毕业论文基于51单片机的直流电机的PID控制器WORD档P

1、扬州大学本科生毕业设计第一章 绪论 1.1 前言21世纪，科学技术日新月异，科技的进步带动了控制技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了翻天覆地的变化。我们已进入高速发展的信息时代，控制技术成为当今科技的主流之一，广泛深入到研究和应用工程等各个领域。控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。其控制系统包括控制器传感器变送器执行机构输入输出接口。控制器的输出经过输出接口执行机构、加到被控系统上；控制系统的被控量、经过传感器、变送器、通过输入接口送到控制器。不同的控制系统、传感器变送器执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传

2、感器。目前，pid控制及其控制器或智能pid控制器已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用。受益于数十年来全球经济高速成长所获得的pid控制成果,在中国市场，一大批机器设备制造商正处于蓬勃发展阶段，除满足本土市场庞大的机器设备需求外，走向国际市场，参与国际竞争也成为现实需求。在应用方面，这种控制技术已经渗透到了医疗、汽车制造、铁道运输、航天航空、钢铁生产、物流配送、饮料生产等多个方面。但是由于中国科技落后，为此，我们需要更进一步的学习、掌握与应用先进的控制技术与解决方案，以提升设备性能、档次与市场竞争力。在国外，尤其在运动控制及过程控制方面pid控制技术的应用更是越来越广泛和深入。随着科技

3、的进步，人们对生活舒适性的追求将越来越高，pid控制技术作为一项具有发展前景和影响力的新技术，正越来越受到国内外各行业的高度重视。1.2 直流电动机控制的发展历史常用的控制直流电动机有以下几种:第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机-电动机(也称为旋转变流组)，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围(十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速

4、平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点:维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独

5、特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组(放大倍数10)高1000倍，比汞弧变流器(放大倍数1000)高10倍;在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直

6、流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制也装置不断向前发展。微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的simoreg k 6ra24、abb公司的pad/psd等等。随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天

7、线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技术

8、和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。其中，脉宽调制（pwm）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。在那些对电动机控制系统的性能要求较高

9、的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。1.3直流电动机控制的研究现状数字直流调速装置，从技术上，它能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和plc等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作

10、简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广一阔的应用前景。国外主要电气公司如瑞典的abb公司、德国的西门子公司、aeg公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的ge公司、西屋公司等，均已经开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直

11、流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。我国关于数字直流调速系统的研究主要有:综合性最优控制，补偿pid控制，pid算法优化，也有的只应用模糊控制技术。随着新型电力半导体器件的发展，igbt(绝缘栅双极型晶体管)具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。因此我国直流电机调速也正向着脉宽调制（pulse width modulation,简称pwm）方向发展。我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。第二章 单片机的介绍2.

12、1单片机的概述 单片机自20世纪70年代问世以来，作为微型计算机的一个重要分支，得到了快速的发展。它以体积小、功能全、价格低等特点，赢得了广泛的应用，已经渗透到了社会生活的各个领域。单片机（single-chip microcomputer）是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理等）的微处理器（cpu）、随机存储器（ram）、只读存储器（rom）、输入输出接口电路（i/o）、串行通信口（sci）、脉宽调制电路（pwm）、定时计算器、a/d转换器及d/a转换器等电路集成到一块半导体硅片上，这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效的完成设计者

13、事先规定的任务，这样的一块具有一台计算机的属性，可以构成一个最小而完善的的计算机系统的电路芯片就称为单片微型计算机，简称单片机。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着cmos（互补金属氧化物半导体）化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。cmos化  cmos（complementary metal oxide semiconductor）电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的ttl电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了hmos（高密度、高速度m

14、os）和chmos工艺。低功耗化  单片机的功耗已从ma级，甚至1ua以下；使用电压在36v之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。低电压化  几乎所有的单片机都有wait、stop等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在36v范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达12v。目前0.8v供电的单片机已经问世。低噪声与高可靠性  为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求。大容量化  以往单片机内的rom为1kb4kb，ram为

15、64128b。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内rom最大可达64kb，ram最大为2kb。高性能化  主要是指进一步改进cpu的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（risc）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。小容量、低价格化  与上述相反，以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。外围电路内装化  这也是单片机发展的主要方向。随着

16、集成度的不断提高，有可能把众多的各种外围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的cpu、rom、ram、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、dma控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。串行扩展技术  在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位otp（one time program）及各种类型片内程序存储器的发展，加之外围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别是ic、spi等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。2.

17、2单片机的特点及应用领域2.2.1单片机的特点单片机把微型计算机的主要功能都集成在一块芯片上，即一块芯片就是一个微型计算机。因此，单片机具有以下特点:（1）较高的性价比 目前国内市场上，有些单片机的芯片价格只有几十元人民币，再加上很少的外围器件，就可以构成一台多功能的控制机构。（2）集成度好，体积小，可靠性好 单片机把各种功能不见集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线大大的提高了单片机的可靠性及其抗干扰能力。（3）控制功能强 单片机指令系统、硬件资源丰富，能充分满足工业控制的各种要求。（4）低电压，低功耗。 （5）开发周期短，易于产品化 可根据需要构成各种规模的应用系统。2

18、.2.2单片机的应用领域单片机的应用范围很广，在社会生产的方方面面都得到了广泛的应用。（1）工业自动化 如工厂流水线的智能化管理、电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统。（2）智能仪器仪表 单片机用于各种仪器仪表，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度等物理的测量。（3）办公自动化领域 现代的办公室所使用的大部分现代产品多数都采用了单片机，如打印机、绘图仪、复印机等等。（4）日常用品及家用电器领域 从电冰箱、洗衣机、空调机、数码相机及其它视频音像设备到智能卡、电子宠物等，形形色色，无处不在。（5）通信领域 单片机普遍具有通信接口，现在的通信设备基本上都

19、实现了单片机的智能控制，从手机、电话机、小型程控交换机再到日常生活中的集群移动通信、限线对讲机等。（6）商业营销 采用单片机构成专用系统已经广泛的应用在了电子称、收款机、条形数码阅读器、仓储安全监控系统、空气调节系统、冷冻保鲜系统等生活当中的方方面面，极大的服务了人民。（7）汽车电子与航空航天电子系统 这些电子系统中的集中显示系统、车上娱乐系统、车载安全装置、导航系统、动力监测系统、等都是采用单片机来实现控制的。虽然大多数普通单片机都具有熔丝烧断保护单片机内代码的功能，但由于通用低档的单片机并非定位于制作安全类产品，因此，它们往往没有提供有针对性的防范措施且安全级别较低。加上单片机应用场合广泛

20、，销售量大，厂商间委托加工与技术转让频繁，大量技术资料外泻，使得利用该类芯片的设计漏洞和厂商的测试接口，并通过修改熔丝保护位等侵入型攻击或非侵入型攻击手段来读取单片机的内部程序变得比较容易。2.3 mcs-51系列单片机的结构及工作原理2.3.1 mcs-51单片机的硬件结构mcs-51是英特尔公司生产的8位高档单片机系列，具有体积小、功能全、面向控制、开发应用方便等特点是测控领域当中较理想的八位微型计算机。mcs-51系列单片机芯片有许多种，但是它们的基本组成和基本性能是相同的。图2-1所示是按功能划分的mcs-51系列单片机内部结构框图。图2-1 mcs-51单片机内部结构框图该图中可以看

21、出其各个功能部件是由内部总线紧密联系在一起的。其基本机构如下所示:（1）1个8位中央处理器 单片机cpu的内部结构主要有算术逻辑运算单元alu、累加器acc、程序状态寄存器psw、堆栈指针sp、寄存器b、程序计数器（指令指针）pc、数据指针dptr、指令寄存器ir、暂存器（tmp）等部件构成。单片机cpu运算器内部包含一个专门进行位数据操作的布尔处理机，增加了面向控制的处理能力，可以进行位寻址等功能。（2）4k字节rom，128字节ram 片内4k字节rom存储器为片内程序存储器，用于存储程序和表格。片内128字节ram为数据存储器，可实现快速的数据存储，用于存储单片机运行期间的工作变量、运算

22、的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。（3）21个特殊功能寄存器 特殊功能寄存器反映了单片机的工作状态，它和单片机cpu芯片的引脚和内部功能的控制有关，实际上是状态字和控制字寄存器，是一个具有特殊功能的片内ran区。用于cpu对片内各功能部件进行管理、控制和监视等。（4）4个8位并行输入输出接口i/o口 4个8位并行输入输出接口p0口、p1口、p2口和p3口（共32根线），用于并行输入和输出数据。（5）1个全双工串行i/o接口 全双工串行口具有4种工作方式，用于单片机和其他微机之间的串行通信，可构成对及系统。（6）两个16位的定时器/计数器 片内两个16位定时器/计数器t0和t1，有4种工作方

23、式，用于精确定时（或延时）控制及其对外部事件进行计数。（7）中断系统 有5个中断系统，2个可编程优先级的中断系统，用于外部中断申请，串行口中断申请和定时器/计数器中断申请。（8）片外可寻址64k程序存储器和数据存储器空间 片外最多可扩展64k程序存储器和数据存储器空间。（9）单一的+5v电源 片内振荡器和定时电路，最高主时钟频率为12mhz。由以上可以看出，单片机的硬件结构具有功能部件种类齐全的特点，其基本组成和一般微型计算机是相同的，它只不过是把计算机的基本功能部件集成到了一块芯片上，具有完成特定功能的微型计算机。2.3.2 mcs-51单片机的工作方式mcs-51系列单片机的工作方式有：复

24、位方式，程序执行方式，节电工作方式，低功耗方式以及eprom编程和校验方式。单片机不同的工作方式，代表单片机处于不同的状态。单片机工作方式的多少是衡量单片机性能的一项重要标准。（1）复位方式：复位是单片机进入状态的初始化操作，是使cpu和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。另外，当程序运行错误或由于错误操作而使单片机进入死锁状态时，可以通过复位进行重新启动。复位后，单片机内部寄存器的值被初始化。mcs-51系列单片机的rst引脚是复位信号的引入端，复位信号高电平有效，单片机在时钟电路工作以后，只是在rst端持续给出两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平就可以完成复

25、位操作。mcs-51系列单片机的复位是由外部的复位电路来实现的，复位方式有：上电自动复位和按键手动复位。上电自动复位是通过电容充电来实现的，通过选择适当的电容和电阻，就能够使rst引脚上的高电平保持两个振荡周期以上，以实现上电的同时完成单片机的复位；按键手动复位分为按键电平复位和按键脉冲复位两种方式。（2）程序执行方式：程序执行方式是单片机的基本工作方式，也就是执行用户编好放在程序存储器中的程序。程序执行方式有两种：连续执行和单步执行。连续执行方式是所有单片机都需要的一种基本工作方式，用户编写好的被执行程序放在片内或片外rom中；单步运行方式是用户调试程序的一种工作方式，在单片机的开发系统上有

26、一个专用的单步执行按键，每按下一次，单片机就顺序执行一条指令（仅仅执行一条），单片机的单步运行方式通常只在用户调试程序时使用，用于观察每条指令的执行情况。（3）节电工作方式：mcs-51系列单片机中有hmos（高密度沟道金属氧化物半导体）和chmos（互补高密度沟道金属氧化物半导体）两种工艺芯片。hmos单片机的节电工作方式只有掉电工作方式；chmos单片机的节电工作方式有掉电工作方式和空闲工作方式两种。单片机的节电工作方式是由其内部的电源控制寄存器pcon中的相关位来实现控制的，该特殊功能寄存器的地址为87h，mcs-51系列单片机的节电工作方式有空闲工作方式和掉电工作方式两种情况，其中在掉

27、电工作方式中，单片机的内部振荡器停止工作，pcon的各位定义如表2-1所示。表2-1 pcon寄存器的位定义位序d7d6d5d4d3d2d1d0位符号smodgf1gf0idlsmod：串行口波特率倍率控制位，用于串行口通信；gf1、gf0：通用标志位；pd：掉电方式控制位，pd=1进入掉电工作方式；idl：空闲方式控制位，idl=1进入空闲工作方式。其中退出空闲方式的方法有两种，一种是中断推出，另一种是按键复位退出；退出掉电方式的唯一方法是由硬件复位，复位时将所有的特殊功能寄存器的内容初始化，但不改变内部pam区的数据。（4）eprom编程和校验方式：编程是指利用特殊手段对单片机内部的epr

28、om进行写入的过程，校验则是对刚刚写入的程序代码读出校验的过程。内部eprom编程：编程的主要操作是将原始程序、数据写入到内部eprom中，为了对片内eprom编程，mcs-51系列单片机的时钟频率应在46mhz的范围内，要用专门的单片机开发系统，编程时各引脚的用法如下所示：p1口和p2口的p2.3p2.0为eprom的4k地址输入，p1口为低8位地址；p0口为编程数据输入；p2.6p2.4以及应为低电平，p2.7和rst为高电平；以上除rst的逻辑电平为2.5v外，其余均为ttl电平。应当注意的是ea/上编程电压不能大于21.5v，因此要求该电压非常稳定。eprom校验程序：校验的主要操作是

29、在向片内程序存储器eprom写入信息时或写入信息后，可将片内eprom的内容读出校验，以保证写入信息的正确性。第三章 直流电机3.1直流电机的介绍定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。直流电机是电机的主要类型之一。直流电动机以其良好的启动性和调速性能著称，直流发电机供电质量较好，常常作为励磁电源。与交流电机相比直流电机的结构较复杂，成本较高，可靠性较差，使它的应用受到限制。近年来，与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，使直流电机有被取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理论意义和实用价值。直流电机的结构由定子和转子两大部分组

30、成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。3.2直流电机的数学模型 直流电动机的等效电路如下图所示。图3-1直流电动机等效图电路的电压平衡方程和力矩平衡方程为: (公式3-1) (公式3-2)式中 ua 电源电压;ia-电枢电流 ;ra-电枢电阻(包括电刷、换向器以及两者之间的电阻);la-电枢电感;ea-电枢反电动势;j-转动惯量;-转动的角速度;te-电

31、磁转距;tl-负载转距;kd-转动部分的阻尼系数.永磁直流电动机的电枢反电动势可表示为:ea=ke* (公式3-3)式中ke-反电动势常数.电磁转矩为:te=kt *ia (公式3-4)式中kt-磁转矩常数。动态工作特性是指实际的动作与相应的动作命令之间的响应关系。将式 (3-1)、式(3-2)、式(3-3)和式(3-4)作拉氏变换，得到如下函数:ua(s )=raia(s)+ lasia(s)+ ea(s) (公式3-5) js(s)=te(s)一tl(s)一kds(s) (公式3-6)ea(s)= ke(s) (公式3-7)te(s)=ktia(s) (公式3-8)上面的式子可以用下面的方

32、框图表示。图3-2直流电动机数学模型第四章 仿真软件4.1 proteus简介 proteus 软件是由英国 lab center electronics 公司开发的 eda 工具软件。proteus软件已有近 20 年的历史，在全球已得到广泛使用。proteus 软件集成了高级原理布图、混合模式spice 电路仿真、pcb 设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。如图 4-1 所示，proteus 是一个完整的嵌入式系统软、硬件平台：isis 为功能强大的原理布线工具；ares pcb 设计为一个完整的 pcb 设计系统。高级图形分析 proteus处理器仿真模块动态器件库混合模型反震

33、原理图编辑isis布线系统ares图4-1 proteus分解图4.2 keil简介keil c51是美国keil software公司出品的51系列兼容单片机c语言软件开发系统，与汇编相比，c语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。keil提供了包括c编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uvision）将这些部分组合在一起。运行keil软件需要win98、nt、win2000、winxp、win7等操作系统。keil c51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全windows界面。另外重

34、要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到keil 的优势。c51工具包的整体结构，uvision与ishell分别是c51 for windows和for dos的集成开发环境(ide），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用ide本身或其它编辑器编辑c或汇编源文件。然后分别由c51及c51编译器编译生成目标文件（.obj）。目标文件可由lib51创建生成库文件，也可以与库文件一起经l51连接定位生成绝对目标文件(.abs）。abs文件由oh51转换成标准的hex文件，以供调试器dscope51或tscope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对

35、目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如eprom中。4.3 proteus系统特性 proteus 软件支持许多通用的微控制器，如 pci、avr、hc11 以及 8051；包含强大的调试工具，具有对寄存器和存储器，断点和单步模式 iar c-spy、keil、malab等开发工具的源程序进行调试的功能；能够观察代码在仿真硬件上的实时运行效果、对显示、按钮、键盘等外设的交互可视化进行仿真；具有 6000 多种模拟和数字器件的模型库；具有单步断点设置等调试功能；能够与常用的汇编器、编译器如 iar、keil、proton 等协同调试；有直流电流表/电压表、交流电压表/电流表、示波器逻辑分析仪

36、、计数/按时/频率计虚拟终端、spi 调试器等虚拟仪器，以仿真中的测量记录提供了方便；支持图形化的分析功能，具有频率特性、傅立叶、失真、噪声分析等多种绘图方式、可将仿真曲线精美地绘制出来。 采用proteus 仿真软件进行虚拟实验，具有许多优势，如实验资源丰富、实验周期短、硬件投入少、实验损耗小、与实际设计接近程度大等。(1) 实验资源丰富 proteus 软件所提供了30多个元件库，数千种元件。元件涉及到数字和模拟、交流和直流等，如电阻、电容、二极管、三极管、mos管，变压器、继电器、各种放大器、各种激励源、各种微控制器、各种门电路、各种终端。 对于一个仿真软件或实验室，测试的仪器仪表的数量

37、、类型和质量，是衡量实验室是否合格的一个关键因素。在proteus软件包中，不存在同类仪表使用数量的问题，其提供的仪表有：交直流电压表、交直流电流表、逻辑分析仪、计数计时器、信号发生器等，而且proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似但功能更多。proteus提供了丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号等。(2) 实验周期短在proteus 软件中设计电路可以很方便的判断是硬件错误，还是软件错误，方法如下：运行proteus的isis程序后，进入该仿真软件的主界面。通过工具栏中的p命令(从库中选择元件

38、命令)，在pick devices窗口中选择电路所需的元件，将其放置在合适的位置，然后设置元件参数，当整体硬件电路连接完毕后，点击电路原理图的左下角执行建，如果有错误提示，则说明硬件电路连接有问题，需要对硬件电路进行更改，如果没有错误，则电路可以运行，并且可以在各器件的输入和输出端显示电路运行时，这些端点所处的高低电平状态；然后开始编写程序，在source菜单的define codegeneration tools菜单命令下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目；在source菜单的add/remove source files命令下，添加源文件，在源文件中进行所需程序的编写，通过编译器编译

39、无错误后，生成.hex文件，将其加入单片机硬件电路的对应程序；通过debug菜单的相应命令观察程序和电路的运行情况。(3)硬件投入少由于proteus 软件实验资源库非常丰富，对于从模拟电路、数字电路、模数混合电路到单片机系统等领域都可以进行电路的设计，而且其虚拟元器件的参数都是由实际元器件厂家提供，然后生成spice(simulation program with integrated circuitemphasis)模型，这样就可以用proteus软件中的虚拟元器件代替实际元器件进行设计电路，而无需去购买实际的元器件。这样就可以节省大量的实验经费，减轻了学生们的负担。(4)实验过程中损耗小

40、 用proteus仿真软件进行的实验教学，其在实验的过程中，学生们可以将自己的构思付诸于设计，不用因为元器件和仪器仪表的损耗问题而畏首畏尾。(5)与实际设计接近程度大由于proteus 软件中的虚拟元器件参数都是由半导体元器件厂家提供，当学生们在proteus 软件中进行软硬件仿真调试成功后，可以直接进行实际电路的搭建，只要在电路板制作没有问题的前提下，基本上都能成功。这样可以让学生了解将仿真软件和具体的工程实践如何结合起来，利于学生对工程实践过程的了解和学习。4.4 proteus与keil的联调 proteus 软件包括汇编语言编译系统，可以在软件平台上对单片机进行可视化调试。但是，现在的

41、大部分的单片机研发人员都用 c 语言对单片机进行编程控制。应用 tcp/ip 协议，proteus 与 keil 的联调很好地解决了 proteus 自带的编译系统无法对c 语言进行编译的问题。其中，keil 是目前世界上最好的 51 单片机的 c 语言的开发工具。以下是如何将 c 语言的开发环境移植到 proteus 的设计中的方法：首先，下载安装这两个软件。第二步，安装完毕，把 proteus 6 professionalmodels目录下的 vdm51.dll 文件复制到 keilc51bin 文件夹下。第三步，用文本编译器打开 keil 根目录下的 tools.ini 文件，在c51

42、栏目下加入 tdrv3=binvdm51.dll ("proteus vsm monitor-51 driver" ) ，其中“tdrv3” 中的 “3”要根据实际情况写，不要和原来的重复。第四步，kei 的设置。在 kei 中打开一个项目，在"option for target"中的 debug标签中选中 " proteus vsm monitor-51 driver" 。再点击"setting"设置通信接口，在host 后面添上"127.0.0.1"，如果你是用的不是同一台电脑，在这里添上另

43、一台电脑的ip 地址(另一台电脑已安装 proteus)， 在 port 后面添上"8000"，点击"ok"按钮即可。等待编译工程。第五步，proteus 的设置。运行 proteus 的 isis，鼠标左键点击菜单"debug"，选中"use remote debug monitor"。按 ctrl+f5 进入调试界面或者点击工具栏的调试按钮。连接成功以后，在 keil 调试程序，单步、全速调试，设置断点，观察变量的值等，而 proteus 界面中电路开始运行，各种仿真元件的电器性质发生变化；当 proteus做

44、硬件方面的模拟，如按按键、改变可调电阻的阻值等时，keil 中的调试窗口中监控的寄存器也会有相应的变化。如果程序错误，设计人员很容易发现出错的代码段；并且，也可以很清晰地观察到每句程序对单片机电路的控制。第五章 设计实现 5.1系统总体框架单片机（速度的测量计算、输入设定及系统控制）单片机（pid运算控制器、pwm模拟发生器）电机速度采集电路电机驱动电路键 盘显示器图5-1系统总流程图本设计是以51单片机为控制中心，通过采集电机的当前速度，与设定的速度之间的差值进行pid运算，然后输出相应的模拟pwm波，使得差值越来越小直到电机速度在允许的误差范围内。5.2 硬件电路5.2.1复位电路的作用在

45、上电或复位过程中，控制cpu的复位状态：这段时间内让cpu保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止cpu发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。 无论用户使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计。而单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。at89c51的上电复位电路如图5-1所示，只要在rst复位输入引脚上接一电容至vcc端，下接一个电阻到地即可。对于cmos型单片机，由于在rst端内部有一个下拉电阻，故可

46、将外部电阻去掉，图5-1 复位电路而将外接电容减至1µf。上电复位的工作过程是在加电时，电容加给rst端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即rst端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位，rst端的高电平信号必须维持足够长的时间。上电时，vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10mhz，起振时间为1ms；晶振频率为1mhz，起振时间则为10ms。在图2的复位电路中，当vcc掉电时，必然会使rst端电压迅速下降到0v以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另

47、外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器pc将得不到一个合适的初值，因此，cpu可能会从一个未被定义的位置开始执行程序，所以需上电复位电路。5.2.2 键盘输入模块的设计 5.2.2.1 独立式键盘的接线原理独立式键盘是由若干个机械触点开关构成的，把它与单片机的i/o口县连接起来，通过读i/o口的电平状态，即可识别出相应的按键是否被按下。如果按键不被按下，其端口就为高电平，如果相应的按键被按下，则端口变为低电平。在这种键盘的连接方法中，我们通常采用上拉电阻接法，即各按键开关一端接低电平，另一端接单片机i/o口线并通过

48、上拉电阻与vcc相连，这是为了保证在按键断开时，各i/o口线有确定的高电平，如果端口内部已经有上拉电阻，则外电路的上拉电阻就可以省去。图5-2 键盘抖动5.2.2.2键盘消抖通常我们用来做键盘的 有触点式和非触点式两种，单片机中应用的一般是由机械触点构成的触点式微动开关，这种开关具有结构简单，使用可靠的优点，但当我们按下按键或释放按键的时候它有一个特点，就是会产生抖动，看上图的按键脉冲波形，这种抖动对于人来说是感觉不到的，但对单片机来说，则是完全可以感应到的，因为计算机处理的速度是在微秒级的，而机械抖动的时间至少是毫秒级，对计算机而言，这已是一个很“漫长”的过程了，如图5-2。按键区抖动原则和

49、方法常用的有两种：硬件方法和软件方法。硬件去抖动方法很多，这不在我们的讨论范围。单片机中常用软件去抖动方法，软件法其实很简单，就是在单片机获得端口低电平信息后，不是立即认定按键已被按下，而是在延时10ms或更长时间后再次检查该端口，如果仍为低，说明此键确实被按下了，这实际上是避开了按键按下时的抖动时间；而在检测到按键释放后（端口电平为高电平时）再延时5-10ms，消除后沿的抖动，然后再对按键进行处理，不过一般情况下，我们通常不对按键释放后沿进行处理，实践证明，也能满足通常的要求。5.2.2.3 矩阵式键盘的连接方法和工作原理图5-3 4*4键盘什么是矩阵式键盘？当键盘中按键数量较多时，为了减少

50、i/o口线的占用，通常将按键排列成矩阵式，在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接，如图5-3。这样做有什么好处呢？一个并行口可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍多，而且线数越多，区别就越明显。比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一个键（9键）。由此可见，在需要的按键数量比较多的时候，采用矩阵法莱连接键盘是非常合理的，所以本设计采用矩阵式键盘。是否是返回等待按键释放该列有键输入？读入行信号返回开始4列扫描完？初始化地址参数按照行列计算键值查表得键码否输出列扫描信号列扫描信号移位图5-4 键盘扫描流程图矩

51、阵式结构的键盘显然比独立式键盘复杂些，识别也要复杂一些，在上图中，列线通过单片机的输出而呈现高电平，并将行线通过单片机的输出而呈现低电平，这样，当按键没有被按下时，列线都是高电平，代表无按键按下，行线输出是低电平；一旦有键按下，输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可以得知是否有键按下了，具体的识别及编程方法如图5-4。5.2.3输出显示模块 图5-5显示电路 读得的字模数据，接着对第2片、第3片直到这一排的最后一片都写完字模数据后，单片机再对这一排的行驱动锁存器写行扫描信号，于是第1排第1行与字模数据相关的发光二极管点亮。接着第2排第1行、第3排第1行直到最后一排第1行的点亮。各排第

52、1行都点亮后，延时一段时间，然后黑屏，这样就算完成了单片机对led显示屏的一行扫描控制。单片机对led显示屏第2行的扫描控制、第3行的扫描控制直到第8行的扫描控制，其过程与第1行的扫描控制过程相同。对全部8行的控制过程都完成后，led显示屏也就完成了1帧图像的完整显示。虽然按这种工作方式，led显示屏是一行一行点亮的，每次都只有一行亮，但只要保证每行每秒钟能点亮50次以上，即刷新频率高于50hz，那么由于人的视觉惰性，所看到的led显示屏显示的图像还是全屏稳定的图像。 本设计使用的驱动器件是74hc240，如图5-6所示。74hc240是一款高速cmos器件，74hc240引脚兼容低功耗肖特基

53、ttl（lsttl）系列。74hc240是双线八路反相缓冲器/线路驱动器，具有三态输出。该三态输出由输出使能端1oe和2oe控制。任意noe上的高电平将使输出端呈现高阻态。 图5-6 74hc240真值表5.2.4电机驱动模块l298是双电源大电流功率集成电路, 直接采用ttl逻辑电平控制,可用来驱动继电器、线圈、直流电动机、步进电动机等电感性负载。其驱动电压可达46v,直流电流总和可达4a。其内部具有2个完全相同的pwm功率放大回路,其内部结构如图5-7所示。l298是一种常用的电机驱动芯片, 一片l298即可驱动两个直流电机或一个步进电机。内部部结构如图5-8所示。图5-7 l298真值表

54、 图5-8 l298内部结构5.2.5测速模块我们只有知道当前电机的速度，才能够控制输出达到调速的目的。proteus软件中的电机模块提供了一个输出脉冲，每当电机转一圈时就会输出一个脉冲，这也就注定了仿真出来的速度只能是按秒计数，亦决定了仿真的精度不会很高。电机输出的脉冲是理想化的没有毛刺，没有畸变，所以可以直接输入到单片机的中断引脚，当有一个脉冲时，单片机就会产生一个中断，就会在相应的存储单元加1，当计数器到达时间时就会把该存储单元输出到显示模块，然后清零，接着下一个周期计数，就达到了测速的目的。 5.2.6模拟pwm发生器众所周知，直流电动机转速n的表达式为 (r/min) （公式5-1）

55、式中 电枢端电压（v）电枢电流（a）电枢电路总电阻（）；每级磁通量（wb）；与电机结构有关的常数。由式（2-1）可知，直流电动机转速n的可知方法可分为两类，即励磁可知法与电枢电压可知法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制；而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用控制方法是改变电枢电压调速的电枢电压控制法。设直流电源电压为ud,将电枢串联一个电阻r，接到电源ud，则 （公式5-2）显然，调节电阻r即可改变电压，达到调速的目的。但这种传统的调压调速方法，其效率甚低。因此，随着电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制

56、方法。如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；使用硅整流器将交流电整流成直流电或由蓄电池等直流电源供电，再由pwm斩波器进行斩波调压等。晶闸管的相控调压或pwm斩波器调压比串电阻调压损耗小，效率高。而斩波调压比相控调压又有许多优点，如果需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波装置；电动机的损耗和发热较小；动态响应快等。图5-9为pwm斩波器的原理图及输出电压波形。在图5-9a 中，假定晶体管v1先导通t1秒（忽略v1的管压降，这期间电源电压ud全部加到电枢上），图5-9 pwm斩波器原理图电路及输出电压波形a：原理图 b：输出电压波然后关断t2秒（这期间电枢端电压为零）。如此反复，则电枢端电压波