毕业设计-绕线式三相异步电动机串级调速系统设计

齐齐哈尔大学

毕业设计 (论文)

题目绕线式三相异步电动机串级调速系统设计学院计算机与控制工程学院

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成绩

2011年 06 月 21 日

摘要

晶闸管串级调速系统作为一种高效、节能的调速方案，具有装置结构简单、维护容易、能实现连续平滑调速等优点，尤其是对风机、泵类等大容量平方转矩负载进行控制时，其节能效果是十分可观的。

根据供水系统的现状，提出了串级调速的节能方案，分析了串级调速的原理，系统的调速特性，确定了微机水压转速双闭环控制的方案。设计中详细地论述了水泵双闭环串级调速系统的组成与原理。在系统硬件的设计上，采用驱动电路模块化设计技术和计算机辅助技术对硬件电路进行优化。阐述了系统的工作原理，给出了以AT89C51单片机为核心组成了全新数字新型串级调速控制系统，针对该方案所要求的控制和触发脉冲，设计新型的数字触发器。这种数字触发器有精度高、可靠性高等特点。

关键词：串级调速系统；单片机；数字触发器

Abstract

Crystals the level of machinery velocity modulation control system as an effective and energy efficient of machinery velocity modulation, a device structure to simple, easy and can achieve a smooth machinery velocity modulation advantages, especially of hair dryer, pumping big square and rectangular load capacity to control the energy the effect is very significant.

Water supply systems based on the status quo,, a level of energy conservation programme and the level of machinery velocity modulation, a system of machinery velocity modulation, determine its speed of microcomputer the pressure of the control scheme. Design elaborated on a pair of pumps and the level of the system and mechanism of machinery velocity modulation. System design in hardware, the driving circuit modular design technology and computer hardware circuit of the new figures of the new machinery velocity modulation control system level, the scheme of control and firings for the design of the new digital pulses that trigger. These figures a high precision, high reliability and quality.

Key words: analysis on serial timing system of alternating current; MCU; numerical trigger consisted of single piece unit

目录

摘要................................................................ I Abstract........................................................... I I 第1章绪论.. (1)

1.1 串级调速技术概况 (1)

1.2 研究意义及主要工作 (2)

第2章水泵选取及串级调速方案确定 (3)

2.1 水泵性能 (3)

2.2 水泵与电动机的选择 (4)

2.3 串级调速系统的分类 (5)

2.4 串级调速原理 (6)

2.5 新型三相四线制串级调速方案 (8)

2.6串级调速系统的起动方式 (10)

第3章数字触发器的硬件设计 (12)

3.1 全数字串级调速系统组成 (12)

3.2 主控制器设计 (12)

3.2.1 单片机（AT89C51）芯片 (12)

3.2.2 晶振电路 (14)

3.2.3 复位电路 (15)

3.2 AD转换电路 (15)

3.4 晶闸管脉冲触发电路 (16)

3.5 触发同步电路 (17)

3.6 IGBT驱动器及驱动电路 (18)

3.6.1 IR2130驱动器 (18)

3.6.2 IGBT驱动电路 (19)

3.6 双闭环控制器的设计 (20)

3.6.1 串级调速电流环设计 (22)

3.6.2 串级调速速度环的设计 (23)

第4章数字触发器软件设计 (26)

4.1 主程序设计 (26)

结论 (28)

参考文献 (29)

致谢 (30)

第1章绪论

1.1 串级调速技术概况

对于一个电力资源十分短缺的国家，节能是一项非常重要的利民政策、技术政策，对国民经济的发展和对国家资源的长久使用都有深远的影响。风机、水泵广泛的用于国民经济各部门的各个行业，不仅应用的数量众多，分布面极广，并且还十分的耗电。有关数据显示，全国的风机和水泵的总耗电量占到了整个工业用电量的40%以上，并而风机和水泵在正常情况下要进行负荷调节，而且相应的流量也要跟踪调节。调节出入口的阀门开度是传统的调节方法，这也使得30%～40%的用电量消耗在调节阀门压降上，这种方法能耗大、经济效益差、维修量较大、设备损坏较快且运行费用较高。造成电能的巨大浪费。为了取得较好的节能效果，并提高经济效益，可对风机、水泵进行调速。且在节电率相同的情况下，电机的功率越大，节能潜力越大，节能效果也就越明显。所以研究和开发合适的高压大功率异步电动机调速技术始终是国内外竞相研究的热点之一。高压变频调速和串级调速是目前国内应用于高压大功率电机调速有两种有效方案。早在20世纪30年代串级调速理论就已提出，对于风机、水泵等要求调速范围大，但是对系统动态性能要求又不高，又有发展前景的高压、大功率调速技术应该是串级调速技术。到了60～70年代，随着电力电子技术的发展，可控电力电子器件的出现，串级调速才得到了更好的应用，又由于高压大电流晶闸管的出现，使得串级调速系统获得了飞速的发展。到了60年代中期，提出了一种新的方案，被称为“定子反馈”方案，原理是将绕线式转子电动机的转差功率现进行整流，然后再经过晶闸管逆变器整流，并将整流后的转差功率再逆变成电网频率的交流功率，再将其反馈到电动机的定子辅助绕组中的串级方案。通过逆变变压器将转差功率反馈到电网上，这种反馈被称为“电网反馈”方案。在“定子反馈”方案中，将辅助绕组和定子绕组在电气上绝缘，通过电磁感应，将转差功率经过定子绕组反馈到电网，这就是我们所说的“内馈”串调。

随着电力电子技术的发展，近代均采用在转子回路内串联晶闸管功率变换器完成回馈任务，这样就构成了由绕线式异步电动机与晶闸管交流器共同组成的晶闸管串级调速系统。其中低同步的晶闸管串级调速系统，不仅具有良好的调速性能以及能把站差能量回馈电网，而其他还结构简单，可靠性高，技术上已经成熟。性能更优越的超同步晶闸管串级调速也正在发展当中。

晶闸管功率变换装置时交流电动机串级调速系统中的核心部分，他目前存在以下几个问题：装置结构较为复杂，设备初期投资较高，在一定程度上限制了交流调速的推广；存在谐波，对电网造成一定程度的污染；功率因数还不够高，特别是在低转速时功率因数会更低。

尽管如此，今年串级调速技术在国内外仍然突飞猛进的发展，大量新器件的出现和新技术的发展，使得串级调速性能指标大大提高，有些问题已得到根本的突破。不久的将来，串级调速装置定会进入生产领域，发挥巨大的经济效益。

1.2 研究意义及主要工作

众所周知，在风机、水泵的节能措施中最有效的是调速运行。在低电压小容量电机系统的节能调速中，变频调速装置得到了广泛的应用和发展。但在高压大容量系统中，存在变频调速成本高、体积大等诸多问题。并且在节电率相同的情况下，如果电动机的功率越大，那么节能效益也就愈大，所以，高压大功率电动机驱动的风机、水泵采用调速传动，其节能效果将更加明显。虽然大功率风机和泵类负载采用调速传动后，可以节约大量电能，大概在30%左右。但是，可用于国内适合风机、泵类负载的高压变频器还没有成熟定型产品，而国外高压变频器价格又十分昂贵，所以推广应用受到很大了限制。特别是大功率的风机，但是由于缺少简单、可靠、经济的中压电动机调速装置，使得节能调速基本没有推广开来。因此，研究性能更优越、节能效果更好的调速系统，有着重要的现实意义。

对于水泵调节范围不大，系统动态性能又要求不高的场合，并且有发展前景的高压功率调速技术，应该是串级调速技术。它是利用电动机转差率的一种经济、高效的调速方法，在高、大、中型电动机节能调速应用方面，以其控制电压低，控制功率小，系统简单运行可靠节电率高，使其具有很好的应用前景。

本设计主要进行以下方面的工作：

1、从普通的串级调速基本原理入手。

2、提出新型三相四线双IGBT串级调速控制方案。

3、以AT89C51单片机为核心，组成一个全数字新型串级调速控制系统。

第2章 水泵选取及串级调速方案确定

2.1 水泵性能

水泵的基本性能参数表示水泵的基本性能，水泵的基本性能参数有流量、扬程、轴功率、效率、转速、比转速、必须汽蚀余量或允许吸上真空高度等7个。

（1） 流量 以字母Q(q v 、q m )表示，单位为（升）l/s 、m 3/s 、m 3/h 等。泵

的流量是指单位时间内从泵出口排出并进入管路系统的液体体积。泵的流量除用上述体积流量q v 外，还可用质量流量q m 表示。q m 定义为单位时间内从泵出口排

出并进入管路的液体质量。显然q v 与q m 间的关系为：

v m q q ρ= (2-1)

（2） 扬程 水泵的扬程H 表示液体经泵后所获得的机械能。泵的扬程H 是指单位重量液体经过泵后所获得的机械能。水泵扬程的计算式为：

m g v v g p p Z Z H 2)(2

1221212-+-+-=ρ (2-2)

式中： Z 2、p 2、v 2 与 Z 1、p 1、v 1 分别为泵的出口截面2和进口截面1的位置高

度、压力和速度值。泵的扬程即为泵所产生的总水头，其值等于泵的出口总水头和进口总水头的代数差。

（3） 轴功率 由原动机或传动装置传到水泵轴上的功率，称为风机的轴功率，用P 表示，单位为kW 。 b r b r H Q gH Q P ηηρηηρ1021000== (2-3)

式中：Q---水泵流量 （m 3/s ）；

H---水泵扬程 (m, gH p ρ=)；

r η－传动装置效率；

f η－风机效率；

d η－电动机效率。

（4） 效率 水泵的输出功率（有效功率）Pu 与输入功率（轴功率）P 之比，称为水泵的效率或全效率，以η表示：

P gHQ P Pu f 1000ρη== (2-4)

（5） 转速 水泵的转速指水泵轴旋转的速度，即单位时间内水泵轴的转数，以n 表示，单位为rpm(r/min)或s -1 （弧度/秒）。

（6） 比转速 水泵的比转速以n y 表示，用下式定义：

4/365.3H Q

n n y = (2-5)

作为性能参数的比转速是按泵最高效率点对应的基本性能参数计算得出的。对于几何相似的泵，不论其尺寸大小、转速高低，其比转速均是一定的。因此，比转速也是泵分类的一种准则。

(7) 泵的必须气蚀余量或泵的允许吸上真空高度

泵的必须气蚀余量是指：为了防止泵内气蚀，泵运行时在泵进口附近的管路截面上单位重量液体所必须具有的超过汽化压头的富裕压头值，该值通常有泵制造厂规定。泵的必须气蚀余量用（NPSH ）r 表示,单位为米（m ）。泵的允许吸上真

空高度是指：为了防止泵内气蚀，泵运行时在泵进口附近的管路截面上所容许达到的最大真空高度值，该值也通常由泵制造厂规定，在不同的大气压力下及不同的液体温度时需要进行换算。泵的允许吸上真空高度用[Hs]表示，单位为米（m ）。

2.2 水泵与电动机的选择

考虑到异步电动机输出的最大转矩的降低，功率因数的降低和转子损耗增大等因素，不论对于新设计的或是改造的都应对异步电动机的容量进行重新选择的计算，串级调速异步电动机的容量P 计算如下：

D i P K P ⋅= （2-6）

式中， K i ——串级调速系数，一般取1.2左右。对于在长期低速运行的串级调速系统，该取大一点；

P D ——按照常规运算方式计算的电动机容量。从产品手册中选择的电

动机容量P ≥P D 。

本设计采用水泵与电机型号如下：

循环泵：64LKXA-20立式斜流泵 额定流量：Qe=19726m 3/h (5480l/s) 额定扬程：He=20m 额定转速：425rps

电动机：YKSL1600－14/1730-1 额定功率；1600kW

额定电压：6000V 额定电流：203.3A

额定转速：425rps 工频运行电流：154A

额定效率： 95％ 功率因数： 0.85

2.3 串级调速系统的分类

根据串级调速异步电动机转子回路中直流附加电动势E f 获得的方法不同，

可将串级调速系统分为以下三种基本类型：

1.恒转矩电机型串级调速系统

用他励直流电动机旋转时的反电动势作为附加电动势E f ，改变直流电动机的

励磁电流大小，即可改变E f 的大小。直流电动机拖动交流异步电机作发电机运

行，从而将转子转差功率回馈入电网。输出机械功率

1)1(n n P P s M M =- （2-7）

即正比于电机转速，故具有恒转矩调速特性。该系统有效率高，成本较低、维护容易和机组放置灵活等优点，但全套装置较大，主电动机低速运行时，直流电动机和交流发电机的机械损耗显得较大。

2.恒转矩晶闸管串级调速系统

用晶闸管全控整流电路获得直流附加电动势，整流电路长期工作在有源逆变状态，即逆变角β≤90o ，改变逆变角β的大小即可改变E f 的大小。全控整流电

路工作在有源逆变状态，故能将直流侧附加电动势E f 吸收的电功率通过变压器

变压回馈入交流电网。具有恒转矩调速特性，系统的优点是效率高、原理与线路比较简单，无旋转机械部分，维护相对较容易，但功率因数低，高次谐波对电网有不利影响，电网波动可能引起逆变失败。

3.恒功率电机型串级调速系统

用他励直流电动机旋转时的反电动势作为附加电动势E f ，改变直流电动机的

励磁电流的大小即可改变E f 的大小。因直流电动机与主电动机同轴硬联接，故

吸收的转差功率转变成轴上机械功率再传给机械负载。不计损耗时负载上得到机械功率总和为:

M M M P sP P s =+-)1( （2-8）

故有恒功率调速特性，能在低速时产生较大转矩，特别是适于低速需重负载转矩的场合。该系统的优点是效率最高，投资最小，可靠性高，对电网无任何不利影响。但因直流电动机在低速时不能产生足够的反电动势E f ，故调速范围不大，

通常在2:1以内，此外主异步电动机必须是双轴伸结构。

2.4 串级调速原理

异步电动机的转速可表示为

)1(60)1(11s p f s n n N -=-= (2-9)

式中

n 1--同步转速(r/min)；

f 1--定子电源频率（Hz ）；

P N --极对数；

s--转差率。

异步电动机调速可以通过三条途径进行：改变电源频率、改变极对数以及改变转差率。

异步电动机运行时其转子相电动势为

0r r sE E = （2-10）

式中 s —异步电动机的转差率；

E r0--绕线转子异步电动机在转子不动时的相电动势，或称转子开路电动势，

也就是转子额定相电压值。

式（2-10）表明，绕线转子异步电动机工作时，其转子电动势E r 值与转差

率s 成正比。此外，转子频率f 2也与s 成正比，f 2=sf 1。在转子短路情况下，转

子相对电流I r 的表达式为

2

020

)(r r r r sX R sE I += （2-11）

式中R r --转子绕组每相电阻；

X r0--s=1时的转子绕组每相漏抗。

如在转子绕组回路中引入一个可控的交流附加电动势E add ，在附加电动势与

转子电动势E r 有相同的频率，并与E r 同相串接。此时转子回路的相电流表达式

为

2020)(r r add

r r sX R E sE I +±= （2-12）

当电动机处于电动状态时，其转子电流I r 与负载大小有直接关系。当电动机带

有恒定负载转矩T L 时，可近似地认为，不论转速高低，转子电流都不变，这时

在不同s 值下的式（2-11）与式（2-12）应相等。设在未串入附加电动势前，电动机原在某一转差率s 1下稳定运行。当引入同相的附加电动势后，电动机转子

回路的合成电动势增大了，转子电流和电磁转矩也相应增大，由于负载转矩未变，电动机必然加速，因而s 降低，转子电动势E r =sE r0随之减小，转子电流也逐渐

减小，直至转差率降低到s 2时，转子电流I r 又恢复到负载所需的原值，电动机

便进入新的更高转速的稳定状态。此时式（2-11）与（2-12）的平衡关系为

20220220120

1)()(r r add r r r r r X s R E E s X s R E s I +±=+= (2-13)

同理可知，若减小+E add 或串入反相的附加电动势-E add ，则可使电动机的转速

降低。所以，在绕线转子异步电动机的转子侧引入一个可控的附加电动势，就可调节电动机的转速。如上所述，在异步电动机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在转子侧串入一个可变频、可变幅的电压。对于只用于次同步电动状态的情况来说，比较方便的办法是将转子电压先整流成直流电压，然后再引入一个附加的直流电动势，控制此电动势的幅值，就可以调节电动机的转速。这样就把交流变压变频这一复杂问题转化为与频率无关的直流变压问题了。对于这一直流附加电动势要有一定的技术要求。首先，它应该是可平滑调节的，以满足对电动机转速平滑调节的要求；其次，从节能的角度看，希望产生附加直流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用。根据以上要求，较好的方案是采用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生附加直流电动势的电源。按照上述原理组成的异步电动机在低同步转速下作电动状态运行的调速系统称之为电气串级调速系统。如图2-1所示。

图2-1 串级调速系统原理图

图中M 为三相绕线转子异步电动机，其转子相电动势经三相不可控整流装置UR 整流后，输出为直流电压U d 。工作在有源逆变状态的三相可控整流装置UI

提供了可调的直流电压U i ，作为电动机调速所需的附加直流电动势，同时将经

UR 整流输出的转差功率逆变后回馈到交流电网。BT 为逆变变压器，L 为平波电

抗器。整流后的转子直流回路电压平衡方程式为：

R I U U d i d += (2-14)

其中

β

COS KU U rt i = (2-15)

β为晶闸管逆变角，控制β的大小可以调节逆变电压U i ，使得电动机转速能平滑连续调节。

当电动机稳定运行时，可以认为I d 为恒定，当β增大时， U i 立即减小，但电动机转速因存在着机械惯性不会突变，所以U d 也不会突变。则转子直流回路电流I d 增大，相应转子电流I r 也增大，电机的电磁转矩随之增大，电机加速；在加速过程中转子整流电压随之减小，又使电流I d 减小，直到电磁转矩与负载转矩达到新的平衡，电机进入新的稳定状态以较高的转速运行。同理，减小β值可以是电机在较低的转速下运行。这就是串级调速系统的工作原理。 2.5 新型三相四线制串级调速方案

图2-2是新型三相四线制串级调速系统原理图。这种方案中，电机转子绕组经整流器、电抗器、逆变器、逆变变压器连接电网。新型三相四线串级调速系统中的逆变器增加了两个串联的IGBT ，再并联由六个晶闸管组成的逆变桥，两个IGBT 的中点与逆变变压器二次侧的中线连接。RCD 网络并联于IGBT 两端，起到限制IGBT 峰值电压的作用。这种方案基本思想是在逆变器直流侧并联了两个辅助开关元件IGBT ，按照一定的控制方式，将逆变角β固定在一个较小角度，通过控制2个IGBT 元件和晶闸管逆变桥的通断改变逆变电压，从而调节电动机的转速，同时提高系统的功率因数。

图2-2 三相四线制双IGBT 方案原理图

图2-2画出了新型三相四线串级调速方案中IGBT 的控制脉冲及逆变桥晶闸管的触发脉冲。图中，IGBT的控制脉冲周期为2л/3，从自然换相点处开始，VT7和VT8两管交替导通，脉冲宽度（即导通控制角）的变化范围为0~2л/3。晶闸管(1, 3,5)的触发脉冲起始点定在VT8控制脉冲的下降沿处，结束点为VT7控制脉冲的开始时刻。晶闸管(4，6，2)的触发脉冲起始点定在VT7控制脉冲的下降沿处，结束点为VT8控制脉冲的开始时刻。当 IGBT 导通时，输出的逆变电压为相应的相电压；当IGBT关断后，输出的逆变电压为相应的线电压。输出逆变电压的大小由 IGBT 控制角δ决定。这样电流便滞后于电压 180°以上，因此转子回路不再从电网中吸收无功功率，而是向电网提供无功功率。

以逆变桥中1号晶闸管(VT1)与5号晶闸管(VT5)的换相为例分析该方案中IGBT器件的控制方法。图2-4示出了逆变桥中IGBT与晶闸管的控制脉冲顺序，其中，逆变角β固定在零处，IGBT导通角δ变化范围为0°~120°。

图2-3 IGBT控制脉冲及晶闸管触发脉冲

在a，c两相自然换相点(t1时刻)前t0时刻，控制触发VT7导通。VT7管的导通给VT5管加上一个反向电压，IGBT是全控器件，控制脉冲的宽度决定了晶闸管导通时间，VT7导通适当的角度δ，则会给VT5施加足够时间的反压，保证VT5在t1时刻前可靠关断，这样在t1时刻触发VT1管时，就不会出现同组2个晶闸管同时导通的现象，避免了逆变失败。当VT1导通一定角度(120°-δ)后，再次控制VT7导通，可靠关断VT1管，在下一个自然换相点处触发VT3导通，依次循环下去，从而实现了有源逆变。VT8管对VT2，VT4，VT6管的换相控制同上。IGBT不仅实现了辅助换相作用，还具有调节逆变电压的作用。逆变角β固定不变，当增加IGBT导通时间后，晶闸管关断时间提前，导通时间变短，从而降低了逆变电压。因此，通过改变IGBT脉冲控制角δ的大小，可以改变逆变电压，进而调节电动机转速[3]。

2.6串级调速系统的起动方式

串级调速系统是依靠逆变器提供附加电动势工作的，为使系统能正常工作，对串级系统的起动与停车控制须有合理的措施。在串级调速起动时必须使逆变器先接上电网，然后电动机再接入电网，停车时则是电动机先脱离电网，然后再逆变器脱离电网。从而防止逆变器交流侧断电，导致晶闸管不能关断，而造成逆变器短路事故。串级调速系统通常有间接起动和直接起动两种方式。

1.间接起动方式大部分采用串级调速的设备的调速范围是不需要从零到额定转速的，特别对于水泵、风机、压缩机等机械，其调速范围不大。为使串级调速系统装置不受过压损坏，起动方式须采用间接起动方式，将电动机转子先接入电阻或变阻器起动，等到转速升高达到串级调速系统所设计的最低转速时，才把串级调速装置接入运行。由于水泵、风机等机械不经常起动，所用的起动电阻可按短时工作制选用，体积和容量都较小。可以根据对电动机转速的测量或利用时间原则自动控制串电阻起动转换到串级调速。图2-4所示是间接起动控制原理图。

图2-4 串级调速系统间接起动控制原理图

起动操作顺序如下：先合上装置电源总开关Q，使逆变器在βmin下等待工作。然后依次接通待触发器KM1，接入附加起动电阻R，使电动机起动加速，再接通KM0，使电动机定子回路与电网接通，于是电动机便以转子串电阻的方式起动。待起动达到所设计的n min(s max)时接通KM2，使电动机转子接到串级调速装置，同时断开KM1，切断起动电阻，此后电动机就可以串级调速的方式继续加速到所需的转速运行。不允许在未达到设计最低转速以前就把电动机转子回路与串级调速装置接通，否则转子电压会超过整流器件的额定电压而损坏器件，所有转速检测或起动时间计算必须准确。采用这种起动方式，虽然增加了一套附加起动设备，但对于调速范围较小的串级调速系统，其主要设备的容量和耐压可显著降低，从设备总投资来看，仍然是经济的。停车时，由于没有制动作用，应先断开KM2，使电动机转子回路与串级调速装置脱离，在断开KM0，以防止当KM0断开时在转子侧感生分闸过电压而损坏整流器与逆变器。

2.直接起动直接起动又称串级调速方式起动，用于可在全范围调速的串级调速系统。在起动控制时，让逆变器先于电动机接通交流电网，然后使电动机的定子与交流电网接通，此时转子呈开路状态，可防止因电动机起动时的合闸过电压通过转子回路损坏整流装置，最后再使转子回路与整流器接通。在图3-4中，接触器的工作顺序为Q-KM0-KM2，此时不需要起动电阻。当转子回路接通时，由于转子整流电压小于逆变电压，直流回路无电流，电动机尚不能起动。待发出给定信号后，随着β角的增大，逆变电压降低，产生直流电流，电动机才逐渐加速，直至达到给定转速。

综上所述，本设计的起动方式采用间接起动。

第3章数字触发器的硬件设计

3.1 全数字串级调速系统组成

图3-1中电流反馈信号取自逆变器交流侧，由霍尔电流传感器检测后经ADC0809转换后输入AT89C51单片机；转速反馈信号取自测速发电机，经ADC0809转换后送入AT89C51单片机，在单片机内与反馈量进行比较计算后，由单片机输出信号，控制晶闸管与IGBT导通与关断，进而控制电动机调速。

图3-1 全数字串级调速系统结构框图

3.2 主控制器设计

3.2.1 单片机（AT89C51）芯片

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，AT89C51提供以下的功能：4K字节闪烁存储器，128字节随机存取数据存储器，32个I/O口，2个16位定时/计数器，1个5向量两级中断结构，1个串行通信口，片内震荡器和时钟电路。另外，AT89C51还可以进行0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式。闲散方式停止中央处理器的工作，能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。

图3-2 AT89C51单片机引脚图

AT89C51引脚：

Vcc：电源电压。

Vss：接地。

XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。

XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。

RST：复位信号输入端，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电平时，就可以对单片机完成复位操作。

EA/Vpp：外部程序存储器访问允许控制端。当EA端为高电平时，单片机读片内程序存储器，但在PC值超过0FFFH时，将自动转向访问外部程序存储器中的程序。当EA端为低电平时，对程序存储器的读操作只限定在外部程序存储器，地址为0000H~FFFFH，片内的4KBFlash程序存储器不起作用。Vpp为该引脚的第二功能，为编程电压输入端。

ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE以时钟震荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲时，闪烁存储器编程时，这个引脚还用于输入编程脉冲。如果必要，可对特殊寄存器区中的8EH单元的D0位置禁止ALE操作。这个位置后只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被应用。此外，这个引脚会微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

PSEN：片内程序储存器的读选通信号。在单片机读外部程序存储器时，此引脚输出脉冲的负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。此引脚接外部程序存储器的OE端；在访问外部RAM时，PSEN信号无效。

P0口：8位，漏极开路的双向I/O口。当89C51扩展外部存储器及I/O接口芯片时，P0口作为地址总线及数据总线的分时复用端口。

P0口也可作为通用的I/O口使用，但需加上拉电阻，这时为准双向口。当作为普通的I/O输入时，应先向端口的输出锁存器写入1。P0口可驱动8个LS 型TTL负载。

P1口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。

P1口是专为用户使用的准双向I/O口，当作为普通的I/O输入时，应先向端口的输出锁存器写入1。P1口可驱动4个LS型TTL负载。

P2口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。

当89C51扩展外部存储器及I/O口时，P2口可输出高8位地址。

P2口也可作为普通的I/O口使用。当作为普通的I/O输入时，应先向端口的输出锁存器写入1。P2口可驱动4个LS型TTL负载。

P3口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。

P3口可作为通用的I/O口使用。当作为通用的I/O输入时，应先向端口的输出锁存器写入1。P3口可驱动4个LS型TTL负载。

3.2.2 晶振电路

89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，它的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚连接石英晶体振荡器和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器，图3-3是89C51内部时钟方式的电路。电路中的电容C1和C2的典型值通常选择为30PF左右。该电容值的大小会影响振荡器的稳定性、振荡的快速性和振荡器频率的高低。晶体振荡器频率的范围通常是在1.2~12MHz。晶体的频率越高，系统的时钟频率越高，单片机的运行速度也就越快。但反过来，运行速度快对存储器的速度要求越高，对印制电路板的工艺要求也高，即要求线间的寄生电容要小。晶体和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作。89C51常选择振荡频率6MHz或12MHz的石英晶体。

图3-3 内部时钟电路

3.2.3 复位电路

89C51的复位是由外部的复位电路实现的，复位引脚RST通过一个施密特触发器与复位电路相连，施密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作需要的信号。本设计采用上电复位电路。简单的上电复位电路如图3-4所示。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。当电源接通时，只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。

图3-4 复位电路

3.2 AD转换电路

A/D转换采用ADC0809，它是一种逐次比较式8路模拟输入，8位数字量输出的A/D转换器。ADC0809共有28脚，采用双列直插式封装，它采用逐次比较式方式完成A/D转换的，由单一的+5V电源供电。片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由A、B、C引脚的编码来决定所选的通道。ADC0809完成1次转换需100μs左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连接到C51的数据总线上，通过适当的外接电路，ADC0809可对0-5V的模拟信号进行转换。图3-5为ADC0809引脚图。

图3-5 ADC0809引脚图

ADC0809引脚：

IN0-IN7----8路0~5V模拟电压输入端。

D0-D7----8位数字量输出线，输出A/D转换结果。

START----起动A/D转换输入端，若在此引脚加一个正脉冲，脉冲的上升沿将内部寄存器清0；其下降沿起动A/D进行一次新的转换。

EOC----A/D转换结束输出信号，高电平有效。从起动A/D转换信号START 有效开始EOC为0，表示A/D转换正在进行中；当转换一结束，EOC即为1。它可供CPU查询A/D转换是否结束，也可用来向CPU发中断请求信号。

OE----输出允许信号，高电平有效。

CLOCK----时钟脉冲输入端，频率为500kHz。

ADDA，ADDB，ADDC----模拟量输入通道IN0~IN7的地址选择线，可以控制8路转换开关进行8选1接通。

V REF（+），V REF(-)----参考电压端，提供A/D转换的基准电压。在单极性输入=5V，V REF(-)=0V；当模拟输入量为双极性时，V REF（+），V REF(-)分别时，V REF

（+）

接正、负极性的参考电压。

Vcc----+5V，工作电源。

GND----0V，电源地。

3.4 晶闸管脉冲触发电路

在触发脉冲较宽的晶闸管控制系统中，常用管耦合器组成晶闸管出发电路。图3-6是由管耦合器4N25组成的晶闸管触发电路。触发电路由7406,4N25，晶体管9013，整流电路和变压器T等组成。触发电路使用独立电源，触发脉冲由A、B两端输出，A端为正输出端。7046输入端输入高电平时，经反相驱动后输出低电平，光耦合器输出端导通，使晶体管导通，A、B端有触发脉冲输出，当7046输入端输入低电平时，经反相驱动后输出高电平，晶体管截止，触发脉冲结束。