基于單片機的直流伺服電機脈沖寬度調(diào)制控制系統(tǒng)

1、沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文1摘摘 要要單片機是應(yīng)控制領(lǐng)域應(yīng)用的要求而出現(xiàn)的，隨著單片機的迅速發(fā)展，起應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。盡管目前已經(jīng)發(fā)展眾多種類的單片機，但是應(yīng)用較廣、也是最成熟的還是最早有 Intel 開發(fā)的 MCS-51 系列單片機（51 系列單片機） 。51 系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)成為目前主流的單片機應(yīng)用系統(tǒng)。直流電機脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation簡稱PWM）調(diào)速產(chǎn)生于 20 世紀 70 年代中期，最早用于自動跟蹤天文望遠鏡，自動記錄儀表等的驅(qū)動，后來用于晶體管器件水平的提高及電路技術(shù)的發(fā)展，PWM 技術(shù)得到了高速發(fā)展，各式各樣的脈寬調(diào)速控制器，脈寬調(diào)速模塊也應(yīng)運

2、而生，許多單片機也都有了 PWM 輸出功能。而 MCS51 系列單片機作為應(yīng)用最廣泛的單片機之一，卻沒有 PWM 輸出功能，本課設(shè)采用配合軟件的方法實現(xiàn)了 MCS51 單片機的 PWM 輸出調(diào)速功能，這對精度要求不高的場合時非常實用的。沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文2一一.單片機簡介單片機簡介.31.1 單片機的發(fā)展史 .31.2 AT89C51 簡介.4二二.硬件電路設(shè)計硬件電路設(shè)計.82.1 硬件組成.82.2 主要器件功能介紹 .82.2.1 直流伺服電機簡介.82.2.2 PWM 簡介及調(diào)速原理.92.2.3 二極管的應(yīng)用.112.3 電路組成.122.3.1 晶振電路.122.3.2 復(fù)位

3、電路.122.3.3 單相橋式整流電路.132.3.4 調(diào)制電路.13三三.系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計.143.1 PROTEUS介紹.143.2 匯編語言簡單介紹 .173.3 WAVE 系統(tǒng)簡介.183.3.1 wave 偉福系統(tǒng)的使用 .183.3.2 WAVE 的開發(fā)環(huán)境.203.3.3 WAVE 仿真器的界面.20四四.系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計.214.1 系統(tǒng)簡介.214.2 系統(tǒng)設(shè)計原理 .214.2.1 正反轉(zhuǎn)控制原理.214.2.2 加速控制原理.224.2.3 減速控制原理.224.3 系統(tǒng)原理圖.234.4 程序流程圖.244.5 匯編設(shè)計.254.6 仿真結(jié)果圖.29五五

4、.總總 結(jié)結(jié).30參考文獻參考文獻.30沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文3一一.單片機簡介單片機簡介1.1 單片機的發(fā)展史單片機的發(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（19761978）：單片機的控索階段。以 Intel 公司的 MCS48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（19781982）：

5、單片機的完善階段。Intel 公司在 MCS48 的基礎(chǔ)上推出了完善的，典型的單片機系列 MCS51.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)。 完善的外部總線。MCS51 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。 CPU 外圍功能單元的集中管理模式。 體現(xiàn)工控特性的位地址空間及位操作方式。 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（19821990）：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 MCS96

6、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 MCS51 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。 沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文41.2 AT89C51 簡介簡介AT89C5

7、1 是一種帶 4K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash 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

8、。AT89C 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提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-24MHzf)三級程序存儲器鎖定g)1288 位內(nèi)部 RAMh)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：沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文53)AT89C51 引腳圖：沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文64)管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口：P0

9、 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(dāng) 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(dāng) 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

10、收。 P2 口：P2 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(dāng) 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(dāng)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(dāng)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

11、/O 口，可接收輸出 4 個TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)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）沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文7 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）

12、 P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)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(dāng)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(dāng)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，

13、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。 /PSEN：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(dāng)/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(dāng)/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

14、：來自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性: XTAL1 和 XTAL2 分別為反向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。沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文8二二.硬件電路設(shè)計硬件電路設(shè)計2.1 硬件組成硬件組成本系統(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 74LS0

15、4 1 個，與門74LS08 2 個，電容（CAPACITOR） 2 個，芯片（AT89C51） 1 個，開關(guān)（BUTTON）3 個，直流伺服電動機（MOTOR）1 個，電阻（RES）4 個，電源 3 個，地（GROUND）4 個。元件表硬件型號數(shù)量硬件型號數(shù)量1N40774MOTOR12SJ504RES474LS041CAPACITOR274LS082GROUND4AT89C511VCC3BUTTON32.2 主要器件功能介紹主要器件功能介紹2.2.1 直流伺服電機簡介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，

16、轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當(dāng)信號小時，轉(zhuǎn)子能即使自行停轉(zhuǎn)，由于這種“伺服”性能，因此而得名。沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文9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?？煽刂菩院檬侵笇ず孟б院?，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/K=(Ua-IaRa)/K式中n 為轉(zhuǎn)速; 為磁通;E 為電樞反電勢;Ua 為外

17、加電壓;IaRa 為電樞電流和電阻。直流伺服電機與普通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(dāng)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，

18、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。PWM 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 01。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沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文10計算公式：占空比=t ton/Ta)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

19、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。沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文112.2.3 二極管的應(yīng)用二極管的應(yīng)用1)整流二極管 利用二極管單向?qū)?/p>

20、電性，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(dāng)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?0.7V，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 用于電視機顯示器上。沈陽理工大學(xué)

21、課程設(shè)計論文122.3 電路組成電路組成2.3.1 晶振電路晶振電路圖2.3.1 振電路圖，由兩個電容和一個晶振組成，晶振頻率為 12MHZXTAL218XTAL119U1X1CRYSTALC130pFC230pFC3VCC圖2.3.12.3.2 復(fù)位電路復(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。R410kC330uVCCVCC沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文13圖2.3.22.3.3 單相橋式整流電路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

22、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2.3.32.3.4 調(diào)制電路調(diào)制電路圖 2.3.4 是調(diào)制電路圖，由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。沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文14123U2:A74LS08456U2:B74LS0812U3:A74LS04VCC/VDDVCC/VDD圖 2.3.4三三.系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1 Proteus 介紹介紹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(fēng)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

23、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、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

24、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：沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文15（1）原理布圖；（2）PCB 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

25、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。

26、 （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，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

27、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、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） 沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文16 支持主流的 CPU 類型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicSt

28、amp、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

29、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，3

30、D 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

31、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，但功沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文17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

32、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(dāng)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(dāng)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

33、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(fēng)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)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

34、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 處理器沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文183.2 匯編語言簡單介紹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

35、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

36、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: .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。 .保持了機器語言的優(yōu)點，具有直接和簡捷的特點。 .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。 .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。 .

37、經(jīng)常與高級語言配合使用，應(yīng)用十分廣泛。沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文193.3 WAVE 系統(tǒng)簡介系統(tǒng)簡介 3.3.1 wave 偉福系統(tǒng)的使用偉福系統(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；（2）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

38、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（1） 在【執(zhí)行】菜單中選擇【全速執(zhí)行】 ，可執(zhí)行整個程序。（2） 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（Ctrl+F9）按鈕 ，也可執(zhí)行程序。（4） 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

39、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；（2） 連接實驗儀的電源，打開實驗儀的電源；沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文20（3） 連接計算機的電源，打開計算機電源；（4） 設(shè)置仿真器的各設(shè)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)境的開發(fā)環(huán)境WAVE 仿真器有兩種版本：DOS 版

40、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

41、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：沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文211） DATA

42、 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，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

43、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。四四.系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)簡介系統(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)控制的。當(dāng)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。沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文224.2 系統(tǒng)設(shè)計原理系統(tǒng)設(shè)計原理4.2.1 正反轉(zhuǎn)控制原理正反轉(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(dāng)開關(guān)閉合時既輸入信

44、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 ；高電平逆時針轉(zhuǎn)，低電平順時針轉(zhuǎn) CLR ZF ；針轉(zhuǎn) LJMP LOOPK1LOOPZF: SETB ZF4.2.2 加速控制原理加速控制原理該系統(tǒng)中利用開關(guān) K1 控制伺服直流電動機的加速。當(dāng)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 ；K1 按下加速 LCALL DELAY MOV A,PW

45、ML ADD A,#1 ；調(diào)寬值低 4 位加 1 MOV PWML,A MOV A,PWMH ADDC A,#0 ；調(diào)寬值高 4 位加 1 MOV PWMH,A JNC LOOPK2 ；最大值時 MOV PWMH,#0FFH沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文234.2.3 減速控制原理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(dāng)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 ；K2 按下減速 LCALL DELAY MOV A

46、,PWML CLR C SUBB A,#1 ；調(diào)寬值低 4 位減 1 MOV PWML,A MOV A,PWMH SUBB A,#0 ；調(diào)寬值高 4 位減 1 MOV PWMH,A JNC OVER MOV PWMH,#00H ；最小值時4.3 系統(tǒng)原理圖系統(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，并通過固定程序，通過對信號的識別，輸出相應(yīng)的控制沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文24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。

47、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。4.4 程序流程圖程序流程圖由以下流程圖可知，系統(tǒng)先檢測開關(guān) 3（正反轉(zhuǎn)開關(guān)）的信號。如果是 0 信沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文25號（開的狀態(tài)） ，則發(fā)出正轉(zhuǎn)信號，電動機正轉(zhuǎn)，反之電動機反轉(zhuǎn)。檢測完開關(guān)3，接下來檢測開關(guān) 1（加速開關(guān)） ，若信號為 1（關(guān)的狀態(tài)） ，發(fā)出加速的信號，電動機加速，若信號為 0（開的狀態(tài)） ，速度保持不變。再檢測開關(guān) 2（減速開關(guān)） ，若信號為 1（關(guān)的狀態(tài)） ，發(fā)出減速的信號，電動機減速，若信號為 0（開的狀態(tài)） ，速度保持不變。系統(tǒng)一直對三個開關(guān)信號循環(huán)檢測，循環(huán)的執(zhí)行程序。圖3.3沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計論文264.5 匯編設(shè)計匯編設(shè)計K1 BIT P1.4 ；加速鍵K2 BIT P1.5 ；減速鍵K3 BIT P1.6 ；正反鍵CLK BIT P0.0 ；速度控制信號ZF BIT P0.1 ；正反控制信號PWMH EQU 30H ；調(diào)寬值，定時器所賦值PWML EQU 31HORG 0000HLJMP MAINO