zhang行业标准半制动直流无刷绕线机单片机.docx

zhang行业标准半制动直流无刷绕线机单片机.docx

《zhang行业标准半制动直流无刷绕线机单片机.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《zhang行业标准半制动直流无刷绕线机单片机.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

zhang行业标准半制动直流无刷绕线机单片机

华侨大学厦门工学院

工程导论课题设计（论文）

题目：

标准半制动直流无刷绕线机51单片机

（英文）：

Standardhalfbrakingbrushlessdcwindingmachine51single-chipmicrocomputer

系别：

电子

专业：

电子信息工程

姓名：

张健华

学号：

11022020402011电子二班

指导教师：

唐晓明

日期：

2012年12月

标准半制动直流无刷绕线机51单片机

摘要

直流无刷绕线电机是51单片同步电机的一种，由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。

其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数组成。

电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数（P）影响：

N=120．f/P。

在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。

直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制（驱动器），控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。

也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。

51单片机是美国英特尔公司生产的一系列单片机的总称，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、定时计算器、串行通信口、脉宽调制电路、A/D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、高效地完成程序设计者事先规定的任务。

本论文将介绍基于MCS-51单片机控制直流无刷电动机的设计，它可以实现控制直流无刷电动机的启动、停止、急停、正反转、加减速等功能。

关键词：

单片机，半自动直流无刷电动机，控制系统

Standardhalfbrakingbrushlessdcwindingmachine51single-chipmicrocomputer

ABSTRACT

Brushlessdcmotorisakindofsynchronousmotor,themotorontology,andpositionsensorsandelectronicswitchline3parts.Thestatorwindingintogeneralmultiphase（three-phase,four,fivephase）,rotorsurface-mountedaccordingtothecertainbypermanentextremelylogarithm（system2p=2,4-diflooronitrohenzene,...）.Composition.Thespeedofthemotorrotorrotatingmagneticfieldbythespeedofthemotorstatorandrotorpolarnumber（P）:

N=f/Pj.Inafixednumberofrotorstatorcircumstance,changethefrequencyofrotatingmagneticrotorspeedcanbechanged.Brushlessdcmotorissynchronousmotordriveandcontrol（electronic）,arotatingmagneticfieldfrequencycontrolstatorandrotormotorspeedfeedbacktothecontrolcenter,inordertoachieveandcorrectionofdcmotorcharacteristics.Namelybrushlessdcmotorforratedloadinrangewhentheloadchangestillcancontrolmotorrotormaintainspeed.

MCS-51SCMistheIntelcompanymanufacturesArangeofMCU,isanintegratedcircuitchips,usingthetechnologywithlargescaledataprocessingabilityofmicroprocessor（CPU）,randomaccessmemory（RAM）,readonlymemory（ROM）,input/outputinterfacecircuitandtimingcalculator,serialcommunication,pulsewidthmodulationcircuit,A/DconverterstoAsemiconductorsiliconintegratedcircuits,thecircuitinsoftwareunderthecontroloftheaccurate,rapidandefficientprogramdesignerspre-ordainedtask.

ThispaperwillintroduceMCS-51single-chipmicrocomputercontroldesignofbrushlessdcmotorcontrol,whichcanrealizebrushlessdcmotorstart,stop,stop,positive&negative,decelerationetc.Function.

KEYWORDS:

SCM，Brushlessdcmotor，Thecontrolsystem

目　录

前　言

20世纪人们跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和计算机时代。

单片机作为微型计算机的一个重要分支，现如今已经得到了全面的发展，它以体积小、功能全、价格低等一系列特点在国内外都获得了广泛的应用，人们对于单片机的功用范围也提出了更高的要求。

随着微电子技术，系统集成技术和电子技术的高速发展，一大批新颖、独特、高集成度、高性价比的单片机竞相问世。

单片机的使用领域已经深入到了智能仪表、通信设备、实时工控、导航系统、家用电器等工业、农业、国防、教育等方方面面。

虽然目前市场上单片机的种类很多，世界各大公司以MCS-51单片机基本内核为核心的各种扩展型、增强型的单片机不断推出，但最具典型的当属英特尔公司的MCS-51系列单片机。

该系列单片机是一种通用型的8位单片机，性价比较高，具有品种全、功能强、软硬件数据丰富等特点应用的量及其范围较大，至今为止，MCS-51系列单片机及其扩展型、增强型仍为单片机市场上的主流机型。

直流无刷电动机是在直流电动机的基础之上发展而来的，它是步进电动机的一种，继承了直流电动机的启动转矩大、调速性能好等特点克服了需要换向器的缺点在交通工具、家用电器及中小功率工业市场占有重要的地位。

直流无刷电动机不仅在电动自行车、电动摩托车、电动汽车上有着广泛的应用，而且在新一代的空调机、洗衣机、电冰箱、吸尘器，空气净化器等家用电器中也有逐步采用的趋势，尤其是随着微电子技术的发展，直流无刷电动机逐渐占有原来异步电动机变频调速的领域，这就使得直流无刷电动机的应用范围越来越广。

本毕业设计就是基于MCS-51系列单片机控制直流无刷电动机，利用所学的知识实现单片机控制直流无刷电动机的启动、停止、急停、正反转，加减速等控制，并对直流无刷电动机运行状态进行监视和报警。

详细介绍单片机的种类、结构、功能、适用领域和发展历史、未来前景及其直流无刷电动机的工作原理、控制结构等内容，既着重单片机的基本知识、功能原理的深入阐述，又理论联系实际详细剖析单片机控制直流无刷电动机的过程。

本毕业设计论文参考了大量的数据，借鉴了不少专家、学者和单片机爱好者的著作、学术论文、交流讨论文章和经验心得等，在此对他们表示最诚挚的感谢！

本论文在写作时同样得到了指导教师赵秀婷的帮助，在此也表示衷心的谢意！

由于本人水平有限，加之时间仓促，其中难免存在错误和不足之处，还望指导老师批评指正。

第1章单片机概述

1.1单片机概述

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-chipmicrocomputer）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（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）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MOS）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3~6V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3~6V范围内工作。

低电压供电的单片机电源下限已可达1~2V。

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1KB～4KB，RAM为64～128B。

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（OneTimeProgram）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。

1.2单片机的特点及应用领域

1.2.1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。

1.2.2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，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。

目前世界上生产单片机的厂商众多，迄今为止，主要的生产厂家有：

美国的英特尔（Intel）、摩托罗拉（Motorola）、奇洛格（Zilog）、微芯（Microchip）、艾特梅尔（Atmel）、国家半导体（NS）、洛克威尔（Rockwell）、德克萨斯仪器（TI）等公司和日本的NEC、东芝、日立、松下等公司以及荷兰的飞利浦。

德国的西门子公司，到目前为止，8位单片机仍是单片机市场的主流产品，表1-1给出了世界上较为著名的8位单片机生产厂商和产品。

表1-1PCON寄存器的位定义

美国英特尔公司

MCS-51系列及其增强型、扩展型系列

美国摩托罗拉公司

MC6801系列和MC6805、MC68HC05系列

美国奇洛格公司

Z-8系列和super8系列

美国艾特梅尔公司

AT89C51、AT89C52系列

日本东芝公司

TLCS870系列、90系列

日本日立公司

HD6301、HD6305、HD63L05

日本电气公司

uCOM87系列

日本松下公司

MN6800系列

荷兰飞利浦公司

8×C552系列、P89C5×系列

德国西门子公司

SAB80系列（MCS-51内核）

这些单片机以体积小、功能全、价格低等一系列特点在国内外都获得了广泛的应用，人们对于单片机的功用范围也提出了更高的要求，单片机的功能也越来越强大！

第2章MCS-51系列单片机的结构及工作原理

2.1MCS-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2-1MCS-51单片机内部结构框图

该图中可以看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。

2.2MCS-51单片机的引脚及其功能描述

MCS-51系列单片机芯片的引脚均为40只引脚，制造工艺为HMOS（高密度沟道MOS工艺），采用双列直插（DIP）封装形式，4个并行I/O口（P0～P1）共有32根引脚，可分别用作地址线，数据线和I/O线。

另外还有4根控制信号引脚，2根时钟引脚，2根电源线引脚。

其引脚功能如下：

（1）I/O口引脚P0.0～P0.7P0口8位双向口线（在引脚的32～39号端子），是一个8位漏极开路的三态双向I/O口，当使用外部存储器时为地址总线及数据总线分时复用口，可以驱动8个LS型TTL负载。

P0口有三个功能:

①外部扩展存储器时，当作数据总线（如图2-2中的D0～D7为数据总线接口）②外部扩展存储器时，当作地址总线（如图2-2中的A0～A7为地址总线接口）③做扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。

P1口：

P1.0～P1.7P1口8位双向口线（在引脚的1～8号端子），是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，是一个通用单一功能的I/O端口，可驱动4个LS型TTL负载。

P2口：

P2.0～P2.7P2口8位双向口线（在引脚的21～28号端子），是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，系统扩展时，作为高8位地址线使用，不做扩展系统时，可作为一般I/O口使用，可以驱动4个LS型TTL负载。

P3口：

P3.0～P3.7P3口8位双向口线（在引脚的10～17号端子），是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，双功能复用口。

（2）控制引脚ALE/

:

ALE为地址锁存允许信号，工作时输出一正脉冲；

为此引脚的第二功能，在对片内EPROM型单片机编程写入时，此引脚为编程脉冲输入端。

：

为外部程序存储器的读选通信号，低电平有效。

每个机器内，

激发两次，从片内程序存储器存取时，不激发

。

/

：

EA为内外程序存储器控制端，当引脚为高电平时，CPU先执行片内程序存储器指令，除非程序计数器PC超过0FFFH（即4K地址范围），将自动转向执行外部程序存储器内的程序指令。

RST/

：

RST为复位信号输入端，高电平有效。

为此引脚的第二功能，即备用电源输入端。

和ALE输出端是否有信号可以判断出单片机是否在工作。

（3）时钟引脚两个时钟引脚XTAL1、XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成了一个振荡器，为单片机提供时钟控制信号。

XTAL1：

此引脚内部是一个片内振荡器的反向输入端。

图2-2所示为MCS-51系列单片机双列直插引脚图。

图2-2MCS-51系列单片机双列直插封装方式的引脚

XTAL2：

此引脚内部接至内部反相放大器的输出和内部时钟发生器的输入

（4）电源引脚电源引脚用来接入单片机的工作电源。

：

正常运行时的电源，接+5V。

：

电源地线，接地端。

一般在

和

之间接有高频和低频滤波电容。

2.3MCS-51单片机的工作方式

MCS-51系列单片机的工作方式有：

复位方式，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-