【文章內(nèi)容簡介】 ............................................. 46 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 0 頁 第 1 章 緒 論 背景 單片機有非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。由于其體積小，價格低，具有邏輯判斷、定時計數(shù)、程序控制等多種功能，在各個領(lǐng)域、各個行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用，不僅有常用的 8 位機，而且 4 位單片機和 16 單片機也得到了普及，年銷售量逐年增加，至 1995 年世界范圍內(nèi)銷售量就達近億塊，掩膜產(chǎn)品就超過了 2022 萬塊。 (1) 機電一體化產(chǎn)品的 核心控制 機電一體化產(chǎn)品是機械設(shè)備發(fā)展的方向。用單片機代替常規(guī)的邏輯順序控制，差補控制，簡化了機械設(shè)計，提高了控制性能，當(dāng)前所生產(chǎn)的許多產(chǎn)品，如數(shù)控機床，鉆床，線切割機，甚至加工中心等機械設(shè)備，都是采用這樣一種方式?？删幊添樞蚩刂破饕彩且粋€典型的機械控制器，其核心往往就是有一個單片機構(gòu)成。最典型的機電產(chǎn)品機器人，每個關(guān)節(jié)或動作部位都是一個單片機控制系統(tǒng)。 (2) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)場采集單元 大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，要求數(shù)據(jù)采集的同步性和實時性要好，使用快速計算機順序采集，也存在不能快速采集，實時性不好的缺點，以致 會造成計算處理上的誤差以及分析系統(tǒng)中的困難。使用單片機作為系統(tǒng)的前端采集單元，由主控計算機同時發(fā)出采集命令，當(dāng)采集完后，將采集到的數(shù)據(jù)逐一送到主計算機進行處理，如有些氣象部門，油田采集部門以及電廠等均可采用這種系統(tǒng)。 (3) 分布控制系統(tǒng)的前端控制器 隨著單片機技術(shù)的飛速發(fā)展及其性能的不斷提高，其作為直接控制級在計算機分布控制中越來越發(fā)揮出重要作用，在過程控制中往往要控制一個生產(chǎn)過程。根據(jù)物料流程，有多個加工工序，每一個工序都要根據(jù)總的流程精加工或者操作，單片機就可作為這個分步操作或控制的控制器，進行數(shù)據(jù) 采集，反饋計算，數(shù)據(jù)輸出，并在上級計算機命令指揮下進行相應(yīng)協(xié)調(diào)工作。 (4) 智能化儀表的機芯 自動化儀表的智能化程度越來越高，單片機的應(yīng)用使這種功能如虎添翼，如自動計費電度表，燃氣表中已有這方面的應(yīng)用，許多工業(yè)儀表中的智能流量計，智能分析儀，成分 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 1 頁 分析儀等也采用了這項技術(shù)。 (5) 消費類電子產(chǎn)品控制 該應(yīng)用主要反映在家電領(lǐng)域，如洗衣機，空調(diào)器，汽車電子，保安系統(tǒng)，電視機，錄像機， VCD 視盤機，音響設(shè)備，電子稱， IC 卡，手機， BP 機等。在這些系統(tǒng)中使用了單片機機芯之后，使其控制功能和性能大大提高，并實現(xiàn)了智 能化，最優(yōu)化控制。 隨著家用電器產(chǎn)品變頻技術(shù)的發(fā)展，電機的變頻調(diào)速已經(jīng)成為一種可行性的方法，在這種調(diào)速系統(tǒng)中，脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù)仍然是提高調(diào)速性能的主要手段。雖然 PWM 技術(shù)的實現(xiàn)方法很多，然而，為了降低產(chǎn)品的制造成本，采用微機控制軟件實現(xiàn) PWM 控制具有成本低、調(diào)制方式靈活等特點，比較適合于家用電器產(chǎn)品的要求。本次設(shè)計將提出在51 系列單片機基礎(chǔ)上改進后的 80C52 采用 PWM 軟件控制的方法來實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)動控制。其 PWM 算法簡單，易于實現(xiàn)，是一種較為實用的方法。 80C52 與 80C51 相比還增加了一個定時 / 計 數(shù)器、中斷源從 5 個增加到 6 個，將程序存儲空間增加到 8KB，數(shù)據(jù)存儲器增加到 256 字節(jié)地址，更強大的地址空間，和更多的定時中斷資源為設(shè)計提供了很大的方便，也為提高系統(tǒng)的控制性能提供了基礎(chǔ) 目的和意義 隨著科技的高速發(fā)展，單片機技術(shù)也不斷發(fā)展，單片機能實現(xiàn)更加靈活的邏輯控制功能，具有很強的數(shù)據(jù)處理能力。通過本次設(shè)計讓我對許多知識有了更深的了解： （ 1） 80C51 為內(nèi)核的單片機系列目前在世界上生產(chǎn)量最大、派生產(chǎn)品最多，可以滿足大多數(shù)用戶的需要，并且有些 16 位機，如 80C251 和 80C51XA 等系列 也是以 80C51 向上兼容的。 80C52 是 INTEL 公司 MCS51 系列單片機中基本的產(chǎn)品，它采用 INTEL 公司可靠的 CHMOS 工藝技術(shù)制造的高性能 8 位單片機，屬于標準的 MCS51 的 HCMOS 產(chǎn)品。它結(jié)合了 HMOS 的高速和高密度技術(shù)及 CHMOS 的低功耗特征，它基于標準的 MCS51單片機體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，屬于 80C51 增強型單片機版本，集成了時鐘輸出和向上或向下計數(shù)器等更多的功能，適合于類似馬達控制等應(yīng)用場合。 （ 2）隨著硬件的發(fā)展， 80C51 軟件工具也取得很大的發(fā)展， 80C51 系列已形成從低到高的不同 檔次、價格合理的開發(fā)裝置。通過參閱資料不斷學(xué)習(xí)，加深了對 51 系列單片機的硬件結(jié)構(gòu)、工作原理、指令系統(tǒng)、 C 語言程序設(shè)計、接口技術(shù)等知識的了解。 （ 3）在編寫調(diào)試程序的過程中又對單片機基礎(chǔ)知識進行了一次系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，對 C 語言和匯編語言編程的優(yōu)缺點有了更進一步的了解，用 C 語言編程原來從不敢嘗試，通過 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 2 頁 這段時間的反復(fù)學(xué)習(xí)終于掌握了一定的編程方法和技巧，通過本次畢業(yè)設(shè)計，綜合運用所學(xué)專業(yè)知識分析、解決實際問題，掌握文獻檢索、資料查詢的基本方法以及獲取新知識的能力，書面和口頭表達的能力，以及團結(jié)協(xié)作的能力也得到了訓(xùn)練和提高 。 開發(fā)工具和語言 開發(fā)工具 本次設(shè)計的硬件部分電路是由我的搭檔完成的，軟件仿真是用單片機程序設(shè)計的專業(yè)仿真軟件 Proteus ，原因就是其功能強大，操作方便，人性化設(shè)計， (1) 全新的用戶界面： 鼠標移動到對象上方時，會有可視化提示。不同的鼠標指針類型顯示該對象將進行的不同操作 ， 高效率非模態(tài)選擇、布線。 便利的鼠標運用 —— 左鍵選取、放置，右鍵提示菜單。更加便捷的塊操作方式，可調(diào)整選取區(qū)域及可定義的拾取點。改進的鼠標滾輪的搖擺及縮放工具，使得設(shè)計導(dǎo)航操作更加便捷。 (2) 全新的設(shè)計瀏覽 器： 設(shè)計瀏覽器是 Proteus 特有的一種工具，它提供 Windows 風(fēng)格的用戶界面，用戶可以利用它就設(shè)計的不同層次進行導(dǎo)航和檢查。它不僅可以查詢一個原理圖現(xiàn)有狀態(tài)，以此來判斷元件連接、封裝的正誤。同樣可以導(dǎo)航原理圖及 PCB 間任何感興趣的條目（通過對 PCB 封裝的交叉探測或者一個封裝網(wǎng)絡(luò)信息進行）。 (3)全新的仿真顧問： 結(jié)構(gòu)化的仿真信息顯示 ,根據(jù)問題嚴重性的彩色信息提示 ,信息包含源信息 和 時間信息 ,用戶可根據(jù)需要采用交叉探測返回源器件或網(wǎng)絡(luò) ,帶文本幫助的錯誤信息有助于解決仿真故障。 (4)全新的仿真診斷系統(tǒng)： 提供對仿真運行跟蹤模式的完全控制 ,關(guān)于系統(tǒng)信息、 CPU及外設(shè)的詳盡診斷信息 , 可以在警告、每個分組的跟蹤或調(diào)試時使能診斷 ,強大的調(diào)試幫助包括仿真行為的完整文本報告。 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁 語言選擇 目前通用的編程語言一般有兩種：匯編語言和 C 語言 ： 匯編語言優(yōu)點： ；缺點：，不能通用，也不能在不同機型之間移植 ， 而且程序員要寫大量的代碼。 ，難 度 大 。 C 語言應(yīng)用和發(fā)展非常迅速，而且 有強大的生命力。 一種語言之所以能存在和發(fā)展，并具有生命力，總是有其不同于 (或優(yōu)于 )其他語言的特點。 C 語言的主要特點如下 : (1) 語言簡潔、緊湊，使用方便、靈活。 C 語言一共只有 32 個關(guān)鍵字， 9 種控制語句，程序書寫形式自由，主要用小寫字母表示，壓縮了一切不必要的成分。因此 C 程序比較簡練，源程序短，輸入程序時工作量少。 (2) 運算符豐富。 C 的運算符包含的范圍很廣泛，共有 34 種運算符 ， C 把括號、賦值、強制類型轉(zhuǎn)換等都作為運算符處理，從而使 c 的運算類型極其豐富，表達式類型多樣化。靈活使用各種運算符可以實現(xiàn)在 其他高級語言中難以實現(xiàn)的運算。 (3) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富，具有現(xiàn)代化語言的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 C 的數(shù)據(jù)類型有整型、實型、字符型、數(shù)組類型、指針類型、結(jié)構(gòu)體類型、共用體類型等。能用來實現(xiàn)各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) (如鏈表、樹、棧等 )的運算，尤其是指針類型數(shù)據(jù)，使用起來比 PASCAL 更為靈活、多樣。 (4) 具有結(jié)構(gòu)化的控制語句 如 if…else 語句、 while 語句、 do…while 語句、 switch 語句、 for 語句 等， 用函數(shù)作為程序的模塊單位，便于實現(xiàn)程序的模塊化。 C 是理想的結(jié)構(gòu)化語言，符合現(xiàn)代編程風(fēng)格的要 求。 (5) 語法限制不太嚴格，程序設(shè)計自由度大。 例如對數(shù)組下標越界不做檢查，由程序編寫者自己保證程序的正確。對變量的類型使用比較靈活 ,例如整型量與字符型數(shù)據(jù)以及邏輯型數(shù)據(jù)可以通用。 (6) C 語言允許直接訪問物理地址 。 能進行位 (bit)操作，能實現(xiàn)匯編語言的大部分功能，可以直接對硬件進行操作。因此，C 既具有高級語言的功能，又具有低級語言的許多功能，可用來寫系統(tǒng)軟件。 C 語言的這 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 種雙重性，使它既是成功的系統(tǒng)描述語言，又是通用的程序設(shè)計語言。有人把 C 稱為 “高級語言中的低級語言 ”或 “中級語言 ”，意為兼有高級和 低級語言的特點。 (7) 生成的目標代碼質(zhì)量高，程序執(zhí)行效率高。 一般只比匯編程序生成的目標代碼效率低 10％ — 20％。 (8)用 C 語言寫的程序可移植性好 (與匯編語言相比 )。 基本上不做修改就能用于各種型號的計算機和各種操作系統(tǒng)。 鑒于以上 C 語言和匯編語言的比較，本次設(shè)計采用 C 語言 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁 第 2 章 方案論證與系統(tǒng)原理 方案論證 我們在確定開發(fā)題目后，要先進行方案論證，這個過程非常重要，制定出一個好的方案會使我們后面的開發(fā)工作較為順利。在調(diào)研論證中我們主要解決以下幾個 問題： （ 1）了解本設(shè)計的需求，確定設(shè)計規(guī)模和總體框架。 （ 2）摸清軟硬件的技術(shù)難度，明確技術(shù)主攻問題。 （ 3）針對主攻問題開展調(diào)研工作，查找有關(guān)資料，確定初步方案。 （ 4）單片機應(yīng)用開發(fā)技術(shù)是軟硬件結(jié)合的技術(shù)，方案設(shè)計要權(quán)衡任務(wù)的軟硬件分工。有時硬件設(shè)計會影響到軟件程序結(jié)構(gòu)。如果系統(tǒng)中增加某個硬件接口芯片，而給系統(tǒng)程序的模塊化帶來了可能和方便，那么這個硬件開銷是值得的。但在無礙大局的情況下，以軟件代替硬件才是我們設(shè)計的最佳選擇。 （ 5）我們在設(shè)計中應(yīng)該盡量采用可借鑒的成熟技術(shù)，以減少重復(fù)性勞動。 在直流電 機驅(qū)動的軟件設(shè)計中，主要考慮以下幾點： 功能：如何用軟件控制電機轉(zhuǎn)向？如何用軟件實現(xiàn)電機的加速減速？輸入信號由 555定時器產(chǎn)生，控制電機速度的是 PWM 信號，如何進行轉(zhuǎn)換？ 555 定時器信號的頻率和PWM 信號的脈寬如何進行對應(yīng)？綜合考慮了一下整個程序要求決定用 C 語言分塊編程，定義一個函數(shù)實現(xiàn) 555 定時器產(chǎn)生的信號頻率到 PWM 信號脈寬的對應(yīng)轉(zhuǎn)換，子程序有啟動，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速，等各個模塊，本設(shè)計的軟件系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想來實現(xiàn)測頻。模塊化設(shè)計是將一個大的程序按功能分割成一些小的模塊，各個模塊相對獨立、功 能單一、結(jié)構(gòu)清晰、接口簡單。利用這種模塊化設(shè)計有許多優(yōu)點；降低了程序設(shè)計的復(fù)雜性；提高了元件的可靠性；縮短了開發(fā)周期；避免程序開發(fā)的重復(fù)勞動；易于維護和功能擴展。 系統(tǒng)實現(xiàn)原理 單片機應(yīng)用系統(tǒng)有軟件和硬件兩部分組成。硬件是指單片機 CPU、擴展存儲器、輸入 /輸出接口電路及設(shè)備等組成的電路系統(tǒng)。軟件是在硬件的基礎(chǔ)上來滿足用戶需求的系統(tǒng)功能控制邏輯，對于單片機如果沒有軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)功能無法實現(xiàn)，軟件包括監(jiān)控程序和各種應(yīng)用程序。硬件和軟件只有密切配合、協(xié)調(diào)一致，才能構(gòu)成一個功能完善、工作可靠的單片機應(yīng)用系 統(tǒng)， 所有帶單片 機 的電子設(shè)備 ， 它的工作原理當(dāng)然與具體設(shè)備有關(guān) 。 但 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 它的最基本的原理是一樣的 ， 即 ： (1) 從輸入接口接收來自外界的信息存入存儲