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1、沈阳理工大学课程设计论文 1 摘摘 要要 单片机是应控制领域应用的要求而出现的 随着单片机的迅 速发展 起应用领域越来越广 尽管目前已经发展众多种类的 单片机 但是应用较广 也是最成熟的还是最早有 Intel 开发 的 MCS 51 系列单片机 51 系列单片机 51 系列单片机应用系 统已经成为目前主流的单片机应用系统 直流电机脉冲宽度调制 Pulse Width Modulation 简称 PWM 调速产生于 20 世纪 70 年代中期 最早用于自动跟踪天文 望远镜 自动记录仪表等的驱动 后来用于晶体管器件水平的 提高及电路技术的发展 PWM 技术得到了高速发展 各式各样 的脉宽调速控制器
2、 脉宽调速模块也应运而生 许多单片机也 都有了 PWM 输出功能 而 MCS 51 系列单片机作为应用最广泛 的单片机之一 却没有 PWM 输出功能 本课设采用配合软件的 方法实现了 MCS 51 单片机的 PWM 输出调速功能 这对精度要 求不高的场合时非常实用的 沈阳理工大学课程设计论文 2 一一 单片机简介单片机简介 3 1 1 单片机的发展史 3 1 2 AT89C51 简介 4 二二 硬件电路设计硬件电路设计 8 2 1 硬件组成 8 2 2 主要器件功能介绍 8 2 2 1 直流伺服电机简介 8 2 2 2 PWM 简介及调速原理 9 2 2 3 二极管的应用 11 2 3 电路组
3、成 12 2 3 1 晶振电路 12 2 3 2 复位电路 12 2 3 3 单相桥式整流电路 13 2 3 4 调制电路 13 三三 系统软件设计系统软件设计 14 3 1 PROTEUS介绍 14 3 2 汇编语言简单介绍 17 3 3 WAVE 系统简介 18 3 3 1 wave 伟福系统的使用 18 3 3 2 WAVE 的开发环境 20 3 3 3 WAVE 仿真器的界面 20 四四 系统软件设计系统软件设计 21 4 1 系统简介 21 4 2 系统设计原理 21 4 2 1 正反转控制原理 21 4 2 2 加速控制原理 22 4 2 3 减速控制原理 22 4 3 系统原理图
4、 23 4 4 程序流程图 24 4 5 汇编设计 25 4 6 仿真结果图 29 五五 总总 结结 30 参考文献参考文献 30 沈阳理工大学课程设计论文 3 一一 单片机简介单片机简介 1 1 单片机的发展史单片机的发展史 单片机作为微型计算机的一个重要分支 应用面很广 发展很快 自单片机诞 生至今以发展为上百种系列的近千个分支 如果将 8 位单片机的推出作为起点 那么单片机的发展历史大致可以分为以下几个阶段 1 第一阶段 1976 1978 单片机的控索阶段 以 Intel 公司的 MCS 48 的推出是在工控领域的控索 参与这一控索的公司还有 Motorola Zilog 等 都 取
5、得了满意的效果 这就是 SCM 的诞生年代 单片机 一词由此而来 2 第二阶段 1978 1982 单片机的完善阶段 Intel 公司在 MCS 48 的 基础上推出了完善的 典型的单片机系列 MCS 51 它在以下几个方面奠定了 典型的通用总线型单片机体系结构 完善的外部总线 MCS 51 设置了经典的 8 位单片机的总线结构 包 括 8 位数据总线 16 位地址总线控制总线及具有很多通信功能的串行通信接口 CPU 外围功能单元的集中管理模式 体现工控特性的位地址空间及位操作方式 指令系统趋于丰富和完善 并且增加了许多突出控制功能的指令 3 第三阶段 1982 1990 8 位单片机的巩固发
6、展及 16 位单片机的推出 阶段 也是单片机向微控制器发展的阶段 Intel 公司推出的 MCS 96 系列单 片机 将一些用于测控系统的模数转换器 程序运行监视器 脉宽调制器等纳 入片中 体现了单片机的微控制器的特征 随着 MCS 51 系列的广泛应用 许多电气厂商竞相使用 80C51 为内核 将许多测控系统中使用的电路技术 接 口技术 多通道 A D 转换部件 可靠性技术等应用到单片机中 增强了外围电 路的功能 强化了智能控制的特征 4 第四阶段 1990 微控制器的全面发展阶段 随着单片机在各个领域 全面深入地发展和应用 出现了高速 大寻址范围 强运算能力的 8 位 16 位 32 位通
7、用型单片机 以及小型廉价的专用型单片机 沈阳理工大学课程设计论文 4 1 2 AT89C51 简介简介 AT89C51 是一种带 4K 字节闪存可编程可擦除只读存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS 8 位 微处理器 俗称单片机 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存 储器的单片机 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出 管脚相兼容 由于将多功能 8 位
8、CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 AT89C2051 是它的一种精简版本 AT89C 单片 机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 1 主要特性 a 与 MCS 51 兼容 b 4K 字节可编程闪烁存储器 c 寿命 1000 写 擦循环 d 数据保留时间 10 年 e 全静态工作 0Hz 24MHz f 三级程序存储器锁定 g 128 8 位内部 RAM h 32 可编程 I O 线 i 两个 16 位定时器 计数器 j 5 个中断源 k 可编程串行通道 l 低功耗的闲置和掉电模式 m 片内振荡器和时钟电路 2 单片机内部结
9、构图 沈阳理工大学课程设计论文 5 3 AT89C51 引脚图 沈阳理工大学课程设计论文 6 4 管脚说明 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据 存储器 它可以被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原 码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接 收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚
10、写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作 为输入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于 内部上拉的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进 行存取时 P2 口输出地址的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地址数据存储器进行读
11、写时 P2 口输出其特殊功能寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作 为输入 由于外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘 故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下表所示 口管脚 备选功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输
12、入 沈阳理工大学课程设计论文 7 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电 平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址 的地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可 用作对外部输出的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据 存储器时 将跳过一个
13、ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上 置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个 机器周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定 为 RESET 当 EA 端保持高电平时 此间内部程序存储器
14、 在 FLASH 编程期 间 此引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 振荡器特性 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可以配置 为片内振荡器 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 如采用外部时钟源驱动器件 XTAL2 应不接 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器 因此对外 部时钟信号的脉宽无任何要求 但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 沈阳理工大学课程设计论文 8 二二 硬件电路设计硬件电路设计 2 1 硬件组成硬件组成 本系统由 PC 机 MCS 51 单片机开发系
15、统 PWM 脉宽调制控制板以及直流 伺服电动机等组成 具体相关硬件如下 二极管 1N4077 4 个 场效应管 2SJ50 4 个 非门 74LS04 1 个 与门 74LS08 2 个 电容 CAPACITOR 2 个 芯片 AT89C51 1 个 开关 BUTTON 3 个 直流伺服电动机 MOTOR 1 个 电阻 RES 4 个 电源 3 个 地 GROUND 4 个 元件表 硬件型号数量硬件型号数量 1N40774MOTOR1 2SJ504RES4 74LS041CAPACITOR2 74LS082GROUND4 AT89C511VCC3 BUTTON3 2 2 主要器件功能介绍主要器
16、件功能介绍 2 2 1 直流伺服电机简介直流伺服电机简介 伺服电机也称执行电机 它具有一种服从控制信号的要求而动作的电机 在 信号来到之前 转子静止不动 信号来到之后 转子立即转动 当信号小时 转子能即使自行停转 由于这种 伺服 性能 因此而得名 沈阳理工大学课程设计论文 9 按照在自动控制系统中的功用所要求 伺服电机具备可控性好 稳定性高 和速应性强等基本性能 可控制性好是指寻好消失以后 能立即自行停转 稳 定性高是指转速随转矩的增加而均匀下降 速应性强是指反应快 灵敏 直流伺服电动机在自动控制系统中常用作执行元件 对它的要求是要有下垂 的机械特性 线性的调节特性和对控制信号能作出快速反应 该系统采用的是 电磁式直流伺服电动机 其型号为 45SY01 型 其转速 n 的计算公式如下 n E K Ua IaRa K 式中 n 为转速 为磁通 E 为电枢反电势 Ua 为外加电压 IaRa 为电枢电流和 电阻 直流伺服电机与普通直流电机以及交流伺服电机的比较 直流伺服电机的工作原理和普通直流电机相同 只要在其励磁绕组中有电 流通过且产生了磁通 当电枢绕组中通过电流时 这个电枢电流与磁通互相
