单片机知识.docx

图 4.2 MCS-51 单片机的内部结构2)MCS-51 单片机的管脚功能采用HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40管脚双列直插式封装;而采用CHMOS制造工艺的80C51/80C31,除采用40脚双列式直插式封装外，还有用方形的封装方式如图1.2 所示为双列直插式封装单片机管脚图各管脚功能说明如下：1．电源管脚VCC(40 脚):接+5V； VSS (20 脚)：接地2．时钟信号脚XTAL1(19脚),XTAL2(18脚):外部时钟信号脚3．控制线1) RST/Vpd(9脚):当作RST使用时，为复位输入端；当作为Vpd使用时，当VCC掉 电下，可作备用电源2) /Vpp(31 脚)：为访问内部或外部程序储存器的选择号对片内RPROM编程时，Vpp 图4.3 MCS-51单片机的管脚 接入21V编程电压3) ALE/ (30脚)：当访问外部储存器时，ALE信号的负跳变将P0 口上的低8位送入 地址锁存器,不访问外部储存器时,ALE端仍以固定的振荡频率的1/6速率输出正脉冲信号 当对片内EPROM编程时，该管脚PROG用于输入编程脉冲4) (29脚)：外部程序存储器读选通信号。

4. 输入/输出口线1) P0 口(32〜39脚)O 口，既可接地址锁存器作低8位地址I/O 口使用也可以作数据 I/O 口使用能驱动8个LSTTL负载2) P1 口(1〜8脚)：具有内部上位电阻的8位准双向I/O 口，可驱动4个LSTTL负载3) P2 口(21〜28脚)：8位具有内部上位电阻的准双向I/O 口，在接收外部存储器时, P2 口作为地址高8位能驱动4个LSTTL负载4) P3 口( 10〜17脚)：8位具有内部上位电阻的准双向I/O 口，其每一位又有如下特 殊功能：P3.0 (RXD)：串行口输入端P3.1 (TXD)：串行口输出端P3.2() :外部中断0输入端，低电平有效P3.3() :外部中断 1 输入端，低电平有效P3.4 (T0)：定时/计数器0外部事件计数输入端P3.5 (T1)：定时/计数器1外部事件计数输入端P3.6 ():外部数据存储器写选通信号，低电平有效P3.7 ():外部数据存储器读选通信号，低电平有效4.4.2 单片机最小系统构成 单片机最小系统是指单片机能够工作所必需的外部电路，这些电路包括晶振电路、复位电路、外部程序存储器以及数据存储器等下面以典型MCS-51单片机为代表介绍最小系统 的各个部分。

1) 单片机晶振电路MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，管脚XTAL1和XTAL2分 别是反相放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器 一起构成一个自激振荡器，这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式，如图 4.4a 所示； 图 4.4b 所示为外部时钟方式［21］ 路： 无论是 HMOS 型还是 CHMOS 型单片机，振荡器 处于运行状态时，如果在单片机的RST引脚保持2个机器周期(24个振荡周期)的高电平， 则单片机内部执行复位操作，以后每个周期执行一次，直至RST端变低为保证单片机可 靠复位，设计复位电路时要考虑VCC的上升时间的振荡器建立时间，通常使RST端持续 20ms以上的高电平复位后单片机从程序存储器的地址0000H处开始运行，内部寄存器的 状态如表4.1 所示［22］表 4.1 复位后单片机寄存器状态 专用寄存器复位状态专用寄存器复位状态 PC0000HTH000HACC00HTL000HB00HTH100HPSW00HTL100HSP07HTH200HDPTR0000 HTL200HP0 〜P3FFHRLDH00HIP XXX 0000BRLDL00HIE0 X X OOOOBSCONOOHTMODOOHSBUF XXXXXXXX TCON00HPCON0 X X X X 0000BT2C0N00H注：X 为不确定状态 复位后，ALE和PESE为高电平，内部RAM不受复位的影响，此时内部RAM的状态不确定。

单片机复位电路：如图4-5所示分别为单片机的几种复位电路上电复位 b 按键电平复位 c 按键脉冲复位上电复位如图4.5a所示，它是在VCC与VSS管脚之间接入RC电路上电瞬间RST 端电位与VCC相同，随着电容充电电流的减小，RST端的电位逐渐下降只要VCC的上 升时间不超过1ms，振荡器建立时间不超过10ms，按图中的时间常数(C1=22p F，R1=1K Q )，上电复位 电路就能保证在上电开机时完成复位操作电复位所需要的最短时间是振 荡器建立时间加上2个机器周期在这段时间内，RST端的电平应维持高于施密特触发器 的下阀值图 4.5b 所示为一种上电与按键复位电路，在实际应用系统中，有些外围芯片也需要复 位电路，如果这些复位电平与单片机的要求一致，则可以与相连为了防止干扰窜入复位端，引起内部某些寄存器错误复位，可在RST管脚上接一个去 耦电容在应用系统中，为了保证复位电路可靠地工作，常将RC电路在接施密特电路后，再接 入单片机复位端和外围电路复位端，如图 4.5c 所示系统有多个复位端时，能保证可靠地 同步复位4.5.硬件设计基于C51的带电力监测的无功补偿装置的系统总图如图3.1所示。

4.5.1.模拟信号输入处理单元此模块包括电压电流信号形成回路、低通滤波回路(ALF )、基准电压(VBASE)形成回路、 同步方波形成回路此模块的作用是将电压互感器(YH)和电流互感器(LH)二次输出的电压、 电流模拟量经过上述环节处理成大小与输入量成正比、相位不失真的模拟量，输入到 C51 的 AID 转换通道进行采样，将其转化为计算机能接受与识别的数字量，再进行数据处理及 运算［23］ ［24］根据采样定理，采用FFT测量谐波，若要求准确测量(n=1，2. 3...)次谐波，则每周波 采样点数应最少为个点考虑 C51 的数字处理能力突出，适于进行线性运算的特点，以及 测量精度的要求，取系统的采样频率为3200Hz，即每周波采样64点，可准确测量32次谐 波量信号调理电路包括信号衰减和模拟抗混叠滤波器由互感器得到的电压电流信号线性衰 减成能输入C51的量程范围，再经抗混叠滤波器滤波，输入到C51的A/D转换器中进行采 样和模数转换抗混叠滤波器的作用是把电力系统的信号进行低通滤波，滤除高频分量，使 输入C51进行处理的信号是满足奈奎斯特采样定律（）要求的信号，消除混叠现象，提高FFT 的运算精度。

功率因数的获取本设计的核心芯片是CS5460A,它将外部输入的电压和电流信号进行计算，得到电压、 电流的有效值，和能量值它与CPU的接口简单，使CPU减轻了负担设计原理说明电压电流有效值、能量在CS5460A内部能量寄存器中是相对于该芯片满量程的百分比 形式存放的通过读带符号输出寄存器，可以读出1（瞬时时电压）、P（瞬时功率）、E（电能）、 IRMS,VRMS 的上一次测量结果测量结果以二进制补码的形式读出，通过数制转化并乘以 系数，可得出电能值E单位时间的电能值即为有功功率CS5460A输入端250mV的直 流电平将引起电压/电流有效值寄存器置 1C 满量程），为了防止超量程， CS5460A 输入的 150mV电平对应电压、电流的有效值分别为250V400A时满量程250mV输入对应的电压 有效值和电流有效值为416.667V，666.67ACPU每次读出的IRMS、VBMS都需要乘以一个系数，才能得到实际的电压、电流有 效值 U=416.667VRMS， 1=666.667IRMS， P1=416.667666.67E1. CS5460A的特性1.电能数据线性度:在 1000: 1 动态范围内线性度 0.1%2•可以测量电能，I-V, Ices, Vas,具有电能与脉冲一速率转换功能3. 可以从串行EEPROM智能"自引导”，不需要微控制器4. 功耗 v12mw5. 单电源地参考电源6片上2.5V基准电压7.具有简单的三线串行接口和看门狗定时器2. CS5460A的介绍CS5460A 总述CS5460A是具有能量计算引擎的CMOS单片功率测量芯片。

它包含了一个增益可编程 放大器、两个调制器、两个高速滤波器、系统校准和计算功能，用以计算电能、 、和瞬时功率CS5460A可以用以各种功率测量装置，它适合与分流器或电流互感器相连来测量电流 与分压电阻或变压器相连来测量电压上电后，芯片被初始化并可执行全部功能为了和输入电压的不同等级相匹配，电流通道集成有一个增益可编程放大器（PGA）｝使 信号满量程为150m和30m可选择CS5460A包含两个高速滤波器，它以（MCLK /K ）/1024 的字输出速率（OWR）输出数据为了方便与外接控制器的通讯，CS5460A集成有一个简单的三线串行接口，该接 83与SPI和MICROWIRE标准兼容串行接口的串行时钟（SCLK）输入端包含一个施密 特触发器，允许使用上升/下将速度较慢的信号运行原理CS5460A可以在单一+5V电源或2.5V电源下运行电流通道输入范围30m或150m可选择， 电压通道输入范围 150串口总述CS5460A的串行接口部分集成了一个带有发送/接收缓冲器的state machine（状态机），状 态机在SCLK的上升沿解释8位命令字基于对命令字的解码，状态机将执行输入的命令 或者为被寻址的寄存器的数据传输做准备。

系统初始化或复位后，串口状态机初始化为命令模式，等待接收有效的命令(输入串口 的前 8 位数据)在完成对有效命令的接收和解码后，状态机将指示转换器执行相应的指令 或从内部寄存器输入或输出数据利用命令字片段，所有有效的命令都可以被解码状态机接收到命令后即对命令字进行解码如果命令字的最高位 (MSB)是逻辑零(B7=0)，串口进入数据传输模式在数据传输模式中，内部寄存器被读取或写入输入写 寄存器命令字之后必须紧跟着写入24位数据例如要写配置寄存器，用户需发送一个(0X40 ) 命令启动写操作，紧跟着从串行时钟引脚(CSCLK)输入24个脉冲，ADC将从SDI管脚得到 串行输入数据一旦状态机得到数据，它将数据写入配置寄存器并返回命令模式系统初始化在任意时刻对CS5460A进行软件或硬件复位软件复位是通过向配置寄存器的RS係 统复位)位写入逻辑 1 来实现的，复位后该位自动恢复为逻辑0硬件复位是通过强制拉低 /RESET管脚SDO以上来实现的内部寄存器在复位后的第一个MCLK被置为缺省值复位后，片上寄存器初始化为以下状态，转换为命令模式，等待有效的命令 1)电流信号形成回路电流互感器T4, T5和T6的原边电流h为0〜5A.感器CT变比为12500 / 1,贝I」，其中交流地， 对应的直流电平为I .65V。

电阻相对于110K可以忽略，因此图4.7电压信号形成回路 3.ALF低通滤波电路 图中D1,D2将输出信号钳制在0〜3.3V,保证输入LF2407A / D转换口 的电压在0}-3.3V之间，以保证其AD转换的正常工作令 R40=R41=R, C40=C41=C, R42=R1, R43 =R2，贝I」： 将数据带入上式，可以算出截止频率为由于需计算到工频信号的30次谐波，即需对50 x 30=1500Hz的信号进行准确测量，根据奈 奎斯特采样定律()，系统的采样频率为周波采样64点，采样频率，因此输入C51的信号最 高频率应为，即低通滤波器应将大于1600Hz的信号滤除根据计算结果看出此低通滤波器 能满足要。