單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-用DAC0808設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器-單片機(jī)89C51-Keil-Proteus

..1引言隨著微電子技術(shù)的不斷開展與進(jìn)步，微處理器芯片的集成程度越來越高，單片機(jī)已可以在一塊芯片上同時(shí)集成CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器／計(jì)數(shù)電路，這就很容易將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合，組成智能化測量控制系統(tǒng)。在現(xiàn)代工業(yè)中，直流電動(dòng)機(jī)作為電能轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、化工、國防等工業(yè)部門中。直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)。因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動(dòng)中得到廣泛應(yīng)用。隨著對(duì)生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長，越來越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。直流調(diào)速系統(tǒng)的開展得力于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新開展成就。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生翻天覆地的變化。其中電機(jī)的控制局部已經(jīng)由模擬控制逐漸讓位于以單片機(jī)為主的微處理器控制，形成數(shù)字與模擬的混合控制系統(tǒng)和純數(shù)字控制系統(tǒng)，并向全數(shù)字控制方向快速開展。本文設(shè)計(jì)了用DAC0808設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器的根本方案，闡述了該調(diào)速器系統(tǒng)的根本構(gòu)造、工作原理、運(yùn)行特性及其設(shè)計(jì)方法。本系統(tǒng)用電壓表測量直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，用MCS-51單片機(jī)輸出數(shù)字信號(hào)通過DAC0808芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，從而輸出模擬電壓來控制調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)主要研究利用單片機(jī)及DAC0808實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換調(diào)速，直流電機(jī)的控制和測量方法，從而對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速控制精度、響應(yīng)速度以及節(jié)約能源等都具有重要意義。2設(shè)計(jì)總體方案2.1設(shè)計(jì)要求根本要求：使用AT89C51單片機(jī)為核心，使用數(shù)模轉(zhuǎn)換元件DAC0808對(duì)單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)展轉(zhuǎn)換，輸出模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)。具體要求：在設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)8個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)直流電動(dòng)機(jī)的8擋不同轉(zhuǎn)速，按下不同按鍵時(shí)，電動(dòng)機(jī)將以不同速度轉(zhuǎn)動(dòng)，在8個(gè)按鍵中取一個(gè)按鍵為直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)停頓按鍵。8擋不同轉(zhuǎn)速的設(shè)定由學(xué)生自己決定。仿真：控制程序在Keil軟件中編寫，編譯，整個(gè)控制電路在Proteus仿真軟件中連接調(diào)示。2.2設(shè)計(jì)思路〔1〕根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇AT89C51單片機(jī)為核心控制器件，并編寫相應(yīng)控制程序?！?〕D/A轉(zhuǎn)換采用DAC0808實(shí)現(xiàn)，與單片機(jī)的接口為P0口，采用運(yùn)放電路輸出電壓模擬量對(duì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。〔3〕直流電動(dòng)機(jī)有8擋轉(zhuǎn)速，分別由8個(gè)按鍵通過連接單片機(jī)的P1口控制，8個(gè)按鍵H-A，轉(zhuǎn)速依次升高，A按鍵轉(zhuǎn)速最大，其中H按鍵為直流電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)鍵?！?〕直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由與其并聯(lián)的電壓表顯示，電壓越大，轉(zhuǎn)速越快。2.3設(shè)計(jì)方案直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件以MCS-51單片機(jī)為控制核心，包括電源電路、按鍵控制電路、單片機(jī)控制、數(shù)模轉(zhuǎn)換、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)速顯示等局部。硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖3硬件電路設(shè)計(jì)3.1DAC0808的簡介DAC0808的管腳圖及各引腳功能：圖2DAC0808引腳圖DAC0808是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個(gè)DA芯片以其價(jià)格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC存放器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。DAC0808構(gòu)造：D0～D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時(shí)間應(yīng)大于90ns(否那么鎖存器的數(shù)據(jù)會(huì)出錯(cuò))；ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效；000000CS：片選信號(hào)輸入線〔選通數(shù)據(jù)鎖存器〕，低電平有效；WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖〔脈寬應(yīng)大于500ns〕有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當(dāng)LE1為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負(fù)跳變時(shí)將輸入數(shù)據(jù)鎖存；XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號(hào)輸入線，低電平有效，負(fù)脈沖〔脈寬應(yīng)大于500ns〕有效；WR2：DAC存放器選通輸入線，負(fù)脈沖〔脈寬應(yīng)大于500ns〕有效。由WR1、XFER的邏輯組合產(chǎn)生LE2，當(dāng)LE2為高電平時(shí)，DAC存放器的輸出隨存放器的輸入而變化，LE2的負(fù)跳變時(shí)將數(shù)據(jù)鎖存器的容打入DAC存放器并開場D/A轉(zhuǎn)換。IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC存放器的容線性變化；IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)；Rfb：反應(yīng)信號(hào)輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度；Vcc：電源輸入端，Vcc的圍為+5V～+15V；VREF：基準(zhǔn)電壓輸入線，VREF的圍為-10V～+10V；AGND：模擬信號(hào)地DGND：數(shù)字信號(hào)地3.2單片機(jī)系統(tǒng)AT89C51性能AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片含有4KB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器和128字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，它為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。AT89C51功能性能:與MCS-51成品指令系統(tǒng)完全兼容；4KB可編程閃速存儲(chǔ)器；壽命：1000次寫/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保存時(shí)間：10年；全靜態(tài)工作：0-24MHz；三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定；128*8B部RAM；32個(gè)可編程I/O口線；2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；5個(gè)中斷源；可編程串行UART通道；片震蕩器和掉電模式。3.2.2AT89CT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4KB的Flash閃速存儲(chǔ)器，128B部RAM，32個(gè)I/O口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級(jí)中斷構(gòu)造，一個(gè)全雙工串行通信口，片震蕩器及時(shí)鐘電路，同時(shí)，AT89C51可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停頓CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，掉電方式保存RAM中的容，但震蕩器停頓工作并制止其他所有工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。AT89C51采用PDIP封裝形式，引腳配置如圖3所示。圖3AT89C51的引腳圖AT89C51芯片的各引腳功能為：P0口：這組引腳共有8條，P0.0為最低位。這8個(gè)引腳有兩種不同的功能，分別適用于不同的情況，第一種情況是89C51不帶外存儲(chǔ)器，P0口可以為通用I/O口使用，P0.0-P0.7用于傳送CPU的輸入/輸出數(shù)據(jù)，這時(shí)輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需要外接專用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性；第二種情況是89C51帶片外存儲(chǔ)器，P0.0-P0.7在CPU訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)先傳送片外存儲(chǔ)器的低8位地址，然后傳送CPU對(duì)片外存儲(chǔ)器的讀/寫數(shù)據(jù)。P0口為開漏輸出，在作為通用I/O使用時(shí)，需要在外部用電阻上拉。P1口：這8個(gè)引腳和P0口的8個(gè)引腳類似，P1.7為最高位，P1.0為最低位，當(dāng)P1口作為通用I/O口使用時(shí)，P1.0-P1.7的功能和P0口的第一功能一樣，也用于傳送用戶的輸入和輸出數(shù)據(jù)。P2口：這組引腳的第一功能與上述兩組引腳的第一功能一樣即它可以作為通用I/O口使用，它的第一功能和P0口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲(chǔ)器的高8位地址，共同選中片外存儲(chǔ)器單元，但并不是像P0口那樣傳送存儲(chǔ)器的讀/寫數(shù)據(jù)。P3口：這組引腳的第一功能和其余三個(gè)端口的第一功能一樣，第二功能為控制功能，每個(gè)引腳并不完全一樣，如下表1所示：表1P3口各位的第二功能P3口各位第二功能P3.0RXT〔串行口輸入〕P3.1TXD〔串行口輸出〕P3.2/INT0〔外部中斷0輸入〕P3.3/INT1(外部中斷1輸入)P3.4T0〔定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的外部輸入〕P3.5T1〔定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的外部輸入〕P3.6/WR〔片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫允許〕P3.7/RD〔片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀允許〕Vcc為+5V電源線，Vss接地。ALE：地址鎖存允許線，配合P0口的第二功能使用，在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，89C51的CPU在P0.0-P0.7引腳線去傳送隨后而來的片外存儲(chǔ)器讀/寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，89C51自動(dòng)在ALE線上輸出頻率為1/6震蕩器頻率的脈沖序列。該脈沖序列可以作為外部時(shí)鐘源或定時(shí)脈沖使用。:片外存儲(chǔ)器訪問選擇線，可以控制89C51使用片ROM或使用片外ROM,假設(shè)=1，那么允許使用片ROM,假設(shè)=0，那么只使用片外ROM。：片外ROM的選通線，在訪問片外ROM時(shí)，89C51自動(dòng)在線上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，作為片外ROM芯片的讀選通信號(hào)。RST：復(fù)位線，可以使89C51處于復(fù)位(即初始化)工作狀態(tài)。通常89C51復(fù)位有自動(dòng)上電復(fù)位和人工按鍵復(fù)位兩種。XTAL1和XTAL2：片震蕩電路輸入線，這兩個(gè)端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接89C51片OSC(震蕩器)的定時(shí)反應(yīng)回路。3.3復(fù)位電路和時(shí)鐘電路復(fù)位電路設(shè)計(jì)單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開場工作。MCS-51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST,采用施密特觸發(fā)輸入。當(dāng)震蕩器起振后，只要該引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平即可確保時(shí)器件復(fù)位。復(fù)位完成后，如果RST端繼續(xù)保持高電平，MCS-51就一直處于復(fù)位狀態(tài)，只要RST恢復(fù)低電平后，單片機(jī)才能進(jìn)入其他工作狀態(tài)。單片機(jī)的復(fù)位方式有上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種，本系統(tǒng)采用的是51系列單片機(jī)常用的上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位組合電路，只要Vcc上升時(shí)間不超過1ms，它們都能很好的工作。時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)單片機(jī)中CPU每執(zhí)行一條指令，都必須在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖的控制下嚴(yán)格按時(shí)間節(jié)拍進(jìn)展，而這個(gè)時(shí)鐘脈沖是單片機(jī)控制中的時(shí)序電路發(fā)出的。CPU執(zhí)行一條指令的各個(gè)微操作所對(duì)應(yīng)時(shí)間順序稱為單片機(jī)的時(shí)序。MCS-51單片機(jī)芯片部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成震蕩器，XTAL1為該放大器的輸入端，XTAL2為該放大器輸出端，但形成時(shí)鐘電路還需附加其他電路。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用部時(shí)鐘方式，利用單片機(jī)部的高增益反相放大器，外部電路只需要一個(gè)晶振和2個(gè)電容即可。電路中的器件選擇可以通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)確定，也可以參考一些典型電路的參數(shù)，電路中，電容器C1和C2對(duì)震蕩頻率有微調(diào)作用，通常的取值圍是30±10pF，在這個(gè)系統(tǒng)中選擇了30pF；石英晶振選擇圍最高可選24MHz，它決定了單片機(jī)電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)震蕩頻率，在本系統(tǒng)中選擇的是12MHz，因而時(shí)鐘信號(hào)的震蕩頻率為12MHz。圖4復(fù)位時(shí)鐘電路圖3.4按鍵電路及直流電機(jī)控制8個(gè)按鍵A-H控制直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，A、B、C、D、E、F、G各轉(zhuǎn)速按鍵控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度依次降低，H為直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)停頓按鍵。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過并聯(lián)在其兩端的電壓表顯示其兩端電壓，電壓值越大，轉(zhuǎn)速越高?！部蛇x用顯示轉(zhuǎn)速的直流電動(dòng)機(jī)，但由于轉(zhuǎn)速顯示短時(shí)間無法穩(wěn)定，由直流電動(dòng)機(jī)工作原理轉(zhuǎn)速與其電壓成正比，可用電壓表顯示其轉(zhuǎn)速。〕圖5按鍵電機(jī)電路圖仿真用DAC0808設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器已經(jīng)完成，就可以選取相應(yīng)的芯片和元器件，利用Proteus軟件繪制出硬件的原理，并仔細(xì)地檢查修改，直至形成完善的硬件原理圖。但要真正實(shí)現(xiàn)電路對(duì)電壓的測量和顯示的功能，還需要有相應(yīng)的軟件配合，才能到達(dá)設(shè)計(jì)要求。軟件調(diào)試的主要任務(wù)是排查錯(cuò)誤，錯(cuò)誤主要包括邏輯和功能錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤有些是顯性的，而有些是隱形的，可以通過仿真開發(fā)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)逐步改正。Proteus軟件可以對(duì)基于微控制器的設(shè)計(jì)連同所有的周圍電子器件一起仿真，用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如LED/LCD、鍵盤、RS232終端等動(dòng)態(tài)外設(shè)模型來對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)展交互仿真。Proteus支持的微處理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列及Z80等等。Proteus可以完成單片機(jī)系統(tǒng)原理圖電路繪制、PCB設(shè)計(jì)，更為顯著點(diǎn)的特點(diǎn)是可以與uVisions3IDE工具軟件結(jié)合進(jìn)展編程仿真調(diào)試。本系統(tǒng)的調(diào)試主要以軟件為主，其中，系統(tǒng)電路圖的繪制和仿真我采用的是Proteus軟件，而程序方面，采用的是匯編語言，用Keil軟件將程序〔見附錄〕寫入單片機(jī)。組圖6操作截圖5結(jié)論由上所述，用DAC0808設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器根本完成。但設(shè)計(jì)中的缺乏之處仍然存在。這次設(shè)計(jì)是我第一次用Keil和Proteus實(shí)現(xiàn)了仿真。在這過程中，我對(duì)電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)的使用等都有了新的認(rèn)識(shí)。通過這次設(shè)計(jì)學(xué)會(huì)了Proteus和Keil軟件的使用方法，掌握了從系統(tǒng)的需要、方案的設(shè)計(jì)、功能模塊的劃分、原理圖的設(shè)計(jì)和電路圖的仿真的設(shè)計(jì)流程，積累了不少經(jīng)歷。本系統(tǒng)采用電壓表測量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，用MCS-51單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)展控制，用DAC0808芯片實(shí)現(xiàn)輸出模擬電壓值來控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)主要研究直流電機(jī)的控制和測量方法，從而對(duì)電機(jī)的控制精度、響應(yīng)速度以及節(jié)約能源等都具有重要意義。通過本次設(shè)計(jì)，我對(duì)單片機(jī)這門課有了進(jìn)一步的了解。無論是在硬件連接方面還是在軟件編程方面。本次設(shè)計(jì)采用了AT89C51單片機(jī)芯片，與以往的單片機(jī)相比增加了許多新的功能，使其功能更為完善，應(yīng)用領(lǐng)域也更為廣泛。設(shè)計(jì)中還用到了數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片DAC0808，以前在學(xué)單片機(jī)課程時(shí)只是對(duì)其理論知識(shí)有了初步的理解。通過這次設(shè)計(jì)，對(duì)它的工作原理有了更深的理解。在調(diào)試過程中遇到很多問題，硬件上的理論知識(shí)學(xué)得不夠扎實(shí)，對(duì)電路的仿真方面也不夠熟練?？傊@次電路的設(shè)計(jì)和仿真，根本上到達(dá)了設(shè)計(jì)的功能要求。在以后的實(shí)踐中，我將繼續(xù)努力學(xué)習(xí)電路設(shè)計(jì)方面的理論知識(shí)，并理論聯(lián)系實(shí)際，爭取在電路設(shè)計(jì)方面能有所提升。附錄：程序代碼..ORG0000HAJMPMAINORG0003HAJMPINSERORG0030HMAIN:SETBEX0 SETBIT0 SETBEA MOVP0,0 MOVP1,#0FFHHERE:SJMPHEREORG0200HINSER:JNBP1.0,L0J