。如图 C 所示： 这种气泡必须及时离开，并让汽水混合物把热带走， 才能保证炉水对管壁的有效冷却。如果形成的气泡停滞在 管壁上，因为水蒸气与管壁之间的热交换远比水差，管壁 就不能得到良好的冷却，易过热而烧坏。为了使汽水混合 物及时的离开受热面，必须建立可靠的水循环。锅炉的水 循环有自然循环和强制循环两种。 炉水 对流 受热面导热 对流 烟气 B 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 受 热 面 蒸 汽 炉水 蒸汽泡 C D 图中表示水循环回路由上下两个筒和两组管束组成。 左边的管束受到高温烟气的加热，管中产生蒸汽，称为上 升管。右边管束处于低温烟气或处于空气夹层不受加热， 管内不产生蒸汽，称为下降管。由于左边管子里形成汽水 混合物，重度较小。右边管子里是饱和水或接近饱和状态 的水，重度较大。鉴于两边管子里流体的重度不同，左边 管子内的汽水混合物就自然上升，右边的管子里的水 下 降 管 上 升 管 水筒 烟气 自然循环回路简 D 图 就自然下降，回路中的水和汽水混合物就产生了自然循环。 这种循环为自然循环。 如果在锅炉水回路中设置循环水泵，使水在外力的驱 动下产生运动，这种水循环称为强制循环。 汽筒 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 3.3.锅炉基本工艺过程分析锅炉基本工艺过程分析 1 23 56 图 1 锅炉的汽水系统 工业锅炉汽水系统如图 1 所示。汽包及蒸发管道中贮 存着蒸汽和水，贮存量的多少，是以被测量水位表征的。 给水管道的水经过调节阀，进入省煤器，靠锅炉的烟气加 温，然后进入汽包，汽包和上、下行管道内的水被锅炉燃 烧系统产生的热量加热成饱和蒸汽，经过加热器加热成过 热蒸汽，然后进入主蒸汽管道。当给水流量等于蒸汽流量 时，汽包水位就恒定不变。 1-给水管； 2-调节阀； 3-省煤器； 4-汽包； 5-下 行管； 6-下行管；7-过热器； 8-蒸汽管。 4.4.锅炉汽包水位动态特性分析锅炉汽包水位动态特性分析 汽包水位的扰动主要有 4 个来源：一是给水方面的扰 动，包括给水压力的变化和调节阀开度的变化，这个扰动 来自给水管道和给水泵；二是蒸汽负荷的扰动，包括蒸汽 管道阻力的变化和蒸汽调节阀开度的变化；三是燃料量的 4 78 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 变化，包括引起燃料发热量变化的种种因素；四是汽包压 力的变化，压力变化对汽包水位的影响是通过汽包内部汽 水系统在压力升高时的“自凝结”过程和压力降低时的 “自蒸发”过程作用的。由于燃料量对汽包水位的影响有 传递滞后和容积滞后，影响十分缓慢，可以略去不计。对 于汽包压力的变化往往是由于蒸汽负荷变化引起的，因此， 压力的变化可归到蒸汽负荷中去，所以压力变化对汽包水 位的影响可略去不计。这样引起汽包水位变化的主要扰动 是蒸汽流量的变化和给水量的变化。下面我们将着重分析 在给水流量（称为内干扰）和蒸汽流量（称为外干扰）扰 动下，汽包水位调节对象的动态特性。 4.14.1 给水流量作用下的动态特性给水流量作用下的动态特性 如果蒸汽负荷量不变，给水流量产生变化时，汽包水 位调节对象的动态方程式可近似表示为 1. 0 TS w e S K sU sH sG 其中：S-复参数；-液位的拉氏变换；- sHth sUw 给水流量的拉氏变换；-锅炉在给水流量变化时的tUw sG 数学模型；-反映速度，即给水流量改变单位流量时水 0 K 位的变化速度； -延迟时间。从（1）式中可看出，汽包 水位在给水流量作用下的动态特性是由一个积分环节和一 个延迟环节所组成。在给水流量扰动下，汽包水位响应曲 线如图 2 所示。如把汽包及水循环系统当作单水槽对象， 水位的响应曲线应该如图 2 的直线所示。考虑到给水温 1 h 度低于汽包内的饱和水温度，当它进入汽包后吸收了原有 的饱和水中的一部分热量，使锅炉的蒸汽产量下降。水面 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 一下的汽包总体积也就相应减少，导致水位下降。对水位 的影响可以用图中的曲线表示。水位的实际响应曲线是 和的总和。从图 2 可知，响应过程有一段延迟时间 。 1 h 2 h 给水的过冷度越大，纯延迟时间也越大。 4.24.2 汽包水位在蒸汽扰动下的动态特性汽包水位在蒸汽扰动下的动态特性 在给水量不变的情况下，当负荷蒸汽量发生阶跃变化 后，汽包水位调节对象的动态特性可近似表示为： w W U t 2. 1 2 2 ST K S K SU SH SG f D D （2）式中：-蒸汽负荷的拉氏变换；- sUD )(tD U sGD 蒸汽负荷作用下锅炉的数学模型；-响应速度，即 )(tD U f K t 1 hh 2 h 0 图 2 给水扰动下的水位响应曲线 h 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 蒸汽变化单位流 D t 图 3 蒸汽流量扰动下的水位响应曲线 D U h 2 h h 1 h t 量时，水位的变化速度；-响应曲线的放大系数；- 2 K 2 h 2 T 响应曲线的时间常数。 2 h 在蒸汽流量扰动下，汽包水位响应曲线如图 3 所示。 汽包水位的特性曲线可分为和两部分，图 3 中是仅 1 h 2 h 1 h 考虑当蒸汽负荷增加，即用汽量增加时由于蒸汽流量和给 水流量不平衡引起的水位变化；是由于蒸汽流量的扰动， 改变了汽包的气压而引起“虚假水位”的 变化。 “虚假水位”产生的主要原因是蒸汽流量增加，汽 包内的气压下降，炉水沸点降低，使炉管和汽包混合物中 的汽容积增加，体积 膨大，引起汽包水位上升。这给控制带来很大困难，在设 计控制方案时，必须有效克服“虚假水位”的影响。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 5.5.锅炉液位的控制方案的选择锅炉液位的控制方案的选择 5.15.1 单冲量控制系统单冲量控制系统 单冲量控制系统（冲量一词指的是变量，单冲量即汽包液 位）是采用汽包液位直接控制给水调节阀（如图 4 所示） ， 它是汽包液位自动控制中最简单最基本的一种形式，是典 型的单回路定值控制系统。该系统结构简单、投资少、结 构易实现，用于小型低压锅炉。因为这种锅炉的蒸汽负荷 比较稳定，汽包的相对容积大，用户对蒸汽的要求往往不 十分严格，该控制系统若再配上一些报警联锁装置，也可 以满足生产要求。 在停留时间较短，负荷变化较大时，就不能采用单冲 量液位控制系统。这是因为： 1) 负荷变化时产生的“虚假液位”将使调节器反向错 位动作，负荷增大时反而关小给水调节阀，当闪急 汽化平息下来时， 图 4 单冲量控制系统方框图 蒸汽 LT LC 省煤器 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 会使水位严重下降，产生剧烈波动，调节的动态 品质很差。 2) 负荷变化时，从负荷变化到水位下降再到调节阀动 作，滞后时间太长，如果水位过程时间常数很小， 偏差必然很显著。 3) 给水系统扰动时，例如给水泵压力变化，进水量立 即变化，而到水位产生偏差时才使调节阀动作，同 样不够及时。 5.25.2 双冲量控制系统双冲量控制系统 在汽包的水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化， 那么引入蒸汽流量来校正，不仅可以补偿“虚假水位”所 引起的误动作，而且使给水调节阀的动作及时，这就构成 了双冲量控制系统。从本质上看，双冲量控制系统是一个 前馈（蒸汽流量 FTS）加单回路反馈控制系统构成的复合 控制系统。加法器的输出=+初始偏差。 SC PSP 如果高压蒸汽供给蒸汽透平压缩机，为保护设备，给 水阀宜选用气开（F.C）阀，当蒸汽流量加大时，给水流 量亦要相应增加，此时选用气开阀，加法器的输出应增加， 即应该取正号。S 如果蒸汽作为工艺生产中的热源时，为保护设备，给水阀 宜选用气关（F.O）阀，当蒸汽流量加大时，给水流量亦 要相应增加，此时选用气关阀，加法器的输出应减小，即 应该取负号。S 为了兼顾上述两种要求，宜选带保位装置（F.L）的 给水阀，即事故状态该阀停在原位。初始偏差设置的目的 是：正常负荷下，调节器和加法器的输出都能有一个比较 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 适中的数值，最好在正常负荷下初始偏差与前馈（蒸汽流 量 FTs）项恰好抵消。图 5 为双冲量控制系统方框图 S SP 图 5 双冲量控制系统方框图 LC FTs 省煤器 蒸汽 给水 Ps S Pc 5.35.3 三冲量控制系统三冲量控制系统 双冲量控制系统有两个缺点： 1)调节阀的工作特性不一定完全是线性，这样要做 到静态补偿就比较困难； 2)对于给水系统的扰动不能直接补偿。为此将引入 给水流量信号，构成三冲量控制系统。 5.3.1 三冲量控制方案 I-前馈（蒸汽流量）加反馈（液 位、给水流量）控制方案 该系统可看作三冲量的综合信号作为被控变量的单回 路控制系统，投运和整定与单回路控制系统一样，但是如 果系统参数设置不能确保物料平衡，则负荷变化时，水位 将有余差。图 6 为三冲量控制方案 I 方框图 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 图 6 三冲量控制系统 I 方框图 LT FTs 省煤器 蒸汽 给水 Ps S Pc LC FTs Pw W 关于系数和作用与设置 S W 1) 用来保证物料平衡 即在的条件下，蒸汽流量信号与给水流DaW S PS 量信号应相等，依据这条原则，可以确定和PWWS 的比值。W 2) 用来确定前馈作用的强弱 从（1）物料平衡中知道和的比值，其大小应依SW 据过程特性确定，越大其前馈作用越强，则扰动出S 现时，调节阀开度的变化亦越大。 5.3.2 三冲量控制方案 II-蒸汽流量前馈-给水流量串级 控制系统 方案 I 与方案 II 相似，仅是加法器位置从调节器前 移至调节器后。该方案不管与如何设置，当负荷变化时， 液位可以保持无差，以改善负荷扰动下的调节品质。 加法器的输出=PWWPsSPc 催化裂化装置产汽及余锅汽包采用气关（F.O）式的 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 保位给水阀，当蒸汽流量加大时，给水流量亦要相应增加， 此时选用气关阀，加法器的输出应减小，即应取减号。当 给水流量增加时，此时选用气关阀，加法器的输出应增大， 即 Pc 应该取正号。 5.45.4 几种控制方案的比较几种控制方案的比较 单冲量液位控制是汽包液位自动控制中最简单最基本 的一种形式，是典型的单回路定值控制系统，但它不能克 服“虚假液位”的影响，而且没有给水流量信号的反馈， 所以液位波动较大。 双冲量液位控制系统是在单冲量控制的基础上，引进 蒸汽流量作为前馈信号。该控制系统的特点是：引入的蒸 汽流量前馈信号可以消除“虚假液位”对调节品质的影响， 当蒸汽流量变化时，就有一个给水量与蒸汽量向同方向变 化的信号，可以减小或抵消由于“虚假液位”引起的给水 量与蒸汽量反方向变化的误动作，使调节阀从一开始就向 正确的方向移动。因而大大减小了给水量与液位的波动， 缩短调节的时间。而且引入的蒸汽流量的前馈信号，能改 善调节系统的静特性，提高调节质量。双冲量液位控制系 统适用于小型低压而且给水压力较稳定的锅炉。 当给水压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保 持正常时，不宜采用双冲量控制；另外在大型锅炉的控制 中，锅炉容易越大，压力越来越高，汽包的相对容水量就 越小，允许波动的储水量就更少。为了把液位控制平稳， 在双冲量液位调节的基础上引入了给水流量信号，由液位、 蒸汽流量和给水流量就构成了三冲量液位控制系统，在这 个系统里，汽包液位是被控变量，是主冲量信号，蒸汽流 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 量、给水量是两个辅助冲量信号。 三冲量液位控制系统抗干扰能力强，适用于大中型中 压锅炉。 三冲量控制方案 I：方案 I 宜作为一般锅炉液位的控 制方案，其特点是使用的设备少，整定方法比较简单，调 节机构动作比较平稳。 三冲量控制方案 II：与方案 I 比较，其加法器从调 节器前移至调节器后，即使出现物料不平衡的现象，只要 液位有偏差，调节器的积分作用就能消除偏差。 通过比较和针对以上对汽包动态特性的分析，为了有 效地克服“虚假水位”的影响，我们采用三冲量（即用液 位 LT、给水量 FTw、蒸汽负荷 FTs 三个变量作为被控量） 串级控制方案 II 来控制汽包液位，其控制简化方框图如 图 7 所示，它实际是把一个蒸汽流量作为前馈信号的串级 控制系统。系统中的锅炉水位 H 被控变量，是主控制变量， 蒸汽流量 FTs 和给水流量 FTw 是两个辅助控制变量，由蒸 汽前馈及补偿系统通过相应的计算和输出来保证水位稳定。 在三冲量控制中，水位调节器作为主调节器，用于稳 定水位，它可抑制闭环内一切引起水位波动的扰动，给水 流量调节器作为副调节器，用于消除各种引起水位波动的 二次扰动，使水位更加稳定，蒸汽流量作为前馈信号，用 于抑制蒸汽负荷波动对水位的影响。当蒸汽负荷突然增大， 蒸汽流量信号使给水调节阀阀门开度增大，大大削弱了由 于“虚假水位”引起的误动作，因而减小了水位和给水流 量的波动幅度。当由于水压干扰使给水流量改变时，调节 器能迅 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 副调节器执行机构锅炉汽包 给水流量变送器 汽包液位变送器 主调节器 图 7 三冲量串级控制系统 FTs 变送器 P K FTwLT 速消除干扰。另外，给水流量信号也是调节器动作后的反 馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，所以三冲量控 制系统调节器动作快，还可以避免调节过头，减少波动和 失控。这样，汽包水位就很少受到影响。主调节器采用 PID 控制算法，副调节器采用 P 控制算法。由于水位调节 器测量值是汽包水位信号，因此，当水位调节器具有积分 控制作用时，该控制方案可实现汽包水位无余差控制。 5.55.5 工程中需要注意的问题工程中需要注意的问题 5.5.1 关于汽包液位测量的问题 由于汽包液位波动较大，一般选用平衡容器测量汽包 液位。平衡容器连通管中的液位始终与汽包液位等高，上 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 端的蒸汽冷凝后会在托盘上形成水柱，若水柱高出托盘自 溢口后自溢，并经平衡阀返回汽包，进行热量与水量的交 换，以求达到汽包内部液体与平衡容器内部的液体比重一 致且恒定。将托盘液面高于正取压端口做负迁移，则差压 变送器量程所对应的平衡管正压端水柱压力的变化就能真 实反映汽包液位的变化。 5.5.2 给水阀的选择问题 1) 关于给水调节阀的气开气关的选择，一般都是从安全 角度考虑的。如果高压蒸汽供给蒸汽透平压缩机的重 要负荷，为保护这些设备以选用气开（F.C）阀为宜。 如果蒸汽作为工艺生产中的热源时，为保护锅炉，以 选用气关（F.O）阀为宜。综合起来考虑，一般选带保 护装置（F.L）的给水阀，即事故状态停在原位。 2) 关于给水调节阀型号的选择。由于流经给水阀的除氧 水压力为 6.0MPa，温度为 104，极宜产生汽蚀现象。 对于轻度汽蚀，一般给水阀的阀芯，底座选用司钛莱 合金堆焊即可。对于重度汽蚀，一般给水阀选用多级 高压调节阀，使高压除氧水在流过调节阀多级节流孔 后逐渐降压，而每级阀芯上只承担一部分压差，使节 流后的压力在阀的部分恢复不到流体的饱和蒸汽压力， 可以有效的避免汽蚀现象，也有效的防止了汽蚀引起 的噪声振动和对阀芯底座的侵蚀。 5.5.3 给水流量和蒸汽流量的选择 给水流量和蒸汽流量的一次元件如果选用节流装置， 则差压变送器输出的信号叠加。这样可以减少非线性对系 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 统调节品质的影响。若是选用流量变送器则不必加开方器。 它们的显示仪表的量程应选择的相同，其范围应比额定蒸 汽负荷大一些，以保证锅炉在额定负荷下的给水流量有波 动的余地。 6.6.系统实现系统实现 6.16.1 硬件实现硬件实现 器件选择：本设计主要有 51 单片机、8155、555 定时 器等器件，现分别介绍如下： 5151 单片机的结构和原理：单片机的结构和原理： i.i.5151 单片机的结构：单片机的结构： 51 单片机是 INTEL 公司生产的一个单片机系列的名称。该 公司继 1976 年推出 48 系列 8 位单片机之后，又于 1980 年推出了 51 系列高档 8 位单片机。属于这一系列的单片 机芯片有许多种，如 8051，8031，8751，80C51BH，80C31BH 等等，它们的基本 组成、基本性能和指令都是相同的。为了叙述方便，今后 如不作说明，则常用 8051 代表 51 系列单片机。 ii.ii.5151 单片机的基本组成：单片机的基本组成： 在一块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部 分。每一个单片机包括： 1) 一个 8 位的微处理器（CPU） 。 2) 片内数据存储器 RAM（128B/256B） ，用以存放可以读/ 写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数 据等。 3) 一个 8 位的微处理器（CPU） 。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 4) 片内数据存储器 RAM（128B/256B） ，用以存放可以读/ 写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数 据等。 振荡器和 时序OSC 程序存储器 4KBROM 数据存储器 256BRAM/SF R 2X16 位定时 器/计数器 8051CPU 64KB 总线 扩展控制器 可编程 I/O 可编程全双 工串行口 外中断 内中断 并行口串行通信 外部事件计数 图 8 8051 单片机结构框 图 控制 5) 片内程序存储器 ROM/EPROM（4KB/8KB） ，用以存放程序、 一些原始数据和表格。但也有一些单片机内部不带 ROM/EPROM，如 8031，8032，80C31 等。 6) 四个 8 位并行 I/O 接口 P0P3，每个口即可以用作输入， 也可以用作输出。 7) 两个定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置 成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定 时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。 8) 五个中断源的中断控制系统。 9) 一个全双工 UART（通用异步接收发送器）的串行 I/O 外部时钟源 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的通信。 10)片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电 容需要外接。最高允许振荡频率为 12MHZ。 以上各个部分通过内部数据总线相连接。8051 片内 除具有 CPU（包括控制器与运算器）外，还包括 ROM，RAM，4X8 位的并行口，串行口和 2X16 位定时器/计 数器。它是一个功能很强的单片微型计算机，但由于 8051 片内为掩膜 ROM，内部程序不能改写，不便于实验和开发。 如在实验调试中使用 8051，需在片外扩展可改写的 EPROM。 5151 单片机内部结构单片机内部结构 8051/8751/8031 芯片的外部引脚和指令系统完全兼 容，其内部结构除 ROM/EPROM 不同外，其完全相同。 8051 单片机内部结构如图 9 所示。 一个完整的计算机应该由运算器、控制器、存储器 （ROM 及 RAM）和 I/O 接口组成。一般微处理器（如 Z80） 只包括运算器和控制器两部分。和一般微处理器相比， 8051 增加了四个 8 位 I/O 口、一个串行口、 4KBROM、128BRAM、很多工作寄存器及特殊功能寄存器 （SFR） 。各部分功能简述如下。 一、中央处理单元（CPU） CPU 是单片机的核心，是计算机的控制和指挥中心， 由运算器和控制器组成。 1. 运算器 运算器包括一个可进行 8 位算术运算和逻辑运算的单 元 ALU，8 位的暂存器 1、暂存器 2、8 位的累加器 ACC、 寄存器 B 和程序状态寄存器 PSW 等。 ALU：可对 4 位（半字节） 、8 位（一字节）和 16 位 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 （双字节）数据进行操作。能做加、减、乘、除、加 1、 减 1、BCD 数十进制调整及比较等算术运算和与、或、异 或、求补及循环移位等逻辑操作。 ACC：累加器 ACC 经常作为一个运算数经暂存器 2 进 入 ALU 的输入端，与另一个来自暂存器 1 的运算数进行运 算，运算结果又送回 ACC。除此之外，ACC 在 8051 内部经 常作为数据传送的中转站。同一般微处理一样，它是最繁 忙的一个寄存器了。在指令中用助记符 A 来表示。 PSW：程序状态字寄存器，8 位，用于指示指令执行后的状 态信息，相当于一般微处理器的标志寄存器。PSW 中各位 状态供程序查询和判别用。 B：8 位寄存器，在乘、除运算时，B 寄存器用来存放 一个操作数，也用来存放运算后的一个分结果；若不做乘、 除运算时，则可作为通用寄存器使用。 另外，8051 片内还有一个布尔处理器，它以 PSW 中 的进位标志 CY 为累加器（在布尔处理器及其指令中以 C 代替 CY） ，专门用于处理位操作；可执行置位、位清 0、 位取反、位等于 1 转移、位等于 0 转移、位等于 1 转移并 清 0 以及位累加器 C 与其他可位寻址的空间之间进行信息 传送等位操作，也能使 C 与其他可寻址位之间进行逻辑 “与” 、逻辑“或”操作，结果存放在进位标志位（位累 加器）C 中。 2. 控制器 控制器包括程序计数器 PC、指令寄存器 IR、指令译 码器 ID、振荡器及定时电路等。 程序计数器 PC：由两个 8 位的计数器 PCH 及 PCL 组 成，共 16 位。PC 实际上是程序的字节地址计数器。PC 中 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 的内容是将要执行的下一条指令的地址。改变 PC 的内容 就可改变程序执行的方向。PC 可对 64KB 的 ROM（程序存 储器）直接寻址，也可对 8051 片外 RAM（数据存储器）寻 址。 指令寄存器 IR 及指令译码器 ID：由 PC 中的内容指定 ROM 地址，取出来的指令经指令寄存器 IR 送至指令译码器 ID，由 ID 对指令译码并送 PLA 产生一定序列的控制信号， 以执行指令所规定的操作。例如，控制 ALU 的操作、在 8051 片内工作寄存器间传送数据，以及发出 ACC 与 I/O 口 （P0P3）或存储器之间通信的控制信号等等。 振荡器及定时电路：8051 单片机内有振荡电路，只 需外接石英晶体和频率微调电容（2 个 30PF 左右） ，其频 率范围为 1.2MHZ12MHZ。该脉冲信号就作为 8051 工作的 基本节拍，即时间的最小单位。8051 同其他计算机一样， 在基本节拍的控制下协调地工作，就像一个乐队按着指挥 的节拍演奏一样。 二、存储器 8051 片内有 ROM（程序存储器，只读）和 RAM（数据 存储器，可读可写）两类，它们有各自独立的存储地址空 间，与一般微机的存储器配置方式很不相同。 1. 程序存储器（ROM） 8051 及 8751 的片内承袭存储器容量为 4KB，地址从 0000H 开始，用于存放程序和表格常数。 2. 数据存储器（RAM） 8051/8751/8031 片内数据存储器均为 128KB，地址为 00H7FH，用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据 缓冲等。 3. 数据存储器（RAM） 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 8051/8751/8031 片内数据存储器均为 128KB，地址为 00H7FH，用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据 缓冲等。 在这 128B 的 RAM 中，有 32 个字节单元可指定为工作 寄存器，这同一般微处理器不同。8051 的片内 RAM 和工作 寄存器排在一个队列里统一编址。 由上图可见，8051 单片机内部还有 SP、DPTR、PCON， 、 、 、 、 ，IE、IP 等特殊功能寄存器，它们 也同 128 字节 RAM 在一个队列里编址，地址为 80HFFH。 在 128 字节 RAM 单元中有 21 个特殊功能寄存器 、 P0 驱动器P2 驱动器 RAM 地址寄 存器128BRAMP0 锁存器P2 锁存器4KBROM XTAL1XTAL2.P1.0P1.7P3.0P3.7 ALE PSEN EA RST P0.0P0.7P2.0P2.7 VCC VSS 图 9 8051 单片机内部结构图 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 B 寄存器暂存器 1暂存器 2ACCSP ALU PSW 中断、串行口和定时器 P1 锁存器P3 锁存器 P1 驱动器 P3 驱动器 OSC 程序地址 寄存器 缓冲器 PC 增 1 DPTR PC 定 时 控 制 指 令 译 码 器 指 令 寄 存 器 （SFR） ，这些特殊功能寄存器还包括 P0P3 口锁存器。 三、I/O 接口 8051 有四个 8 位并行接口，即 P0P3。它们都是双 向端口，每个端口各有 8 条 I/O 口线，均可输入/输出。 P0P3 口四个锁存器同 RAM 统一编址，可以把 I/O 口当作 一般特殊功能寄存器来寻址。 5151 单片机引脚及其功能（附图单片机引脚及其功能（附图 1010） 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 EA/VP X1 X2 RESET/VPD RD P3.6/WR P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 PSEN VCC P3.0 ALE/PROGP3.1 VSS 8051 图 10 各引脚功能简要说明如下：各引脚功能简要说明如下： 1. 电源引脚 Vcc 和 Vss Vcc(40 脚)：电源端，为+5V。 Vss（20 脚）：接地端。 2. 时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL2（18 脚）：接外部晶体和微调电容的一端；在 8051 片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的 频率就是晶体固有频率。若采用外部时钟电路时，该引脚 输入外部时钟脉冲。 要检查 8051/8031 的振荡电路是否正常工作，可用示 波器查看 XTAL2 端是否有脉冲信号输出。 XTAL1（19 脚）：接外部晶体和微调电容的另一端； 在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时 钟时，该引脚必须接地。 3. 控制信号引脚 RST，ALE，和 _ PSEN _ EA RST/(9 脚)：RST 是复位信号输入端，高电平有效。 PD V 当此输入端保持两个机器周期（24 个时钟振荡周期）的高 电平时，就可以完成复位操作。RST 引脚的第二功能是， PD V 即备用电源的输入端。当主电源 Vcc 发生故障，降低到低 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 电平规定值时，将+5V 电源自动接入 RST 端，为 RAM 提供 备用电源，以保证存储在 RAM 中的信息不丢失，从而使复 位后能继续正常运行。 ALE/（ADDRESS LATCH ENABLE/PROGRAMMING,30 _ PROG 脚）：地址锁存允许信号端。当 8051 上电正常工作后， ALE 引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率 的 1/6。CPU 访问片外存储器时，ALE 输出信号作为锁 OSC f 存低 8 位地址的控制信号。 平时不访问片外存储器时，ALE 端也以振荡频率的 1/6 固定输出正脉冲，因而 ALE 信号可以用作对外输出时 钟或定时信号。如果想确定 8051/8031 芯片的好坏，可用 示波器查 ALE 端是否有脉冲信号输出，如有脉冲信号输出， 则 8051/8031 基本上是好的。 ALE 端的负载驱动能力为 8 个 LS 型 TTL（低功耗甚高 速 TTL）负载。 （PROGRAM STORE ENABLE，29 脚）：程序存储 _ PSEN 允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，此端定时输 出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。此引脚接 EPROM 的端。PSEN 端有效，即允许读出 EPROM/ROM 中的指令 _ OE 码。 端同样可驱动 8 个 LS 型 TTL 负载。 _ PSEN 要检查一个 8051/8031 小系统上电后 CPU 能否正常到 EPROM/ROM 中读取指令码，也可用示波器看端有无脉 _ PSEN 冲输出。如有则说明基本上工作正常。 /（ENABLE ADDRESS/VOLTAGE PULSE OF _ EA PP V PROGRAMMING，31 脚）：外部程序存储器地址允许输入端/ 固化编程输入端。 当引脚接高电平时，CPU 只访问片内 EPROM/ROM 并 _ EA 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 执行内部程序存储器中的指令，但当 PC（程序计数器）的 值超过 0FFFH 时，将自动转去执行片外程序存储器内的程 序。 当输入信号引脚接低电平（接地）时，CPU 只访问 _ EA 外部 EPROM/ROM 并执行外部程序存储器中的指令，而不管 是否有片内程序存储器。 4. 输入/输出端口 P0，P1，P2 和 P3 P0 口（P0.0P0.7，3932 脚）：P0 口是一个漏极 开路的 8 位准双向 I/O 端口。作为漏极开路的输出端口， 每位能驱动 8 个 LS 型 TTL 负载。当 P0 口作为输入口使用 时，应先向口锁存器（地址 80H）写入全 1，此时 P0 口的 全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。作输入口使用时要先 写 1，这就是准双向的含义。 P1 口（P1.0P1.7，18 脚）：P1 口是一个带内部 上拉电阻的 8 位准双向 I/O 端口。P1 口的每一位能驱动 （灌入或输出电流）4 个 LS 型 TTL 负载。 在 P1 口作为输入口使用时，应先向 P1 口锁存器（地 址 90H）写入全 1，此时 P1 口引脚由内部上拉电阻拉成高 电平。 P2 口（P2.0P2.7，2128 脚）：P2 口是一个带内 部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 端口。P2 口的每一位能驱动 （灌入或输出电流）4 个 LS 型 TTL 负载。 在访问片外 EPROM/RAM 时，它输出高 8 位地址。 P3 口（P3.0P3.7，1017 脚）：P3 口是一个带内 部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 端口。P3 口的每一位能驱动 （灌入或输出电流）4 个 LS 型 TTL 负载。 P3 口与其他 I/O 端口有很大区别，它除了作为一般 准双向 I/O 口外，每个引脚还具有第二功能。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 81558155 引脚及其功能引脚及其功能 引脚如图引脚如图 1111 所示：所示： I/O 口部分包括三个通用 I/O 接口，其中之一可编程 为联络信号线引出端，可使其他两个 I/O 接口以带联络线 的信号变换方式工作。 芯片内有一个 14 位二进制可编程定时器/计数器，它 是以二进制“减 1”计数器作为分频器，可提供各种脉冲 及方波信号。 RESET：4 引脚。功能：复位信号，输入，是系统 （如 8051 的 RESET，输出）提供的复位信号，它将系统复 位于初始状态。这条输入线为高电平时，将该芯片复位并 置三个 I/O 接口为输入方式。RESET 脉冲宽度最少为 640ns。 AD0AD7：1219 引脚。功能：这些是三态地址/数 据总线，与 8051 地址/数据总线联接。它的分时复用功能 和 8051 的 P0 口完全一致。低 8 位地址在 ALE 的下降沿时 送入地址锁存器。该地址由 IO/M 输入信号的极性决定是存储器区域还是 I/O 区域。配 合 RD 或 WR 输入信号，在 ALE 的上升沿把片内数据读出或 把数据写入芯片。 ：8 脚。功能：片选端，输入，低电平有效（CE _ CE 为 8156 片 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 AD0PB7 AD1PB6 AD2PB5 AD3PB4 AD4PB3 AD5PB2 AD6PB1 VCC PB0 PC4 CE PC3 RDPC2 W