基于单片机的线路保护设计与实现(共40页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上 毕 业 设 计（论 文）基于单片机的线路保护设计与实现系别：机电信息学院专业名称：电气工程及其自动化学生姓名：学号：指导教师姓名、职称：完成日期 2012年12月14日专心-专注-专业论文题目：基于单片机的线路保护设计与实现（硬件）专 业：电气工程及其自动化本 科 生： （签名） 指导教师： （签名） 摘要电力作为一种高级、清洁、方便的能源利用形式，正越来越广泛地应用于经济社会的各个方面。电力系统运行的安全性是形成系统威胁的主要问题，然而电力系统中的故障却是不可避免的。为确保系统安全稳定运行，增强供电的可靠性和连续性，就需要一个优质的故障诊断分析系统。输电线路，它连

2、接着电源和各种用电设备，实现电能的传输任务。当输电线路发生短路故障时，短路电流比正常工作电流大许多倍，产生巨大的热效应和力效应。这不仅危及线路的本身的运行，而且给整个电力系统的安全稳定运行带来了隐患。本设计对采用单片机构成结构简单，成本低，使用方便的三段式电流保护装置的硬件结构、软件设计进行了研究，设计了一种基于AT89S52单片机的输电线路电流保护装置。本论文重要包括二大部分的内容。第一部分介绍了微机保护的相关知识；第二部分为单片机实现线路过流保护的硬件电路设计，包括模拟电流输入、单片机系统、继电器动作、以及按键和显示电路，并介绍了了LM324、AD0809、LF398等芯片。关键词：单片机

3、；继电保护；电流保护；电流。研究类型： 应用研究Subject: Based on SCM line protection （hardware）Specialty: Electric Engineering and its Automation Name: Liu YongJin (Signature) Instructor: Fu ZhouXing (Signature) AbstractElectric power as a senior，clean，convenient energy use form，is widely used in the aspects of economic s

4、ocietyPower system operation safety of the main threat is to form a system problem，however， is the power system fault inevitableTo ensure the safe and stable operation of the system，strengthen the power supply reliability and continuity，you need a high quality fault diagnosis analysis system Power l

5、ines，it connects the power and all kinds of electric equipment，realize power transmission taskWhen the transmission lines happen when the fault than normal working current short circuit current many times, the enormous heating and power effectThis not only endanger lines of the operation itself，and

6、the whole power system for the safe and stable operation of brought hidden troubleThis design by single chip microcomputer constitutes of simple structure，low cost and convenience 3-sectional current protection device of the hardware structure and software design research，design a kind of 52 single

7、chip microcomputer based on MCS transmission line current protection deviceThis paper includes two most important contentThe first part introduces the microcomputer protection related knowledge；The second part is the single chip microcomputer transmission line current protection hardware circuit des

8、ign，the design of the simulation，the input channel and single-chip microcomputer system，switching output channel and the keyboard and show circuit，and introduce LM324，it AD0809，LF398 chip，etc.Keywords: Single chip microcomputer；The relay protection；Current protection；current.Type of research: applie

9、d research目录1绪论1.1 选题的目的和意义单片机是采用超大规模集成电路技术，在一个芯片上集成了CPU、储存器和IO接口三部分而形成的一个单片微计算机系统。现在可以说单片机是百花齐放的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势。单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛。它在应用方面，目前已用于工业控制、机电一体化设备、仪器仪表、信号处理、现代兵器、交通能源、商用设备、医疗设备及家用电器等各个领域，它改变了我们生活。就从我们生活来看，从导

10、弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机，随着单片机性能的不断提高，它的应用将会更加广泛。最早出现的继电保护装置是熔断器，后来发展为电磁型过流继电器，随着科技的发展，又出现了高频保护装置，从元件、材料等方面来说，它经历了从电磁式保护装置到晶体管式继电保护装置、到集成电路继电保护装置、再到微机继电保护装置。当今，电力系统及广大用户对电网系统的继电保护技术提出了更高的要求，国内外继电保护技术正朝着网络化、计算机化、测量、控制、保护、数据通信一体化和人工智能化的方向

11、发展，这对继电保护工作者提出了更加艰巨的任务，特别是对大型企业复杂厂区电网继电保护可靠性及智能化的研究尤为重要。继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。单片机实现的路保护装置护及成具有着常规保护所无法比拟的高可靠性。例如,，采用了与高压线路保护类似的数据采集系统和高性能单片机构成的双系统，变压器主保护与变压器各侧的后备保护分别采用不同的完成保护功能。在毕业设计的整个过程中，我们将会学习如何将单片机应用到线路保护中，这样做的好处以及它相对于其他同类产品的优点。这也将对于我们所学习的理论知识有更加透彻的理解。本课题以线路保护为研究对象，通过对三段式电

12、流保护原理进行的研究，对线路保护进行理论分析，基于单片机进行硬件设计，实现线路的III段式电流保护的检测、快速处理和报警。这样将会给我们的生活很多方面带来便捷。1.2 电力系统继电保护的任务电力工业是国民经济的基础，是重要的支柱产业。它与国家的兴盛和人民的安康有着密切的关系，因此，电力产品应该是安全、可靠、经济、优质的能源产品。 随着国民经济的飞速发展，电力系统的规模越来越复杂。在整个电力生产过程中，由于人为因素或大自然的原因，会发生这样那样的故障和出现不正常的运行状态。一旦发生故障即会产生如下后果：1.数值很大的短路电流通过短路点会燃起电弧使故障设备烧坏，烧毁。2.短路电流通过故障设备和非故

13、障设备时会发热并产生电动力作用，使设备受到机械损坏和绝缘损伤以至缩短设备使用寿命。 3.电力系统中电压下降，使大量用户的正常工作遭受破坏或产生废品。 4.破坏电力系统各发电厂之间并行运行的稳定性，导致事故扩大，甚至造成整个系统瓦解瘫痪。 对于电力系统运行中存在的这些故障隐患，要积极采取一些预防措施，如提高设备质量，增加可靠性和延长使用寿命。而从运行管理角度出发，应提高从业人员的安全意识和增强责任心，提高科学管理水平，增强安全措施以减少事故的发生。1 对于不可抗拒的事故发生应做到及时发现，并迅速有选择地切除故障组件，隔离故障范围，以保证系统非故障部分的安全稳定运行，尽可能减少停电范围，保护设备安

14、全。继电保护是一种能反应电力系统故障和不正常状态，并及时动作于断路器跳闸和发出信号的自动化设备。继电保护一词是指继电保护技术或由各种继电保护装置单元组成的继电保护系统。其任务是：1.自动、迅速、有选择地切除故障组件，使无故障部分恢复正常运行，使故障部分设备免遭毁坏。2.发现电器组件的不正常状态，根据运行维护条件动作于发信号，减负荷或跳闸。1.3 继电保护装置原理和装置的组成1.3.1 继电保护的原理为了完成继电保护所担负的任务，要求它能正确区分电力系统正常运行状态和故障状态或不正常运行状态。因为，可根据电力系统发生故障或不正常运行状态前后电气物理量变化特征为基础构成继电保护装置。电力系统发生故

15、障后，工频电气量变化如下：1.电流增大。短路时故障点和电源之间的电气组件上的电流，将由负荷电流值增大到大大超过额定负荷电流。2.电压降低。系统发生相间短路或接地短路故障时，系统各点的相间电压下降，且越靠近短路点，电压下降越多，短路点电压最低可降到零。3.电压和电流之间的相位角发生变化。4.测量阻抗发生变化。测量组浪即为测量点电压与电流相量之比值。5.出现负序和零序分量。正常运行时只出现正序分量，当发生不对称短路时，将出现负序和零序分量6 .电气组件流入和流出电流的关系发生变化。对任意正常运行的电气组件，流入电流等于流出电流，但组件内部发生故障时则不等。利用故障时电气量的变化，可以构成各种作用原

16、理的继电保护，除了反映各种工频电气量的保护原理外，还有反映非工频电气量的保护，对于反映电气组件不正常运行情况的继电保护，主要根据不正常运行情况时电压和电流变化的特征来构成。21.3.2 继电保护装置的构成继电保护装置的发展经历了几个阶段，但无论那种阶段的保护装置，其构成结构均可由图1-1表示。由图知道，一套继电保护装置由测量部分，逻辑部分和执行部分所组成。图1-1 继电保护装置组成结构框图测量部分从被保护对象输入的有关电气量，并与预先给定的整定值进行比较，根据比较的结果，确定被保护对象有无故障和不正常运行情况发生，从而给出一组逻辑信号。逻辑部分根据测量部分各输出逻辑信号的大小、性质、输出的逻辑

17、状态、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的逻辑关系工作，最后确定是否应该使断路器跳闸后发出信号，并将有关命令传送给执行部分。执行部分根据逻辑部分输出的信号，送出跳闸信号或报警信号。31.4 继电保护的基本要求1.4.1 选择性继电保护动作的选择性指保护装置动作时，仅将故障组件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小。要满足选择性，必须从两方面出发进行考虑。一方面考虑哪个组件发生故障应由该组件上的保护装置动作切除故障。另一方面，考虑到继电保护或断路器有拒绝动作的可能性，需要考虑后备保护问题。1.4.2 速动性当电力系统发生故障时，继电保护装置应该能迅速动作切除故障。快速切除故障可以提高电力系统

18、运行稳定性，减少用户在电压降低情况下的工作时间，缩小故障组件的损坏程度，还有利于电弧闪络处的绝缘程度恢复，从而提高再送电的成功率。切除故障的总时间等于保护装置和断路器动作时间之和。一般的快速保护动作时间为0.060.12s，最快的可达到0.020.04s；一般的断路器的动作时间为0.060.15s，最快的可达0.020.06s。1.4.3 灵敏性灵敏性指的是继电保护装置对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力，通常用灵敏系数来衡量。满足灵敏性要求的保护装置应该是在事先规定的保护范围内部故障时，不论短路点的位置，短路的类型如何，以及短路点是否存在过度电阻，都能敏锐感觉，正确反应。1.4

19、.4 可靠性可靠性指就保护装置本身的质量和运行维护水平而言，要求在其规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不拒绝动作；而在任何其他不应该动作的情况下，则不误动作。提高继电保护装置不误动可靠性和不拒动可靠性的措施常是矛盾的，在选用和设计继电保护装置时，需要依据保护对象的具体情况，对两方面的性能要求适当的予以协调。例如，对于传送大功率的输电线路保护，一般强调不误动作的可靠性；对于其它线路保护，则往往强调不拒动的可靠性。除了上述四个基本要求以外，选用保护装置时还应该考虑经济性。在保证电力系统安全运行的前提下，尽可能地采用投资少，维护费用低的保护装置。1.5 微机保护系统的简介1.5.1 继电保

20、护的发展过程继电保护的发展与世界工业技术的发展息息相关。19世纪末出现了直接作用于断路器的电磁型电流继电器，这可认为是保护技术的开端。20世纪50年代，电子工业方面出现了半导体晶体管，随后人们又将多个晶体管集成在一个半导体芯片上，就出现了集成电路。20世纪70年代后期，由于微机处理器技术的发展，计算机价格下降，出现了比较完善的微机保护样机，并投入到电力系统中试运行。20世纪80年代微机保护被一些国家广泛应用，这就是第三代的静态继电保护装置，也叫数字型保护装置。到了20世纪90年代，微机保护在我国开始大量应用。进入21世纪，微机保护已经成为继电保护的主要形式。41.5.2 微机保护的特点微机保护

21、主要由硬件和软件两大部分组成。硬件主要包括输入信号的预处理系统，一台计算机系统向计算机输入信号和计算机向外输出信息的输入和输出端口，打印机，键盘及调试整定设备等。软件主要指用汇编语言编写的计算机初始化程序，针对保护原理而设计的测量和判断故障的程序，数字滤波程序，计算机硬件和软件的自检程序等。 微机保护具有以下优点：一台微机保护除了有保护功能外，同时还可以兼有故障滤波，故障测距或重合闸等功能。微机保护可以通过软件设计而改变保护定值和特性以适应电力系统运行方式变化要求。微机保护由于有自动检测和自诊断能力，能自动检测出硬件的故障和对输入数据进行校错，使检测监视变得容易，从而使保护可靠性大大提高。同时

22、，由于它的硬件和软件的测试是自动进行的，所以不存在大量的调试工作。由于一套微机保护同时能具有保护，测距和滤波等多种功能，且它的体积小，耗电量少，维护工作量小，而微处理器价格也逐渐下降，这使用户的投资成本降低。52 输电线路电流保护的原理2.1 三段式保护的基本概述电流保护装置是反映相间短路基本特征，并接于全电流的相间短路保护装置。整套电流保护装置一般由瞬时段、限时段、定时段组成，构成三段式保护阶梯特性。三段式电流保护一般用于110KV及以下电压极的单电源出线上，对于双电源辐射线可以加方向元件组成带方向的各段保护。三段保护的I和II为主保护段，III为后备保护段。第一段一般不带时限，称瞬时电流速

23、断，其动作时间是保护装置固有动作时间；II带较小的延时，一般称电流速断；III称定时限过电流保护，带较长时限，对于6V10V配电线路，一般采用两段式保护，有时采用有限反时限过电流保护，该保护装置有速断部分和反时限部分，兼主保护和后备保护功能。在中性点非直接接地系统中，电流保护为两相式，电流常取A，C相，因此，当两点接地不在同一地点时，保护装置有2/3机会断开一个接地点，仅A，C相接地时，才有可能断开两个接地点。当 A 或C相两点接地， 相接地在辐射串联线路相邻线上时，相邻线保护可能越级动作。在中性点直接接地系统中，电流保护装置为三相式，以检测各种相间短路故障。6对于各级电压线路，当采用带方向的

24、保护时，为消灭死区或某种特殊需要，例如加速切除线路近端故障时，可装设辅助性质的瞬时电流速断，通称辅助保护。辅助电流速断不带方向。电流保护简单可靠，有一定反应弧光电阻的能力，因此，当保护性能满足基本要求时，应优先采用。2.2 三段式电流保护的整定方式输电线路上发生各种相间短路时，总伴随着故障相电流的增大。当故障线路上的电流大于某一个规定值，保护将跳开故障线路上的断路器而将故障线路断电。这就是电流保护原理。规定值就是电流保护的动作值，它是能使电流保护动作的最小电流，通常用Idz表示。为了及时可靠的切除输电线路上的故障，输电线路常配置三段式电流保护。三段式电流保护包括：1.电流速断保护；2.限时电流

25、保护；3.过电流保护。以上1、2属于主保护，3属于后备保护。2.2.1 电流速断保护（第段）对于仅反应于电流增大而瞬时动作电流保护，称为电流速断保护。1要求：接线简单，动作可靠，切除故障快，但不能保护线路全长，保护范围受到系统行方式变化的影响较大。图2-1 电流速断保护图中1最大运行方式下d (3 ) 2最小运行方式下d (2 ) 3保护1第一段动作电流 （2-1） （2-2）可见，Id的大小与运行方式、故障类型及故障点位置有关。最大运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最大的方式。最小运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最小的方式。2整定值计算及灵敏

26、性校验：为了保护的选择性，动作电流按躲过本线路末端短路时的最大短路电流整定。 （2-3） 1.21.3 保护装置的动作电流（IdZ）：能使该保护装置起动的最小电流值，用电力系统一次测参数表示。在图中为直线3，与曲线1、2分别交于a、b点。可见，有选择性的电流速断保护不可能保护线路的全长。灵敏性：用保护范围的大小来衡量lmax 、lmin一般用lmin来校验， 要求：（1520） 希望值50方法：1. 图解法2. 解析法： 可得 （2-4）式中 为被保护线路全长的阻抗值2.2.2 限时电流速断保护（第段）1.要求：任何情况下能保护线路全长，并具有足够的灵敏性在满足要求1的前提下，力求动作时限最小

27、。因动作带有延时，故称限时电流速断保护。图2-2 电流限时保护2.整定值的计算和灵敏性校验：为保证选择性及最小动作时限，首先考虑其保护范围不超出下一条线路第段的保护范围。即整定值与相邻线路第段配合。动作电流： (2-5) 动作时间： (2-6)灵敏性： 要求： (2-7)若灵敏性不满足要求，与相邻线路第2段配合。此时：动作电流： (2-8)动作时间： (2-9)2.2.3 定时限过电流保护（第段）1.要求：作为本线路主保护的近后备以及相邻线下一线路保护的远后备。其起动电流按躲最大负荷电流来整定的保护称为过电流保护，此保护不仅能保护本线路全长，且能保护相邻线路的全长。动作电流：1.躲最大负荷电流

28、 (2-10)2.在外部故障切除后，电动机自起动时，应可靠返回。电动机自起动电流要大于正常工作电流，因此引入自起动系数 (2-11) 式中， 显然，应按（2-11）式计算动作电流，且由（2-11）式可见，越大，越小，越大。因此，为了提高灵敏系数，要求有较高的返回系数。（过电流继电器的返回系数为0.850.9）2.整定值的计算和灵敏性的校验：在网络中某处发生短路故障时，从故障点至电源之间所有线路上的电流保护第段的测量元件均可能动作。例如：如图2-3中d1短路时，保护14都可能起动。为了保证选择性，须加延时元件且其动作时间必须相互配合。图2-3 三段式保护阶梯性即 、 、 、 注：当相邻有多个元件

29、，应选择与相邻时限最长的配合。近后备： Id1.min本线路末端短路时的短路电流远后备： Id2min 相邻线路末端短路时的短路电流第段的IdZ比第、段的IdZ小得多，其灵敏度比第、段更高；在后备保护之间，只有灵敏系数和动作时限都互相配合时，才能保证选择性；保护范围是本线路和相邻下一线路全长；电网末端第段的动作时间可以是保护中所有元件的固有动作时间之和（可瞬时动作），故可不设电流速断保护；末级线路保护亦可简化（或），越接近电源，t越长，应设三段式保护。83单片机实现输电线路电流保护的硬件总体设计3.1 系统的基本结构单片机实现的输电线路电流保护装置要求把输电线路上的电流经过A/D转换变成数字量

30、，利用单片机系统进行处理，判断是否发生故障或不正常状态，从而控制跳闸电路，达到保护输电线路的作用。按照系统设计功能的要求，初步确定设计系统由信号调理电路，采样保持，模数转换，单片机系统及其数码显示五大部分组成。基本结构框图如3-1所示： 图3-1 基于单片机的线路保护结构框图3.2 硬件设计中器件的选择在本次毕业设计中，经过与指导老师的多次商议，本着价格低廉，实用性高，便于认识和操作的四项基本原则选取了以下主要的几种电子器件：1.LM324运算放大器LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器，与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著的优点，该放大器可以工作在低到3.

31、0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一（对每一个放大器而言）。共模输入范围包括负电源，因而消除了许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。2.LF398采样保持芯片 LF398是一种反馈型采样/保持放大器，也是目前比较流行的通用型采样/保持放大器。与LF398结构相同的还有LF198F、LF298等，都是由场效应管构成，具有采样速率高、保持电压下降慢和精度高等特点。4.ADC0809模数转换器逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出 数字值。其电路规模属于中等。

32、其优点是速度较高、功耗低，在低分辨率（12位）时价格很高。5.AT89S52单片机单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。6.四位一体共阴极数码管LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的 2个8字样了。如：显示一个“2”字，那么应当是a

33、亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。3.3 单片机的简介3.3.1 单片机的定义 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功

34、能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储

35、功能的部件存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。9程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令

36、所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。3.3.2 单片机主系统介绍1. 8051的内部资源（1）一个8为的微处理器（CPU）。（2）片内数据存储器RAM（128B/256B），用于存放可以读/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）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。（4）四个8为并行I/O接口P0P3，每个口既可以用做输入，也可以用作为输出。（5）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

37、式，用于对外部事件进行计数，也可设置为定时方式，并可以根据技术或定时的结果实现计算机控制。（6）五个中断源的中断控制系统。（7）一个全双工UART（通用异步接受发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信。（8）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。最高允许振荡频为12MHz。以上各个部分通过内部数据总线相连接。10 2.8051单片机引脚图及其功能8051单片机引脚图如图4-1所示：图4-1 引脚图8051单片机引脚功能介绍：40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚。（1）电源：VCC - 芯片电源，接+5V；VSS -

38、 接地端；注：用万用表测试单片机引脚电流一般为5V或者5V，这是标准的TTL电平，但有时候在单片机程序正在工作时候测试结果并不是这个值而是介于0V5V之间，其实这之是万用表反映没这么快而已，在某一个瞬间单片机引脚电流还是保持在0V或者5V的。（2）时钟：XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。XTAL1（19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，这个放大器构成了内振荡器。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至片内振荡器

39、的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端；对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。（3）控制线：控制线共有4根，ALE/PROG（30脚）:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址。PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。PSEN（29脚）：外ROM读选通信号。片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或者常数期间，每个机器周期两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外部数据存储器期间，信号将不出现。RST/VPD（9脚）：复位/备用

40、电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位动作，使单片机回复到初始状态（复位电路将在我的硬件设计中给出说明）。EA/Vpp（31脚）：内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。当EA端保持低电平时，单片机访问片内程序存储器4KB（MCS52子系列为8KB）。若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。当EA端保持高电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问程序存储器。Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源V

41、pp。（4）：I/O线80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P0口（39脚32脚）：P0.0P0.7统称为P0口。当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。当接有外部存储器或扩展I/O接口时，P0口为地址/数据分时复用口。它分时提供8位地址总线和8位双向数据总线。对于片内含EPROM的单片机，当EPROM编程时，从P0口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。P1口（1脚8脚）：P1.0P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。对于MCS52子系列单片机，P1.0和P1.1还还有第2功能：P1.0可用作定时器/

42、计数器2的计数脉冲输入端T2；P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。对EPROM编程和进行程序验证时，P1口接收输入的低8位地址。P2口（21脚28脚）：P2.0P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。当接有外部存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。11对于EPROM编程和进行程序验证时，P2口接收输入的高8位地址。P3口（10脚17脚）：P3.0P3.7统称为P3口。它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入或第2功能。P3口的第2功能

43、详见表4-1表4-1引脚第2功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD(串行口输入端)TXD（串行口输出端）INT0（外部中断0请求输入端，低电平有效）INT1（外部中断1请求输入端，低电平有效）T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）WR（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）RD（外部数据存储器读写选通信号输出端，低电平有效）综上所述，MCS51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：（1）单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚都具有第2功能；（2）单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口分时复

44、用作为数据总线；由ALE、RST、与P3口中的T0、T1、共10个引脚组成控制总线。由于是16位地址线，因此，可使外部存储器的寻址范围达到64KB。4 硬件设计各部分详解4.1 单片机主系统设计4.1.1 单片机最小应用系统的设计片内带程序存储器的8051本身即可构成一片最小系统，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，同时用EA接高电平，ALE、PSEN信号不用，系统就可以工作。如图4-1所示：图4-1 8051最小化系统该系统的特点如下：1.系统有大量的I/O线可供用户使用：P0、P1、P2、P3四个口都可以作为I/O口使用。2.内部存储器的容量有限，只有128B的RAM和4KB的程序存储器。3.应用系统的开发具有特殊性，由于应用系用的P0口、P2口在开发时需要作为数据、地址总线，故这两个口上的硬件调试只能用模拟的方法进行。8051的应用软件须依靠厂家的掩膜技术置入，故一般只适用于可做大批量生产的应用系统。4.1.2 复位电路通过某种方式，使单片机各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。8051单片机在时钟电