課程設(shè)計（論文)基于單片機的直流伺服電機脈沖寬度調(diào)制控制系統(tǒng)

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1、單片機課程設(shè)計 一.單片機簡介 1.1單片機的發(fā)展史 單片機作為微型計算機的一個重要分支,應(yīng)用面很廣,發(fā)展很快。自單片機誕生至今以發(fā)展為上百種系列的近千個分支。如果將8位單片機的推出作為起點，那么單片機的發(fā)展歷史大致可以分為以下幾個階段： （1）第一階段（1976—1978）：單片機的控索階段。以Intel公司的MCS—48的推出是在工控領(lǐng)域的控索，參與這一控索的公司還有Motorola、Zilog等，都取 得了滿意的效果。這就是SCM的誕生年代，“單片機”一詞由此而來。 （2）第二階段（1978—1982）：單片機的完善階段。Intel公司在MCS—48的基礎(chǔ)上推出了完善的，典型的

2、單片機系列MCS－51.它在以下幾個方面奠定了典型的通用總線型單片機體系結(jié)構(gòu)。 ①完善的外部總線。MCS－51設(shè)置了經(jīng)典的8位單片機的總線結(jié)構(gòu)，包 括 8位數(shù)據(jù)總線16位地址總線控制總線及具有很多通信功能的串行通信接口。 ②CPU外圍功能單元的集中管理模式。 ③體現(xiàn)工控特性的位地址空間及位操作方式。 ④指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。 （3）第三階段（1982－1990）：8位單片機的鞏固發(fā)展及16位單片機的推出階段，也是單片機向微控制器發(fā)展的階段。Intel公司推出的M

3、CS－96系列單片機，將一些用于測控系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、程序運行監(jiān)視器、脈寬調(diào)制器等納入片中，體現(xiàn)了單片機的微控制器的特征。隨著MCS－51系列的廣泛應(yīng)用，許多電氣廠商競相使用80C51為內(nèi)核，將許多測控系統(tǒng)中使用的電路技術(shù)、接口技術(shù)、多通道A/D轉(zhuǎn)換部件、可靠性技術(shù)等應(yīng)用到單片機中，增強了外圍電路的功能，強化了智能控制的特征。 （4）第四階段（1990－）：微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機在各個領(lǐng)域全面深入地發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強運算能力的8位/16位/32位通用型單片機，以及小型廉價的專用型單片機。 1.2 AT89C51簡介 AT89C51

4、是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提

5、供了一種靈活性高且價廉的方案。 1) 主要特性： a) 與MCS-51 兼容 b) 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 c) 壽命：1000寫/擦循環(huán) d) 數(shù)據(jù)保留時間：10年 e) 全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz f) 三級程序存儲器鎖定 g) 1288位內(nèi)部RAM h) 32可編程I/O線 i) 兩個16位定時器/計數(shù)器 j) 5個中斷源 k) 可編程串行通道 l) 低功耗的閑置和掉電模式 m) 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 2) 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖： 圖 1.1 3) AT89C51引腳圖： 圖 1.2 4) 管腳說明： VCC：供電電壓。

6、GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2

7、口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)

8、部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時器0外部輸入） P3.5 T1（記時器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。

9、RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 /PSE

10、N：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性: XTAL1和XTAL2分別為反向

11、放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 二.硬件電路設(shè)計 2.1硬件組成 本系統(tǒng)由PC機、MCS-51單片機開發(fā)系統(tǒng)、、PWM脈寬調(diào)制控制板以及直流伺服電動機等組成。具體相關(guān)硬件如下： 二極管（1N4077）4個，場效應(yīng)管（2SJ50）4個，非門74LS04 1個，與門74LS08 2個，電容（CAPACITOR） 2個，芯片（AT89C51） 1個，開關(guān)（BUTTON）3個

12、，直流伺服電動機（MOTOR）1個，電阻（RES）4個，電源3個，地（GROUND）4個。 表2.1元件表 硬件型號 數(shù)量 硬件型號 數(shù)量 1N4077 4 MOTOR 1 2SJ50 4 RES 4 74LS04 1 CAPACITOR 2 74LS08 2 GROUND 4 AT89C51 1 VCC 3 BUTTON 3 2.2主要器件功能介紹 2.2.1直流伺服電機簡介 伺服電機也稱執(zhí)行電機，它具有一種服從控制信號的要求而動作的電機，在信號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；信號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當信號小時，轉(zhuǎn)子能即使自

13、行停轉(zhuǎn)，由于這種“伺服”性能，因此而得名。 按照在自動控制系統(tǒng)中的功用所要求，伺服電機具備可控性好、穩(wěn)定性高和速應(yīng)性強等基本性能。可控制性好是指尋好消失以后，能立即自行停轉(zhuǎn)；穩(wěn)定性高是指轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加而均勻下降，速應(yīng)性強是指反應(yīng)快，靈敏。 直流伺服電動機在自動控制系統(tǒng)中常用作執(zhí)行元件,對它的要求是要有下垂的機械特性、線性的調(diào)節(jié)特性和對控制信號能作出快速反應(yīng)。該系統(tǒng)采用的是電磁式直流伺服電動機,其型號為45SY01型,其轉(zhuǎn)速n的計算公式如下 n=E/KΦ=(Ua-IaRa)/KΦ 式中　n為轉(zhuǎn)速;Φ為磁通;E為電樞反電勢;Ua為外加電壓;IaRa為電樞電流和電阻。 直流伺服電機與普通

14、直流電機以及交流伺服電機的比較： 直流伺服電機的工作原理和普通直流電機相同。只要在其勵磁繞組中有電流通過且產(chǎn)生了磁通，當電樞繞組中通過電流時，這個電樞電流與磁通互相作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使伺服電機投入工作。這兩個繞組其中的一個斷電時，電動機立即停轉(zhuǎn)，它不象交流伺服電動機那樣有“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。所以我們選擇直流伺服電動機來進行自動門的拖動。 2.2.2 PWM簡介及調(diào)速原理 （1）簡介：PWM控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等待地獲得所需要波形。PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持在數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。P

15、WM控制技術(shù)以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式。 （2）調(diào)速原理：占空比表示了在一個周期T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。其變化范圍為0—1。在電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值U取決于占空比的大小。改變其值就可以改變端電壓的平均值，從而達到調(diào)速的目的。在PWM調(diào)速時，占空比是一個重要的參數(shù)。以下是3種方式都可以改變占空比的值 圖 2.1 計算公式：占空比=ton/T a) 定寬調(diào)頻法 b) 調(diào)寬調(diào)頻法 c) 定頻調(diào)寬法 目前，在直流伺服電機的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。 （3）與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點： 由

16、于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用可能就足以獲得脈沖動很小的直流電流，電樞容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達1：10000左右。又由于電流波形比V-M系統(tǒng)好，在相同的平均電流即相同的輸出轉(zhuǎn)矩下，電動機的損耗和發(fā)熱都較小。 同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗干擾能力強。 由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率比較高。 2.2.3 二極管的應(yīng)用 1) 整流二極管 利用二極管單向?qū)щ娦?，可以把方向交替變化的交流電變換成單一方向的脈動直流電。 2) 開

17、關(guān)元件 二極管在正向電壓作用下電阻很小，處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當于一只接通的開關(guān)；在反向電壓作用下，電阻很大，處于截止狀態(tài)，如同一只斷開的開關(guān)。利用二極管的開關(guān)特性，可以組成各種邏輯電路。 3) 限幅元件 二極管正向?qū)ê?，它的正向壓降基本保持不變（硅管?.7V，鍺管為0.2V）。利用這一特性，在電路中作為限幅元件，可以把信號幅度限制在一定范圍內(nèi)。 4) 繼流二極管 在開關(guān)電源的電感中和繼電器等感性負載中起繼流作用。 5) 檢波二極管 在收音機中起檢波作用。 6) 變?nèi)荻O管 使用于電視機的高頻頭中。 7) 顯示元件 用于電視機

18、顯示器上。 2.3 電路組成 2.3.1 晶振電路 圖—2.3.1振電路圖，由兩個電容和一個晶振組成，晶振頻率為12MHZ 圖2.2 2.3.2 復(fù)位電路 圖—2.3.2為復(fù)位電路圖，由直流電源，電容和電阻組成，其主要功能是對單片機進行復(fù)位功能。 圖2.3 2.3.3 單相橋式整流電路 圖—2.3.3是單相橋式整流電路圖，由4個場效應(yīng)管IGBT和四個二極管組成，其功能是將交流電轉(zhuǎn)化成直流電。其負載為伺服直流電機，通過門控信號的改變可以調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向 圖2.4 2.3.4 調(diào)制電路 圖2.3.4是調(diào)制電路圖，由

19、兩個與門和一個非門組成，其功能主要是產(chǎn)生PWM脈沖來控制IGBT。 圖2.5 三.系統(tǒng)軟件設(shè)計 3.1 Proteus介紹 Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風標電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學(xué)的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、

20、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。 　　 3.1.2其功能特點 　　 Proteus軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是：（1）原理布圖；（2）P

21、CB自動或人工布線；（3）SPICE電路仿真。 　　革命性的特點：（1）互動的電路仿真 　　用戶甚至可以實時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 　　（2）仿真處理器及其外圍電路 　　可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型 　　上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設(shè)計開發(fā)環(huán)境。 　　 3.1.3具有4大功能模塊　　 （1）智能原理圖設(shè)計（ISIS）豐富的器件庫：超過27000種元器件，可方便

22、地創(chuàng)建新元件：智能的器件搜索：通過模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的連線功能：自動連線功能使連接導(dǎo)線簡單快捷，大大縮短繪圖時間；支持總線結(jié)構(gòu)：使用總線器件和總線布線使電路設(shè)計簡明清晰；可輸出高質(zhì)量圖紙：通過個性化設(shè)置，可以生成印刷質(zhì)量的BMP圖紙，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多種文檔使用。 　　 （2）完善的電路仿真功能（Prospice） 　　 ProSPICE混合仿真：基于工業(yè)標準SPICE3F5，實現(xiàn)數(shù)字/模擬電路的混合仿真； 超過27000個仿真器件：可以通過內(nèi)部原型或使用廠家的SPICE文件自行設(shè)計仿真器件，Labcenter也在不斷地發(fā)布新的仿真器件，

23、還可導(dǎo)入第三方發(fā)布的仿真器件；多樣的激勵源：包括直流、正弦、脈沖、分段線性脈沖、音頻（使用wav文件）、指數(shù)信號、單頻FM、數(shù)字時鐘和碼流，還支持文件形式的信號輸入；豐富的虛擬儀器：13種虛擬儀器，面板操作逼真，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、直流電壓/電流表、交流電壓/電流表、數(shù)字圖案發(fā)生器、頻率計/計數(shù)器、邏輯探頭、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器等；生動的仿真顯示：用色點顯示引腳的數(shù)字電平，導(dǎo)線以不同顏色表示其對地電壓大小，結(jié)合動態(tài)器件（如電機、顯示器件、按鈕）的使用可以使仿真更加直觀、生動；高級圖形仿真功能（ASF）：基于圖標的分析可以精確分析電路的多項指標，包括工作點、瞬態(tài)特性

24、、頻率特性、傳輸特性、噪聲、失真、傅立葉頻譜分析等，還可以進行一致性分析； 　　 （3）獨特的單片機協(xié)同仿真功能（VSM） 　　 支持主流的CPU類型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等，CPU類型隨著版本升級還在繼續(xù)增加，如即將支持CORTEX、DSP處理器； 　　支持通用外設(shè)模型：如字符LCD模塊、圖形LCD模塊、LED點陣、LED七段顯示模塊、鍵盤/按鍵、直流/步進/伺服電機、RS232虛擬終端、電子溫度計等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）還可以

25、使仿真電路通過PC機串口和外部電路實現(xiàn)雙向異步串行通信；實時仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中斷仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；編譯及調(diào)試：支持單片機匯編語言的編輯/編譯/源碼級仿真，內(nèi)帶8051、AVR、PIC的匯編編譯器，也可以與第三方集成編譯環(huán)境（如IAR、Keil和Hitech）結(jié)合，進行高級語言的源碼級仿真和調(diào)試； 　　 （4）實用的PCB設(shè)計平臺 　　 原理圖到PCB的快速通道： 原理圖設(shè)計完成后，一鍵便可進入ARES的PCB設(shè)計環(huán)境，實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計；先進的自動布局/布線功能：支持

26、器件的自動/人工布局；支持無網(wǎng)格自動布線或人工布線；支持引腳交換/門交換功能使PCB設(shè)計更為合理；完整的PCB設(shè)計功能：最多可設(shè)計16個銅箔層，2個絲印層，4個機械層（含板邊），靈活的布線策略供用戶設(shè)置，自動設(shè)計規(guī)則檢查，3D 可視化預(yù)覽；多種輸出格式的支持：可以輸出多種格式文件，包括Gerber文件的導(dǎo)入或?qū)С?，便利與其它PCB設(shè)計工具的互轉(zhuǎn)（如protel）和PCB板的設(shè)計和加工。 　　 3.1.4 Proteus提供了豐富的資源　　 （1）Proteus可提供的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件，有30多個元件庫。 　　 （2）Proteus可提供的仿真儀表資

27、源 ：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器、信號發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調(diào)用。 　　 （3）除了現(xiàn)實存在的儀器外，Proteus還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了儀器對測量結(jié)果的影響。 　　 （4）Proteus可提供的調(diào)試手段 Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。 　　 3.1.5 電路功

28、能仿真 　　 在PROTEUS繪制好原理圖后，調(diào)入已編譯好的目標代碼文件：*.HEX，可以在PROTEUS的原理圖中看到模擬的實物運行狀態(tài)和過程。 　　PROTEUS 是單片機課堂教學(xué)的先進助手。 　　PROTEUS不僅可將許多單片機實例功能形象化，也可將許多單片機實例運行過程形象化。前者可在相當程度上得到實物演示實驗的效果，后者則是實物演示實驗難以達到的效果。 　　它的元器件、連接線路等卻和傳統(tǒng)的單片機實驗硬件高度對應(yīng)。這在相當程度上替代了傳統(tǒng)的單片機實驗教學(xué)的功能，例：元器件選擇、電路連接、電路檢測、電路修改、軟件調(diào)試、運行結(jié)果等。 　　課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生走向就業(yè)的重要實踐環(huán)節(jié)。由

29、于PROTEUS提供了實驗室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設(shè)計的靈活性、提供了實驗室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)學(xué)生實踐精神、創(chuàng)造精神的平臺 　　隨著科技的發(fā)展，“計算機仿真技術(shù)”已成為許多設(shè)計部門重要的前期設(shè)計手段。它具有設(shè)計靈活，結(jié)果、過程的統(tǒng)一的特點?？墒乖O(shè)計時間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風險。相信在單片機開發(fā)應(yīng)用中PROTEUS也能茯得愈來愈廣泛的應(yīng)用。 　　使用Proteus 軟件進行單片機系統(tǒng)仿真設(shè)計, 是虛擬仿真技術(shù)和計算機多媒體技術(shù)相結(jié)合的綜合運用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計能力及仿真軟件的操作能力；在單片機課程設(shè)計和全國大學(xué)

30、生電子設(shè)計競賽中，我們使用 Proteus 開發(fā)環(huán)境對學(xué)生進行培訓(xùn)，在不需要硬件投入的條件下，學(xué)生普遍反映，對單片機的學(xué)習(xí)比單純學(xué)習(xí)書本知識更容易接受，更容易提高。實踐證明，在使用 Proteus 進行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進行實際制作，能極大提高單片機系統(tǒng)設(shè)計效率。因此，Proteus 有較高的推廣利用價值。 　　目前Proteus的最新版為7.7 sp2,今年將推出8.0版本，增加DSP系列及ARM cortex處理器 3.2匯編語言簡單介紹 匯編語言(Assembly Language)是面向機器的程序設(shè)計語言.匯編語言是一種功能很強的程序設(shè)計語言,也是利用計算機所有硬件特性并能直接

31、控制硬件的語言。匯編語言”作為一門語言，對應(yīng)于高級語言的編譯器，需要一個“匯編器”來把匯編語言原文件匯編成機器可執(zhí)行的代碼。高級的匯編器如MASM, TASM等等為我們寫匯編程序提供了很多類似于高級語言的特征，比如結(jié)構(gòu)化、抽象等。在這樣的環(huán)境中編寫的匯編程序，有很大一部分是面向匯編器的偽指令，已經(jīng)類同于高級語言?，F(xiàn)在的匯編環(huán)境已經(jīng)如此高級，即使全部用匯編語言來編寫windows的應(yīng)用程序也是可行的，但這不是匯編語言的長處。匯編語言的長處在于編寫高效且需要對機器硬件精確控制的程序。 在匯編語言中，用助記符(Memoni)代替操作碼，用地址符號(Symbol)或標號(Label)代替地址碼。這

32、樣用符號代替機器語言的二進制碼，就把機器語言變成了匯編語言。因此匯編語言亦稱為符號語言。使用匯編語言編寫的程序，機器不能直接識別，要由一種程序?qū)R編語言翻譯成機器語言，這種起翻譯作用的程序叫匯編程序，匯編程序是系統(tǒng)軟件中語言處理系統(tǒng)軟件。匯編語言把匯編程序翻譯成機器語言的過程稱為匯編。 匯編語言比機器語言易于讀寫、調(diào)試和修改，同時具有機器語言全部優(yōu)點。但在編寫復(fù)雜程序時，相對高級語言代碼量較大，而且匯編語言依賴于具體的處理器體系結(jié)構(gòu)，不能通用，因此不能直接在不同處理器體系結(jié)構(gòu)之間移植。 匯編語言的特點: ⑴.面向機器的低級語言，通常是為特定的計算機或系列計算機專門設(shè)計的。 ⑵.保

33、持了機器語言的優(yōu)點，具有直接和簡捷的特點。 ⑶.可有效地訪問、控制計算機的各種硬件設(shè)備，如磁盤、存儲器、CPU、I/O端口等。 ⑷.目標代碼簡短，占用內(nèi)存少，執(zhí)行速度快，是高效的程序設(shè)計語言。 ⑸.經(jīng)常與高級語言配合使用，應(yīng)用十分廣泛。 3.3 WAVE系統(tǒng)簡介 3.3.1 wave偉福系統(tǒng)的使用 1.文本編輯器的使用 在偉福編輯器中，可以編輯C語言、匯編語言、PLM語言程序，方法如下： （1）調(diào)整主窗口中各窗口的邊緣線，可以將編輯窗口調(diào)整至最大；　?。?）在編輯框中可像一般的文本編輯軟件一樣編輯程序。并能通過復(fù)制、剪貼、粘貼等功能對程序進行修改。 　注意：源程序

34、除可以在WAVE6000的編譯環(huán)境下編輯、錄入，還可以在WORD、記事本或?qū)懽职瀛h(huán)境下錄入、編輯和修改，并拷貝到偉福編輯器中進行編譯，但在編譯前須將文件存為“**.asm”的格式。 2．程序的編譯 在程序運行之前，應(yīng)先對程序進行編譯，方法為： 　　（1） 進入【項目】菜單，選擇【編譯】項，對程序進行編譯。 　　（2） 按F9鍵，對程序進行編譯。 （3） 在工具條中選擇【編譯（F9）】按鈕 ，對程序進行編譯。 3．程序的運行 　?。?） 在【執(zhí)行】菜單中選擇【全速執(zhí)行】，可執(zhí)行整個程序。 　?。?） 按Ctrl+F9，也可全速執(zhí)行程序。 　　（3） 選擇工具欄中的全速執(zhí)行（Ct

35、rl+F9）按鈕 ，也可執(zhí)行程序。 　?。?） 也可按說明書中選擇斷點執(zhí)行方式和單步執(zhí)行方式。 　　注意：上機過程中應(yīng)體會單步、跟蹤、設(shè)置斷點、程序運行至光標處（按F4）、全速運行等軟件調(diào)試方法的功能和特點。 4．計算機與單片機實驗儀的連接運行 　　將計算機與單片機實驗儀連接，可直接將已編輯好的程序編譯成機器碼，通過串行口傳輸給單片機實驗儀，并可運行程序。 　　（1） 用9芯串行線連接計算機的串行口（COM1或COM2）和單片機實驗箱的仿真器串口連接； 　?。?） 連接實驗儀的電源，打開實驗儀的電源； 　?。?） 連接計算機的電源，打開計算機電源； 　?。?） 設(shè)置仿真器的各設(shè)

36、置項，連接成功后在窗口的左上角的【仿真器設(shè)置】按鈕上將出現(xiàn)一個綠色的“√” 。 （5） 編寫程序或調(diào)入事先編輯好的程序文件，按F9鍵進行編譯程序。按Ctrl+F9執(zhí)行程序。 3.3.2 WAVE的開發(fā)環(huán)境 　　WAVE仿真器有兩種版本：DOS版本和Windows版本。中文界面，英文界面可任選，并支持ASM，C，PLM語言混合編程，具有項目管理功能，為用戶的資源共享，課題重組提供強有力的手段。有豐富的窗口顯示方式，能多方位，動態(tài)地顯示仿真的各種過程?？刹捎秒p工作模式： 軟件模擬仿真（不要仿真器也能模擬仿真）和硬件仿真。 　　由于編輯、編譯、下載、調(diào)試全部集中在一個環(huán)境下，為使用者提供了

37、一個全集成環(huán)境，統(tǒng)一的界面，包含一個項目管理器，一個功能強大的編輯器，匯編Make、Build和調(diào)試工具并提供一個與第三方編譯器的接口，為用戶提供了方便。 WAVE仿真器具有強大的邏輯分析儀綜合調(diào)試功能，通過交互式軟件菜單窗口對系統(tǒng)硬件的邏輯或時序進行同步實時采樣，并能實時在線調(diào)試分析。　　 3.3.3 WAVE仿真器的界面 　　WAVE的窗口可根據(jù)選擇主要功能如下： 　　1． 項目窗口 可對項目進行管理。 　　2． 信息窗口 顯示系統(tǒng)編譯輸出的信息。如果程序有錯，會以圖標形式指出, 表示錯誤, 表示警告, 表示通過在編譯信息行會有相關(guān)的生成文件,雙擊鼠標左鍵,或單擊右鍵在彈出菜單

38、中選擇“打開”功能,可以打開相關(guān)文件。如果有編譯錯誤,雙擊左鍵,可以在源程序中指出錯誤所在行。 　　3． CPU窗口 CPU窗口，可給出機器碼及反匯編程序，可以讓你更清楚地了解程序執(zhí)行過程。 　　4． 數(shù)據(jù)窗口 51系列有以下四種數(shù)據(jù)窗口： 　　1） DATA 內(nèi)部數(shù)據(jù)窗口。在內(nèi)部數(shù)據(jù)窗口中可以看到CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)值，紅色的為上一步執(zhí)行過程中，改變過的值，窗口狀態(tài)欄中為選中數(shù)據(jù)的地址，可以在選中的數(shù)據(jù)上直接修改數(shù)據(jù)的十六進制值，也可以用彈出菜單的修改功能，修改選中的數(shù)據(jù)值。數(shù)據(jù)窗口通過項目窗口下方的DATA選項激活。 　　2） CODE 程序數(shù)據(jù)窗口；程序數(shù)據(jù)窗口顯示的是編譯后程序碼，

39、狀態(tài)欄顯示的是選中數(shù)據(jù)的地址，可以對在選中數(shù)據(jù)上直接修改程序數(shù)據(jù)的十六進制值，也可以對程序數(shù)據(jù)進行“塊填充”，“塊移動”操作,也可以讀入一段二進制代碼插入程序數(shù)據(jù)中,也可以將程序數(shù)據(jù)中的某段代碼寫文件中。 　　3） XDATA 外部數(shù)據(jù)窗口。通過數(shù)據(jù)窗口可觀察程序運行過程中數(shù)據(jù)單元中的內(nèi)容。 　　4） PDATA 外部數(shù)據(jù)窗口（頁方式）。 　　WAVE的窗口較多，可根據(jù)不同的需要進行選擇。 四.系統(tǒng)軟件設(shè)計 4.1系統(tǒng)簡介 該課設(shè)是基于單片機利用脈沖寬度調(diào)制來控制伺服直流電動機的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向，是一個典型的控制系統(tǒng)。 脈沖寬度調(diào)制主要是改變脈沖信號的占空比來實現(xiàn)

40、控制的。當增加脈沖的占空比，伺服直流電動機轉(zhuǎn)速增加；反之，其速度降低。所以通過控制脈沖的占空比可以控制伺服直流電動機的轉(zhuǎn)速。 4.2系統(tǒng)設(shè)計原理 4.2.1正反轉(zhuǎn)控制原理 該系統(tǒng)中利用開關(guān)K3控制伺服直流電動機的正反轉(zhuǎn)。當開關(guān)閉合時既輸入信號為1，通過單片機編程處理后，控制電動機的正轉(zhuǎn)；反之，控制電動機的反轉(zhuǎn)。 實現(xiàn)該功能的子程序為： LOOP: JB K3,LOOPZF CLR ZF LJMP LOOPK1 LOOPZF: SETB ZF 4.2.2加速

41、控制原理 該系統(tǒng)中利用開關(guān)K1控制伺服直流電動機的加速。當開關(guān)閉合時既輸入信號為1，通過單片機編程處理后，增加控制脈沖的占空比，從而增大了電動機兩側(cè)的電壓，使伺服直流電動機加速；反之，電動機保持勻速轉(zhuǎn)動。 實現(xiàn)該功能的子程序為： LOOPK1: JB K1,LOOPK2 LCALL DELAY MOV A,PWML ADD A,#1 MOV PWML,A MOV A,PWMH ADDC A,#

42、0 MOV PWMH,A JNC LOOPK2 MOV PWMH,#0FFH 4.2.3減速控制原理 該系統(tǒng)中利用開關(guān)K2控制伺服直流電動機的加速。當開關(guān)閉合時既輸入信號為1，通過單片機編程處理后，減少控制脈沖的占空比，從而減小了電動機兩側(cè)的電壓，使伺服直流電動機減速；反之，電動機保持勻速轉(zhuǎn)動。 實現(xiàn)該功能的子程序為： LOOPK2: JB K2,OVER LCALL DELAY

43、 MOV A,PWML CLR C SUBB A,#1 MOV PWML,A MOV A,PWMH SUBB A,#0 MOV PWMH,A JNC OVER MOV PWMH,#00H 4.3系統(tǒng)原理圖 下圖是系統(tǒng)的原理圖，圖中單片機AT89C51，其主要功能就是將開關(guān)的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并通過固

44、定程序，通過對信號的識別，輸出相應(yīng)的控制信號。系統(tǒng)圖的最右側(cè)是采用IGBT作為開關(guān)器件的單相橋式PWM逆變電路。以電動機作為負載，工作時Q1,Q3的通斷狀態(tài)互補，Q2,Q4的通斷狀態(tài)也互補。PWM逆變電路中間是調(diào)制電路，輸入信號分別是信號波和載波，輸出的信號分別送至4個IGBT的門極，對其控制。 圖 4.1 4.4 仿真結(jié)果圖 下圖是系統(tǒng)的仿真圖，圖中左下方是三個控制開關(guān)，分別控制直流伺服電動機的正反轉(zhuǎn)，加減速。開關(guān)按下時，是高電平信號，開關(guān)開時，是低電平信號（信號為高電平時有效）。開關(guān)右側(cè)的單片機AT89C51，其主要功能就是將開關(guān)的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并通過固定程序，通過對信

45、號的識別，輸出相應(yīng)的控制信號。系統(tǒng)圖的最右側(cè)是采用IGBT作為開關(guān)器件的單相橋式PWM逆變電路。以電動機作為負載，工作時Q1,Q3的通斷狀態(tài)互補，Q2,Q4的通斷狀態(tài)也互補。PWM逆變電路下方是調(diào)制電路，輸入信號分別是信號波和載波，輸出的信號分別送至4個IGBT的門極，對其控制。 圖4.2 總 結(jié) 通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次設(shè)計，進一步加深了對單片機的

46、了解，掌握單片機的基本內(nèi)容和基本操作。讓我對它有了更加濃厚的興趣，會更加注重單片機在日常生活中的運用。雖然在設(shè)計的過程中遇到不少問題，但是在與老師，同學(xué)的交流中不僅解決了問題，還有了更深的體會。在設(shè)計的過程中更是發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，這些都是自己以后學(xué)習(xí)應(yīng)該注意的問題 本設(shè)計的中心思想就是結(jié)合各課的知識，來完成一個綜合的設(shè)計。通過單片機產(chǎn)生PWM脈沖，來控制單相橋式整流電路，從而實現(xiàn)了對直流伺服電動機的調(diào)速控制。 在今后的學(xué)習(xí)中，我不但要將理論知識學(xué)好，還要將其應(yīng)用到實踐，并且將各科知識聯(lián)系起來應(yīng)用。 參考文獻 【1】何立民。MCS-51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計〔M〕。北京:航空航天大學(xué)出版社,1991 【2】李群芳 單片微機計算機與接口技術(shù)(M)北京。電子工業(yè)出版社，2008 【3】余國衛(wèi) 單片微機計算機與接口技術(shù)實驗指導(dǎo)書 26