基于51单片机的无功功率补偿.doc

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1、 目 录摘 要I1 引言11.1 选题背景11.2 本文主要任务要求31.3 设计内容和论文结构安排32 系统方案总体设计52.1 系统需求分析52.2 无功功率装置原理52.3 系统方案选择62.3.1基于单片机的功率因数检测方案选择62.3.2无功功率补偿方案选择72.4 系统总体设计82.4.1 系统整体结构组成82.4.2 系统原理83 系统硬件电路设计103.1 功率因数测量电路103.1.1 功率因数测量原理103.1.2 基于单片机的测量原理分析103.1.3 基于单片机的无功功率因数测量电路设计113.3 单片机控制单元设计143.3.1单片机介绍143.3.2中断系统173.

2、3.3定时器183.3.4 LCD1602183.3.5 控制系统电路设计193.3.6 存储电路设计203.4电容投切电路设计213.4.1 电容投切原理213.4.2电容投切电路设计224 系统软件设计244.1 软件开发环境介绍244.2 C语言介绍244.3 软件总体设计244.3.1系统主程序设计244.3.2系统中断程序设计264.3.3 电容投切程序设计275 系统建模与仿真结果分析285.1 系统仿真环境介绍285.2 系统建模285.3 系统仿真结果分析29结束语32致 谢33参考文献34附录36II摘 要众所周知，在现在的电力系统中，由于低压电网中的电气设备多为感性负载,

3、普遍存在功率因数低, 电网线损大, 电能质量差的情况,因此无功补偿得以广泛地应用。但传统的检测与补偿装置体积大,精度低, 投切方式不合理,易产生投切振荡,难以实现补偿的优化运行。 对于电力系统而言, 无功功率的平衡不仅是维持电网正常运行的必需, 同时也是电力系统经济运行的要求。一般来讲,当电力系统正常运行时,如果不对电网的无功功率进行必要的补偿, 电网将不得不提供大量的感性无功功率, 这将导致电网电压损失的增大和线路损耗的增加。从保证供电系统中无功功率的平衡以及经济运行的角度出发, 一般要在电网中设置一些无功功率补偿装置进行无功补偿。针对这种情况，本课题设计了一种全自动无功补偿装置。此装置是在

4、考察先前的手动或电磁式无功补偿装置的基础上由笔者自行设计的，主要采用AT89C52单片机作为微处理器实现全自动控制。系统对电网电压和电流进行采样、计算，从而获得COS和有功功率。本装置可实现功率因素从很低COS=0.95，且能保证功率因素变化时电容的自动投切，能实时显示出当前功率因素、电流和有功功率，并能实现手动和自动控制。关键字：无功补偿 AT89C51单片机 功率因素 自动控制AbstractAs we all know,In the industrial production process,Classification and statistical work of different

5、 goods and commodities in the pipeline is a daunting task.Especially in the process of packing shipment of goods.In the era of manual processing.It will cost a lot of manpower.A fully automatic reactive power compensation devices. This device is in the previous inspection manual or electromagnetic r

6、eactive power compensation devices based on self-designed by the author, mainly using AT89C51 single-chip microprocessor as the realization of automatic control.System to the power grid voltage and current sampling, computing, to gain COS and active. The device can be realized from the power factor

7、COS = 0.6 compensation to the COS = 0.95, power factor and can ensure that changes in the automatic switching to real-time shows that the current power factor, current and active, and can achieve the manual and automatic control.The system hardware circuit structure is simple, including laser sensor

8、 module, shaping circuit module, control unit module, human-computer interaction module, and digital camera interface circuit module. The control unit uses STC89C52 as the core controller. Human-computer interaction module includes a separate keyboard and LCD1602 LCD display circuit. Through the tes

9、t of this design fully meet the requirements of the design requirement.Keywords: Reactive power compensation; Power Factor; Automatic control; STC89C52II1 引言本章介绍了本研究课题的背景及意义，阐述了其发展状况。对于当前电网中使用的无功补偿装置的常见方式，以及在无功补偿的原理进行了详细的了解。目前市面上传统的无功补偿装置大多数是手动投切，体积大，精度低，不能合理的实现武功补偿，易产生震荡。针对于现有装置的缺点，本文介绍的基于单片机的的无功检测

10、与自动补偿装置克服了以上缺点，具有精度高，投切及时，对电网冲击小，投切及时，对电网冲击小，经济适用的优点。在本章中还详细介绍了本课题的任务要求以及论文结构的安排。1.1 选题背景近年来，随着我国国民经济GDP（国民生产总值）的不断增长，我国的电力工业也有了长足的发展。同时电力网中的无功问题也已逐渐引起人们的广泛关注，这是由于随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛。而大多数电力电子装置的功率因数很低，它们所消耗的无功功率在电力系统所输送的电量中占有很大的比例。无功功率增加会导致电流的增大，设备及线路的损耗增加，导致大量有功电能损耗。同时使功率因数

11、偏低、系统电压下降。无功功率如果不能就地补偿，用户负荷所需要的无功功率全靠发、配电设备长距离提供，就会使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，降低发、输电的能力，使电网的供电质量恶化，严重时可能会使系统电压崩溃，造成大面积停电事故。供电系统常由于感性负载过重，造成感性无功过大，电能质量下降，功率因数过低。为提高电能质量和功率因数，维护电力系统安全、稳定地运行，常需在低压侧装设无功补偿装置。据报道，我国平均每年因为无功分量过大造成的线损高达15%左右，折算成线损电量约为1200亿千瓦时。假设全国电力网负载总功率因数为0.85，采用无功补偿装置将功率因数从0.85提高到0.95时，则每年可以降低线

12、损约240亿千瓦时。近年来，随着电网负荷的增加，对无功功率的要求也与日俱增。由于无功功率同有功功率一样，是保证电能质量不可分割的一部分。所以在电力系统中需要进行无功功率补偿，这对电力系统安全、可靠运行有着很重要的意义。电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的，因此，为了输送有功功率，就要求送电端和受电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现；而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。不仅大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功率。显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。早期的无功补偿装置为同步调相机和并联

13、电容器。同步调相机可理解为专门用来产生无功功率的同步电机，可根据需要控制同步电机的励磁，使其工作在过励磁或欠励磁的状态下，从而发出大小不同的容性或感性无功功率，因此同步调相机可对系统无功进行动态补偿。但是它属于旋转设备，运行中的损耗和噪声都比较大，运行维护复杂，成本高，且响应速度慢，难以满足快速动态补偿的要求。并联电容器简单经济，灵活方便，但其阻抗固定，不能跟踪负荷无功需求的变化即不能实现对无功功率的动态补偿。随着技术的发展，近几年出现很多很多的无功补偿的相关技术。电力电子广泛应用与无功补偿领域内，电力电子器件向快速、高电压、大功率发展，使用电力电子器件与无功补偿领域中，使人们意识到电力电子器

14、件的重要性，它可以很大程度上避免传统无功补偿装置的各种缺陷，利于动作慢，不精确的局面，也为电网的无功补偿提供了很大发展空间，使无功补偿空前发展，想快速，精确的方向发展。随着电力电子器件快速的发展，无功补偿控制器在也在某种意义上体现了不同的发展阶段。无功补偿控制器己由基于SCR的静止无功补偿器（Static Var Compensator-SVC）、晶闸管控制串联电容补偿器（Thyristor Controlled Series Compensator-TCSC）发展到基于GTO的静止无功发生器（Static Var Generator-SVG）、静止同步串联补偿器（StaticSynchoro

15、nous Series Compensator-SSSC）。针对以上背景，以及现有产品的一些缺陷，本文提出一种新型简单的技术方案以实现基于51单片机无功功率补偿装置，以51单片机为主控芯片，控制继电器组控制补偿电容的大小，然后通过功率因数检测电路，电压电流检测模数转换电路，液晶显示电路，键盘控制电路，数据储存电路构成的补偿装置，实现电网的功率因数补偿，这种补偿具有简单，灵活，不容易引起电网的震荡。1.2 本文主要任务要求本文所做的工作是：针对当前的电网无功功率补偿装置要求，设计了基于51单片机的无功功率因数补偿装置。在分析系统设计要求后，本设计采用电压电流互感器构成的功率因数检测电路以及电压电

16、流检测模数转换电路以及用继电器构成的电容补偿组电路。本系统的硬件设计内容包括：功率因数检测电路，电容自动投切电路，模数转换电路，控制电路单元和人机交互单元的设计六个部分。其中控制系统采用STC89C52作为核心控制器。软件系统包括人机交互界面设计以及功率因数检测，电容投切等设计三大部分程序设计。最后，通过系统仿真测试系统的使用性。本设计的详细任务要求是：1） 了解51单片机的特点，使用方法以及相关应用系统开发技术；2） 掌握无功补偿装置的工作原理；3） 设计出基于单片机的无功功率补偿电路，设计出装置的总体方案；4） 该电路能实现对电路的功率因数检测，控制电容组投切功能；5） 该电路能实现对电路

17、的电压电流测量，测量数据存储功能6） 该电路要求有友好的人机交互界面，能方便显示当前电路的电压电流值，以及当前的无功功率因数值，以及需要补偿电容值和实际补偿电容值。7） 完成该电路的系统仿真已验证所设计产品是否满足以上要求。1.3 设计内容和论文结构安排1）通过任务要求分析，本文主要完成如下几个设计内容：A 设计出基于电压电流互感器的功率因数测量电路；B 设计出信号调理电路以及AD转换电路；C 设计出电容组投切控制电路以及控制电路；D 设计出人机交互电路；E 设计出满足整个任务要求的系统的软件开发；F 设计出基于PROTUSE的控制系统仿真电路。2） 论文结构安排如下：第一部分，介绍本设计的背

18、景，分析无功功率补偿装置电路背景及实用意义，同时阐明本文的机构安排。第二部分，分析基于单片机无功功率补偿的原理，并对所用控制器芯片进行介绍。第三部分，完成整个系统的硬件电路设计。第四部分，完成系统的软件系统设计。第五部分，完成本设计的系统调试，并分析解决调试中遇到的问题。最后，对文章进行了总结与展望2 系统方案总体设计2.1 系统需求分析根据任务书要求：本文要设计出一套基于单片机的无功功率补偿电路和电压电流测量电路，数据存储电路以及人及交互电路。并完成对系统电路的仿真。该系统的技术指标为：1） 该电路能实现电网电压电流测量；2） 该电路能实现无功功率因数检测，电容组自动投切功能；3） 该电路要

19、求有友好的人机交互界面，能方便显示当前电路的电压电流值，以及当前的无功功率因数值，以及需要补偿电容值和实际补偿电容值。4） 通过建模仿真验证该系统的可靠性和实用性。2.2 无功功率装置原理 电网输出的功率包括两部分；一是有功功率;二是无功功率.直接消耗电能，把电能转变为机械能,热能，化学能或声能,利用这些能作功，这部分功率称为有功功率；不消耗电能；只是把电能转换为另一种形式的能，这种能作为电气设备能够作功的必备条件,并且这种能是在电网中与电能进行周期性转换，这部分功率称为无功功率，如电磁元件建立磁场占用的电能，电容器建立电场所占的电能，电流在电感元件中作功时，电流滞后于电压90。而电流在电容元

20、件中作功时,电流超前电压90.在同一电路中,电感电流与电容电流方向相反,互差180.如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件,使两者的电流相互抵消,使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小。 武功补偿的事项方式是，将感性元器件电感和容性元器件电容并联在一起，使他们之间的能量进行互换，可以使他们之间的能量相互补充。 无功补偿的意义：补偿无功功率，可以增加电网中有功功率的比例常数。减少发电机设计的容量，减少成本，当功率因数从cos=0.8增加到cos=0.95时，装1Kvar容性器件可节省设备容量0.52KW；相反，增加0.52KW对原设备来说，增加了发电和供电的总容量。因此，对新建、改建工程，充分利

21、用这种无功补偿方法，可以为国家和公司省掉很大的投资。降低线路损耗，由公式%=（1-cos1/cos2）100%得出前后的功率因数，cos1为补偿前的系统的原有功率因数则：cos2cos1，所以提高功率因数后，线损率也下降了，减少设计容量、减少投资，增加电网中有功功率的输送比例，以及降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益。所以，功率因数是考核经济效益的重要指标，规划、实施无功补偿势在必行。2.3 系统方案选择基于任务需求，无功功率补偿装置检测中的各种电路有很多方案，下面将分析各方案优缺点。2.3.1基于单片机的功率因数检测方案选择方案一：利用单片机外部中断测量。利用电压电流互感器将电网中的

22、电压电流转换成信号调理电路可以处理的电压电流值，利用比较器构成的过零比较电路将正弦波转换成同相位的电路，将两个方波信号分别接入到单片机的外部中断中，通过测量相位差，来测量该电路的功率因数为。该方案实用性和可靠性强，能够简单的实现功率因数测量，同时便于安装。本方案实现起来硬件简单，软件比较容易实现，并且软件计算比较简单，对于处理器的要求不高，在实际应用中可以选用比较便宜的单片机来处理，可以很大程度上降低成本以及难度，然而精度不是很高。方案二：利用AD0809测量方案。该方案中利用AD0809多通道并行采样的特点，测量采集实时电压电流的信号，采用两点乘积算法对各信号进行计算。具体方法是以电气角度为

23、采样间隔而采集一个周期内的两个数据，因而算法本身所要求的数据窗长度为1/4周期。对于50Hz的工频来说就是5ms。在一个周期内所采集的两个数据需要保证在5ms的间隔。这个时间一般由单片机的定时器来实现。按照这个方法来计算电压电流的有效值和电路的有效值和阻抗，则。该方案电路结构简单，可以同时测量电网的电压电流值以及功率因数。但是由于在电路中拥有大量的计算，包括平方运算，开方运算以及复数运算，对于单片机的要求比较高，并且拥有大量的要数据存储，明显提升了电路成本以及软件开发难度。方案三：专业的芯片ADE7763测量方案。利用多功能计量芯片ADE7763来实现功率因数的测量。该芯片将AD转换器和数字信

24、号处理功能集成到单个芯片内，能能够完成有功电能，视在电能等菜蔬的准确测量，依据有功电能和视在电能，就可以有微控制器计算出功率因数。该方案结构简单，测量精度很高。然而，由于使用专业的测量芯片，在电路中与微控制器连接起来比较简单，但是电路成本比较高，并且在控制过程中，对于微控制器要求也比较高，数据量存储要求也比较多，在实际中使用成本较高，软件难度也比较大。综合以上方案对比分析，本设计功率因数测量选用方案一。2.3.2无功功率补偿方案选择在测量功率因数方案确定为基于单片机的中断法测量后，确定利用测量的功率因数来进行无功功率补偿方案如下。方案一：并联电容器进行无功功率补偿方案。静止电容器供给的无功功率

25、与所在借点的电压V的平方成正比。静止电容器的结构比较简单，装设容量可大可小，而且即可集中使用，又可分散装设来就地供应无功功率。可以在调节电容器的功率，可将电容器连接成若干组，根据负荷的变化，分组投入或者切除，继电器投切电容器补偿装置就可以实现补偿功率的调节，可以简单的实现对于电网的无功功率补偿。该方案经济，灵活，损耗低，安装维护方便。并且在实际使用中也是经常使用的方案之一。方案二：同步调相机无功补偿方案。该方案下，调相机就相当于一台不带载运行的电动机。在过励磁运行时，它想系统供给感性无功功率而起无功电源作用，能够提供系统电压；在欠励运行时，它从系统西区感性无功功率而起无功负荷作用，可降低系统电

26、压。该方案由于实际运行的需要和对稳定性的要求，欠励磁最大容量只有过励磁容量50%到60%。装有自动励磁调节装置的同步调相机，能根据装设地点电压的数值平滑改变输出或者洗手无功功率，进行电压调节。然而同步调相机是旋转机械，进行维护比较复杂，它的有功功率损耗较大，费用也高，故同步调相机宜大容量集中使用，容量小于5MVA的一般不装设，同步调相机时常安装在枢纽变电所，用于平滑调节电压和提高系统稳定性。综合以上方案的优缺点，联系本课题研究的对象，基于51单片机的无功补偿装置设计，结合实际情况，选择方案一为无功功率补偿方案。2.4 系统总体设计2.4.1 系统整体结构组成图1 系统框图通过2.2节方案选择，

27、本文已经确定了系统总体的方案设计。如图1所示为系统总体框架结构。整个系统硬件电路系统硬件电路包括功率因数测量电路，信号调理电路，AD数模转换模块，电容投切电路，液晶显示器（lcd1602字符型液晶），数据存储电路6大部分。2.4.2 系统原理系统原理，系统是基于51单片机的无功功率补偿装置设计，在系统中，利用51单片机作为主控制器，利用电压电流互感器将电网上的电压电流变换成在以内的小信号，经过过零比较电路将信号转换成与原信号正弦波同相位的方波，然后分别将这两个方波信号输送给51单片机两个外部中断，分别利用着两个外部中断控制51单片机的定时器/计数器1的启动和停止，利用两个方波的下降沿来测量两个

28、方波的之间的时间差，通过时间差就可以求出相位差，功率因数就是；测量出功率应属后通过利用单片机的内部运算计算出需要补偿的电容值，通过单片机驱动继电器来控制并联电容的投切，从而使电网的功率因数达到0.95以上。另外在系统中，还对系统的电压电流进行了测量，利用幅值检测电路将正弦波信号幅值检测出来，通过利用AD0832分别测量电网电压以及电流值，并且计算出当前电网的有功功率和武功功率。系统还设置了包括以液晶LCD1602和键盘构成的人及交互电路，在人机交互电路中，利用指示灯指示系统功率因数的测量是否在正确的运行，利用液晶1602来显示电网的电压，电流以及功率因数等参数，也可以显示对比补偿前后的功率因数

29、的变化，用于这些测量可以方便的得出补偿前后系统的特性。3 系统硬件电路设计如图1所示中，本设计硬件电路设计包括6大部分电路。在本章的设计中将详细的介绍系统的硬件电路的组成以及原理。3.1 功率因数测量电路3.1.1 功率因数测量原理本设计中采用51单片机外部中断来测量功率因数，下面介绍功率因数测量的原理。功率因数是交流电路中电压与电流之间的相位差的余弦。由于已知交流信号的频率f和周期T，因此功率因数可以根据电压与电流之间相位差对应的时间差t计算求得。其计算公式为：周期 （1） 相位差 （2） 功率因数 （3）交流电频率为50HZ，则周期为20ms。由于功率因数范围在01之间，因此t应当在05m

30、s之间。当技术值t1大于5ms，假设时间差为，则处理方法为： 可以根据计数值t确定负载特性。当计数值t小于10ms，电压信号超前电流信号，负载呈感性；当计数值t大于10ms，电压信号滞后电流信号，负载呈容性。3.1.2 基于单片机的测量原理分析本设计中利用测量方法如图2所示。在改系统中主要由单片机电路，显示电路，两个过零比较电路构成。图2 系统硬件电路组成框图 在本次设计中，模块采用两个比较器使交流小信号变换成同相位的方波信号，在信号中，利用两个外部中断的中断函数来控制定时器1或者2的的启动或者停止，因为变换来的方波信号和原来的交流小信号具有相同的相位和周期，都是50Hz的信号，通过运用定时器

31、来计算出两个交流信号下降沿的的时间差，就可以计算出两个信号的相位差，通过公式（1）（2）（3）可以换算得到系统的功率因数。在得到系统的功率因素时，使用系统的显示液晶1602可以轻松的讲功率因数显示在相应的系统中。在本设计中外部中断都采用下降沿来开启中断，进入中断后一个外部中断用来开启定时器，另一个用来管段定时器，计算出这个时间差就完成了功率因数的测量。图3 外部中断的时序图3.1.3 基于单片机的无功功率因数测量电路设计在本系统中，采用电流传感器和电压传感器将单相交流信号上的电压信号和电流信号采集出来，经过由运放组成的过零比较器，将电压型号和电流信号分别变换成同频率的方波。过零比较器的原理是信

32、号大于0的时候，比较器输出的是高电平，信号的值小于0的时候比较器输出的值是低电平，这样就可以把输入信号变换成同频率的方波信号。在电压互感器中，电压互感器测量过程中将电压互感器并联到单相交流电源的两端，由于运放供电的电压不是很高，所以在输入给运放的电压不易过高，由于整个系统需用的是5V电压作为供电电源，所以在本设计中选取电压互感器的次级端串接两个分压电阻R23和R24，大小分别为59k和1k，采样比为1/60,这样将0-220V电压信号U1变换得到0-3.67V的交流电压小信号U2，用变比公式为可以求得上面的变化比。然后经过运放构成的LM339组成的过零比较器器将此交流电压信号转换成同相位方波信

33、号，将一个方波信号供给单片机的外部中端口0使用。如图4所示。图4 电压信号测量相位电路图在电流互感器中，电流互感器测量过程中将电流互感器串联到单相交流电源的负载中在电压互感器的次级端串接两个分压电阻R22和R33，大小分别为9k和1k,采样比为1/10,并且电流互感器的变比K=10，则将电流信号通过次级的电阻转换成电压信号后可以将系统的0-100A的电流信号I1转换成0-5V的电压小信号U2。然后经过LM339组成的过零比较器器将此交流电流信号转换成同相位方波信号，供给单片机的外部中端口1使用。如图5所示。 图5电流号测量相位电路图3.2 模数转换电路设计交流信号的峰值检测电路有很多种，它的作

34、用是将交流信号的峰值通过检测电路将交流信号变换成为一个直流信号，直流信号的电压值为交流信号的峰值。详细的电路设计如图6所示： 图6 峰值检测电路在图6所示电路中所示，此电路原理是通过二极管的单向导通特性，用交流信号不断的给后级电容充电，当交流信号的电压大于电容的电压时，二极管导通，给电容充电，电容的电压不断升高，当交流信号的电压小于电容电压的时候，二极管的截止，电容电压保持在前一刻值，最终使电容电压保持在交流信号的峰值。电容两侧并联100M电阻的作用是，在交流信号峰值变化时，可以使用这个旁路将电容的电放掉，但是这个电阻不能够取的太小，太小电容放电太快，电容两端的电压不稳定，输出的直流电压将是一

35、个三角波；太大，电容放电太慢，当交流信号的峰值变化时，电路反应时间很慢，甚至电容两端电压在相当长的时间内保持在原来的值上，从而不便于信号值的测量。而这一个电路中由于二极管的压降为0.4V，所以利用这个原理使电容两侧电压始终保持为交流信号的峰值减去二极管的压降。模数转换电路如图7所示，为了充分的利用控制器IO端口资源，本社就选用通用串行ADC0832作为本设计的模数转换器，图中的两个ADC分别是测量电压和电流的信号，具体控制信号详见途中的网络标号。如图7所示，CS端口接P30是控制ADC0832的使能的，当为高电平时，ADC0832不工作，当为低电平的时候，ADC0832开始工作；CLK端口接P

36、31为它的时钟，为数据读写提供时钟源；DI端口接P34为它的写输入口，用来通过单片机向它写入一些控制命令；DO端口接P35为输出端口，用来向单片机输出采样的结果，由于本次设计中采用的是STC89C52，它的I/O口既可以读也可以写，所以当端口不够用的时候可以将DI和DO用一个引脚控制。图7 ADC0832采样电路电路 在完成图6的信号处理后，将输出的信号送给ADC0832来采样，通过前级的信号调理电路中信号处理，将输入给ADC0832的信号转换成0-5V的直流电压信号。经过ADC的采样便可以求得电压电流信号的峰值。ADC0832是国家半导体公司生产的一款经典的8位单通道ADC芯片。该芯片采用电

37、压逐次比较的方式将模拟信号量化为数字信号。并通过三条串行总线将量化后的8位数据发送到控制器。如图7所示，ADC0832中使用的电压参考源和电源共用一只脚VCC，在本设计中，使用两个ADC0832分别对电压电流进行采样，采样得到的值是0-255的数值。经过前面分析，电压电流通过互感器得到的变比分别为k1=60,电流信号转换成电压信号的变比k2=100,而通过图6变换的来的电压信号是峰值，这里给定的是有效值U。则由变换公式 可以求得交流信号的有效值U;假设测量得到的电压对应数据位。则由以下公式可以求得电压和电流的值分别为： （4） （5） 通过式（4）（5）中的关系，可以在程序编写中通过化简后得到

38、相应的计算，从而简化单片机运行的时间。 使用两片ADC0832分别来对电压信号和电流信号进行采样，可以有效的避免他们之间的相互干扰，可以方便快捷的测得每时每刻电压电流信号。3.3 单片机控制单元设计本设计中的控制系统包括单片机最小系统，和液晶显示电路两部分。单片机采用宏晶公司生产的STC89C52，该芯片是基于51核，冯诺依曼架构的一款8位微处理器。显示电路采用的是成本低廉的LCD1602来代替传统的数码管显示。3.3.1单片机介绍单片机概述：单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。通常，单片机由单块集

39、成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。STC89C52介绍：STC89C52是51系列单片机的典型产品，在单片机内部包含了中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。芯片内部有两个16位的可

40、编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。片上共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。STC89C52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和

41、闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的STC89C52是一种高效微控制器，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。如图6所示是常用的一种单片机，型号为STC89C52，它将计算机的功能都集成到这个芯片内部去了，就这么一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此叫做单片机。它有40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第1脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚第40脚。在40个管脚中，其中有32个脚可用于各种控制，比如控制小灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这32个脚叫做单片机的“端口”，在单片机技术中，每个端口都有一个特定的名字，比如第一

42、脚的那个端口叫做“P1.0”。图8 STC89C52管脚分布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。 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

43、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

44、口也可作为STC89C52的一些特殊功能口。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，STC89C52设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下

45、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。处理器的功能：STC89C52是一带有2K字节闪速可编程课擦除只读存储体（EEPROM）的低电压，高性能8位CMOS微型计算机。它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容，在单块芯片上组合通用的CPL1和闪速存储器(ATMEL)。STC89C52是一强劲的微型计算机，它对许多嵌入式控制应用提供一高度灵活和成本低的解决方法。 STC89C52的特点

46、和应用它有如下一些特点：和MCS-51产品兼容；2、2KB可重编程FLASH存储器（10000次）；3、2.7-6V电压范围； 全静态工作：0Hz-24MHz；5、2级程序存储器保密锁定；6、128*8位内部RAM；7、15条可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；9、6个中断源；可编程串行通道；高精度电压比较器（P1.0，P1.1，P3.6）；12、直接驱动LED的输出端口。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。在智能仪器仪表上，单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活等优点广泛应用仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压，功率，频率，湿度，速度，压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化，智能化，微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大；用单片机可以构成形式多样化的控制系统、数据采集系统。本设计主要应用STC89C52的外部中断和定时器中断等片上自带的外部资源。3.3.2中断系统中断是处理器处理外部突发事件的一个重要技术