直流电动机正反转proteus仿真设计.docx

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直流电动机正反转proteus仿真设计

直流电动机正反转Proteus仿真设计

引言

随着人民生活水平的提高，产品质量、性能、自动化程度等已经是人们选择产品的主要因素。

其中，直流电动机正反转自动控制在生活中起了很大的作用，比如洗衣机的工作、遥控汽车的操作、DVD的应用等等，它在实际生活中给人们需求上提供了很大的方便与乐趣。

不只是生活，它还在工业、农业、交通运输等各方面得到了广泛的应用，实现电动机正反转的控制是很多产品设计的核心问题。

直流电动机显示出交流电动机不能比拟的良好启动性能和调速性能，比较广泛应用于速度调节要求过高，正反转频繁或多元同步协调运转的机械生产。

因此，学会电动机正反转控制的原理是极其重要的。

然而，在本直流电动机正反转仿真设计中，要借助Proteus软件、Keil软件和C语言的辅助进行仿真设计，通过仿真设计，让我们更清楚了解电动机正反转的原理和电路图，增强对直流电动机的认知。

在Proteus绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：

*.HEX，可以在Proteus的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程，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。

这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。

这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。

在本设计中，Proteus软件采用了电容、电阻、晶振、电动机、LED、开关、电动机等多种元件进行绘图，并基于80C51和ULN2003A进行电路图设计，充分展示Proteus软件元件库量大，掌握它的基本绘图操作。

而对于Keil软件，采取创建工程，创建执行文件，利用C语言编写程序，生成hex文件，为Proteus仿真提供驱动控制，实现直流电动机正反转的设计。

在本论文设计中，主要介绍直流电动机正反转原理，Proteus软件功能绘图、仿真调试，以及Keil软件功能、程序编写和仿真程序文件生成。

让大家更清楚了解Proteus软件、Keil软件、C语言在直流电动机正反转仿真设计的应用。

第一章、直流电动机正反转原理

由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。

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。

直流电机的结构：

电机要实现机电能量变换，电路和磁路之间必须有相对运动。

所以旋转电机具备静止的和旋转的两大部分。

静止和旋转部分之间有一定大小的间隙，称为气隙。

静止的部分称为定子，作用是产生磁场和作为电机的机械支撑。

包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置等。

旋转部分称为转子或电枢，作用是感应电势实现能量转换。

包括电枢铁心，电枢绕组，换向器、轴和风扇等。

定子部分：

1、主磁极：

也称为主极。

作用是产生气隙磁场。

2、换向极：

也称为附加极或间极。

作用是改善换向。

装在主极之间。

3、机座：

由铸钢或厚钢板焊成。

是电机的机械支撑。

4、电刷装置：

将直流电压、电流引入或引出的装置。

其组数与主极极数相等。

转动部分：

（转子部分）1、电枢铁心：

主磁路的主要部分及嵌放电枢绕组，由硅钢片迭压而成。

2、电枢绕组：

由许多按一定规律联接的线圈组成。

用来感应电势和通过电流，是电路的主要部分。

3、换向器：

由许多彼此绝缘的换向片构成。

第二章、Proteus软件介绍

PROTEUS是英国Labcenterelectronics公司研发的多功能EDA软件,它具有功能很强的ISIS智能原理图输入系统，有非常友好的人机互动窗口界面；有丰富的操作菜单与工具。

在ISIS编辑区中，能方便地完成单片机系统的硬件设计、软件设计、单片机源代码级调试与仿真。

PROTEUS有三十多个元器件库，拥有数千种元器件仿真模型；有形象生动的动态器件库、外设库。

特别是有从8051系列8位单片机直至ARM732位单片机的多种单片机类型库。

支持的单片机类型有：

68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。

它们是单片机系统设计与仿真的基础。

PROTEUS有多达十余种的信号激励源，十余种虚拟仪器（如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等）；可提供软件调试功能，即具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；还有用来精确测量与分析的PROTEUS高级图表仿真（ASF）。

它们构成了单片机系统设计与仿真的完整的虚拟实验室。

PROTEUS同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。

PROTEUS还有使用极方便的印刷电路板高级布线编辑软件（PCB）。

特别指出，PROTEUS库中数千种仿真模型是依据生产企业提供的数据来建模的。

因此，PROTEUS设计与仿真极其接近实际。

目前，PROTEUS已成为流行的单片机系统设计与仿真平台，应用于各种领域。

实践证明：

PROTEUS是单片机应用产品研发的灵活、高效、正确的设计与仿真平台，它明显提高了研发效率、缩短了研发周期，节约了研发成本。

2.1、基本知识与功能概述

Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：

multisim）的功能。

这些功能是：

（1）原理布图

（2）PCB自动或人工布线

（3）SPICE电路仿真

革命性的特点

（1）互动的电路仿真

　　用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

（2）仿真处理器及其外围电路

　　可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。

还可以直接在基于原理图的虚拟原型

　　上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。

配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。

功能模块

（1）智能原理图设计（ISIS）

　　丰富的器件库：

超过27000种元器件，可方便地创建新元件；

　　智能的器件搜索：

通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；

　　智能化的连线功能：

自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；

　　支持总线结构：

使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；

　　可输出高质量图纸：

通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。

（2）完善的电路仿真功能（Prospice）

　　ProSPICE混合仿真：

基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；

　　超过27000个仿真器件：

可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件；

　　多样的激励源：

包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入；

　　丰富的虚拟仪器：

13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等；

　　生动的仿真显示：

用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动；

　　高级图形仿真功能（ASF）：

基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析；

（3）独特的单片机协同仿真功能（VSM）

　　支持主流的CPU类型：

如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等，CPU类型随着版本升级还在继续增加，如即将支持CORTEX、DSP处理器；

　　支持通用外设模型：

如字符LCD模块、图形LCD模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232虚拟终端、电子温度计等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）还可以使仿真电路通过PC机串口和外部电路实现双向异步串行通信；

　　实时仿真：

支持UART/USART/EUSARTs仿真、中断仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；

　　编译及调试：

支持单片机汇编语言的编辑/编译/源码级仿真，内带8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境（如IAR、Keil和Hitech）结合，进行高级语言的源码级仿真和调试；

（4）实用的PCB设计平台

　　原理图到PCB的快速通道：

原理图设计完成后，一键便可进入ARES的PCB设计环境，实现从概念到产品的完整设计；

　　先进的自动布局/布线功能：

支持器件的自动/人工布局；支持无网格自动布线或人工布线；支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理；

　　完整的PCB设计功能：

最多可设计16个铜箔层，2个丝印层，4个机械层（含板边），灵活的布线策略供用户设置，自动设计规则检查，3D可视化预览；

多种输出格式的支持：

可以输出多种格式文件，包括Gerber文件的导入或导出，便利与其它PCB设计工具的互转（如protel）和PCB板的设计和加工。

2.2、基本操作概述

ProteusISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如下图所示，包括：

标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。

2.2.1、图形编辑窗口

（1）坐标系统（CO-ORDINATESYSTEM）

（2）点状栅格（TheDotGrid）与捕捉到栅格（SnappingtoaGrid）：

编辑窗口内有点状的栅格，可以通过View菜单的Grid命令在打开和关闭间切换。

点与点之间的间距由当前捕捉的设置决定。

（3）实时捕捉（RealTimeSnap）：

当鼠标指针指向管脚末端或者导线时，鼠标指针将会被捕捉到这些物体，这种功能被称为实时捕捉，该功能可以方便地实现导线和管脚的连接。

（4）视图的缩放与移动：

用鼠标左键点击预览窗口中想要显示的位置，这将使编辑窗口显示以鼠标点击处为中心的内容。

或者用鼠标指向编辑窗口并按缩放键或者操作鼠标的滚动键，会以鼠标指针位置为中心重新显示。

2.2.2、预览窗口（TheOverviewWindow）：

该窗口通常显示整个电路图的缩略图。

在预览窗口上点击鼠标左键，将会有一个矩形蓝绿框标示出在编辑窗口中显示的区域。

其他情况下，预览窗口显示将要放置的对象的预览。

2.2.3、对象选择器窗口：

通过对象选择按钮，从元件库中选择对象，并置入对象选择器窗口，供今后绘图时使用。

显示对象的类型包括：

设备，终端，管脚，图形符号，标注和图形。

2.2.4、图形编辑的基本操作

（1）对象放置（ObjectPlacement）

（2）选中对象（TagginganObject）

（3）删除对象（DeletinganObject）：

用鼠标指向选中的对象并点击右键可以删除该对象，同时删除该对象的所有连线。

（4）拖动对象（DragginganObject）：

用鼠标指向选中的对象并用左键拖曳可以拖动该对象。

（5）拖动对象标签（DragginganObjectLabel）：

①选中对象；②用鼠标指向标签，按下鼠标左键；③拖动标签到所需要的位置。

如果想要定位的更精确的话，可以在拖动时改变捕捉的精度（使用F4、F3、F2、CTRL+F1键）；④释放鼠标。

（6）调整对象大小（ResizinganObject）：

当选中对象时，对象周围会出现黑色小方块叫做“手柄”，可以通过拖动这些“手柄”来调整对象的大小。

调整对象大小的步骤如下（Toresizeanobject）：

①选中对象

②如果对象可以调整大小，对象周围会出现黑色小方块，叫做“手柄”。

③用鼠标左键拖动这些“手柄”到新的位置，可以改变对象的大小。

在拖动的过程中手柄会消失以便不和对象的显示混叠。

（7）调整对象的朝向（ReorientinganObject）：

①选中对象；②用鼠标左键点击Rotation图标可以使对象逆时针旋转，用鼠标右键点击Rotation图标可以使对象顺时针旋转；③用鼠标左键点击Mirror图标可以使对象按x轴镜象，用鼠标右键点击Mirror图标可以使对象按y轴镜象。

（8）编辑对象（EditinganObject）：

①编辑单个对象的步骤是（Toeditasingleobjectusingthemouse）a.选中对象b.用鼠标左键点击对象；②连续编辑多个对象的步骤是（Toeditasuccessionofobjectsusingthemouse）a.选择MainMode图标，再选择InstantEdit图标b.依次用鼠标左键点击各个对象；③以特定的编辑模式编辑对象的步骤是（Toeditanobjectandaccessspecialeditmodes）a.指向对象b.使用键盘CTRL+'E'

（9）画线（WIRINGUP）PROTEUSISIS没有画线的图标按钮，因为ISIS的智能化足以在画线时能自动检测，在画错的时候可以按ESC来放弃画线。

2.2.5、对象的放置和编辑

（1）对象的添加和放置：

点击工具箱的元器件按钮，使其选中，再点击IsIs对象选择器左边中间的置P按钮，出现“PickDevices”对话框，如下图所示，然后选择相应的元器件，在本设计中将在附录中展示元器件中英文对照表，以便快速查阅。

（2）放置电源及接地符号：

单击工具箱的终端按钮，对象选择器中将出现一些接线端，如图所示，在器件选择器里分别点击下图左侧的“TERMNALS”栏下的“POWER”与“GROUND”，再将鼠标移到原理图编辑区，左键点击一下即可放置电源符号；同样也可以把接地符号放到原理图编辑区。

2.3、模拟调试

2.3.1、一般电路的模拟调试

绘好线路图后，点击菜单栏“Debug（调试）”下的按钮或者点击模拟调试按钮的运行按钮，也可以按下快捷键“Ctrl+F12”进入模拟调试状态。

2.3.2、单片机电路的模拟调试

该软件有自带编译器，有ASM的、PIC的、AVR的汇编器等。

在ISIS添加上编写好的程序，方法如下．点击菜单栏“Source”，在下拉菜单点击“Add／RemoveSourceFiles（添加或删除源程序）”弹出一个对话框，点击对话框的“NEW”按钮，在出现的对话框找到设计好的huayang．Asm文件，点击打开；在“CodeGenerationTool”的下面找到“ASEM51”，然后点击“OK”按钮，设置完毕后就可以编译了。

点击菜单栏的“Source”，在下拉菜单点击“BuildAll”，过一会，编译结果的对话框就会出现。

如果有错误，对话框会指明：

哪一行出现了问题，点击出错的提示，就能显示出错的行号。

模拟调试按钮（位于软件左下角）

选中单片机并双击，在出现的对话框里点击ProgramFile按钮，装入经过编译得到的HEX文件，然后点击“OK”按钮；点击模拟调试按钮的运行按钮，进人调试状态；在单步模拟调试状态下，点击菜单栏的“Debug”，在下拉菜单的最下面可以看到语句运行的情形。

点击SimulationLog会出现和模拟调试有关的信息；点击8051CPUSFRMemory会出现特殊功能寄存器（SFR）窗口；点击8051CPUInternal（IDATA）Memory会出现数据寄存器窗口；点击WatchWindow窗口，会出现一个下拉窗口，在这里可以添加常用的寄存器。

在WatchWindow窗口里点击右键，并在出现的菜单中点击AddItem（Byname）就会出现常用的寄存器，如选择P1，则可双击P1，这时，P1就会出现在WatchWindow窗口。

无论在单步调试状态还是在全速调试状态，WatchWindow的内容都会随着寄存器的变化而变化。

第三章、Keil软件介绍

Keil是德国知名软件公司Keil（现已并入ARM公司）开发的微控制器软件开发平台，是目前ARM内核单片机开发的主流工具。

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在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些功能组合在一起。

uVision当前最高版本是uVision3,它的界面和常用的微软VC++的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。

单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。

机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。

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）将这些部份组合在一起。

运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。

3.1、基本知识与功能概述

Keil软件工具包的整体结构，如图

（1）所示，其中uVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos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A51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目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。

使用独立的Keil仿真器时，注意事项：

仿真器标配11.0592MHz的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。

仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。

仿真芯片的31脚（/EA）已接至高电平，所以仿真时只能使用片内ROM，不能使用片外ROM；但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连，故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM（其CPU的/EA引脚接至低电平）的目标系统中使用。

本设计主要针对它的调试功能进行程序分析，通过调试程序找出问题并解决，是本设计仿真成功关键所在。

3.2、基本操作概述

应用Keil进行软件仿真开发的主要步骤为：

编写源程序并保存—建立工程并添加源文件—设置工程—编译/汇编、连接，产生目标文件—程序调试。

Keil使用“工程”（Project）的概念，对工程（而不能对单一的源程序）进行编译/汇编、连接等操作。

工程的建立、设置、编译/汇编及连接产生目标文件的方法非常易于掌握。

首先选择菜单File-New…，在源程序编辑器中输入汇编语言或C语言源程序（或选择File-Open…，直接打开已用其它编辑器编辑好的源程序文档）并保存，注意保存时必须在文件名后加上扩展名.asm（.a51）或.c；然后选择菜单Project-NewProject…，建立新工程并保存（保存时无需加扩展名，也可加上扩展名.uv2）；工程保存后会立即弹出一个设备选择对话框，选择CPU后点确定返回主界面。

这时工程管理窗口的文件页（Files）会出现“Target1”，将其前面+号展开，接着选择SourceGroup1，右击鼠标弹出快捷菜单，选择“AddFiletoGroup‘SourceGroup1’”，出现一个对话框，要求寻找并加入源文件（在加入一个源文件后，该对话框不会消失，而是等待继续加入其它文件）。

加入文件后点close返回主界面，展开“SourceGroup1”前面+号，就会看到所加入的文件，双击文件名，即可打开该源程序文件。

紧接着对工程进行设置，选择工程管理窗口的Target1，再选择Project-OptionforTarget‘Target1’（或点右键弹出快捷菜单再选择该选项），打开工程属性设置对话框，共有8个选项卡，主要设置工作包括在Target选项卡中设置晶振频率、在Debug选项卡中设置实验仿真板等，如要写片，还必须在Output选项卡中选中“CreatHexFi”；其它选项卡内容一般可取默认值。

工程设置后按F7键（或点击编译工具栏上相应图标）进行编译/汇编、连接以及产生目标文件。

成功编译/汇编、连接后，选择菜单Debug-Start/StopDebugSession（或按Ctrl+F5键）进入程序调试状态，Keil提供对程序的模拟调试功能，内建一个功能强大的仿真CPU以模拟执行程序。

Keil能以单步执行（按F11或选择Debug-Step）、过程单步执行（按F10或选择Debug-StepOver）、全速执行等多种运行方式进行程序调试。

如果发现程序有错，可采用在线汇编功能对程序进行在线修改（Debug-InlineAssambly…），不必执行先退出调试环境、修改源程序、对工程重新进行编译/汇编和连接、然后再次进入调试状态的步骤。

对于一些必须满足一定条件（如按键被按下等）才能被执行的、难以用单步执行方式进行调试的程序行，可采用断点设置的方法处理（Debug-Insert/RemoveBreakpoint或Debug-Breakpoints…等）。

在模拟调试程序后，还须通过编程器将.hex目标文件烧写入单片机中才能观察目标样机真实的运行状况。

这里要生成.hex目标文件，可通过下图进行设置。

Hex文件在Proteus仿真时起到关键作用，因此一定要检查好程序调试正确情况。

第四章、直流电动机正反转Proteus仿真设计过程

Proteus绘图

结语

完善论文

师生讨论

程序仿真

Keil的C程序编写

4.1、Proteus电路图设计

通过采取80C51单片机和ULN2003A，来对直流电动机正反转进行设计。

其中，ULN2003A是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003A输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003A输出端为高电平。

下图的设计目的是：

当直流电动机停止时LED3就亮；当按下K1时，直流电动机就会正转3圈，同时LED1发亮；当按下K2时，直流电动机就会反转3圈，同时LED2发亮，可以随时按K3进行制动。

4.2、Keil程序编写说明

#include

#defineuintunsignedint

#de