基于MCS-51单片机控制直流无刷电动机毕业论文.doc

基于MCS-51单片机控制直流无刷电动机毕业论文目录前言1第1章 单片机概述31.1单片机概述31.2单片机的特点及应用领域41.2.1单片机的特点41.2.2单片机的应用领域5第2章 MCS-51系列单片机的结构及工作原理72.1 MCS-51单片机的硬件结构72.2 MCS-51单片机的引脚及其功能描述82.3 MCS-51单片机的工作方式112.4 MCS-51单片机的最小应用系统132.5 MCS-51单片机的指令系统142.5.1 指令系统概述142.5.2 指令系统简介14第3章 直流无刷电动机简介183.1直流无刷电动机的基本组成183.2直流无刷电动机的工作原理19第4章 单片机控制直流无刷电动机234.1 预备知识234.2 设计要求234.3硬件设计234.3.1 电动机介绍234.3.2 电动机驱动器介绍254.3.3 控制电路设计314.4 软件设计404.4.1 程序流程图404.4.2 程序清单43结论49谢 辞50参考文献51附录52外文资料翻译53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-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。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1-1 PCON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8C552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2.1 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。2.2 MCS-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（P0P1）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 P0.0P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的3239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: 外部扩展存储器时，当作数据总线（如图2-2中的D0D7为数据总线接口）外部扩展存储器时，当作地址总线（如图2-2中的A0A7为地址总线接口）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：P1.0P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的18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：P2.0P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的2128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：P3.0P3.7 P3口8位双向口线（在引脚的1017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2-2 MCS-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。2.3 MCS-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-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EPROM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。2.4 MCS-51单片机的最小应用系统最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置系统，常构成一些简单的控制系统，如开关状态的输入/输出控制等。对于片内有ROM/EPROM的芯片来说，构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路、复位电路和电源即可。对于片内无ROM/或者EPROM的8031芯片来说，其做小应用系统除了外部配置时钟电路、复位电路和电源外，还应在片外扩展EPROM作为程序存储器用。MCS-51系列中含有片内程序存储器的单片机，如8051/8751仅一块芯片就可以构成最小应用系统，而无片内程序存储器的单片机，如8031必须外接扩展程序存储器才能构成最小应用系统。如图2-3所示为单片机的应用系统。图2-3 单片机的应用系统由于集成度的限制，这种最小应用系统只能起到作一些小型的控制单元，其应用特点有以下几个：l 全部I/O口线均可提供用户使用；l 内部存储器容量有限（只有4KB地址空间）；l 应用系统开发具有特殊性。2.5 MCS-51单片机的指令系统2.5.1 指令系统概述一个单片机所需执行指令的集合即为单片机的指令系统。单片机使用的机器语言、汇编语言及高级语言，但不管使用是何种语言，最终还是要“翻译”成为机器码，单片机才能执行之。现在有很多半导体厂商都推出了自己的单片机，单片机种类繁多，品种数不胜数，值得注意的是不同的单片机它们的指令系统不一定相同，或不完全相同。但不管是使用机器语言、汇编语言还是高级语言都是使用指令编写程序的。计算机的指令一般是采用汇编语言指令来表示。2.5.2 指令系统简介MCS-51系列单片机的指令系统按功能可以分为数据传送、算术操作、逻辑操作和控制转移四大类。以下分别介绍这几类指令。1.数据传送 数据传送指令可分为通用的、累加器专用的目标地址用的三种：（1）通用的传送MOV 执行第二操作数到第一操作数地位、字节字的传送。PUSH 把SP寄存器加1，然后从第二操作数传送一个字节到当前SP寻址的堆栈单元中。POP 把有SP寄存器寻址的栈单元中传送一个字节到第一操作数，然后把SP减1。(2)累加器专用传送XCH 第二操作数的字节于A累加器的字节交换。XCHD 第二操作数的地半字节于A累加器的地半字节交换。MOVX 外部数据存储器和A累加器之间传送一个字节。外部抵制可由DPTR寄存器（16位）或R1、R0（各8位）来指定。MOVC 从程序集存器传送一个字节到A寄存器中。(3)目标地址传送MOV DPTR, #data把16位立即数装入一对目的寄存器DPH和DPL中。2.算术操作 MCS-51系列单片机的指令系统的特点是除了加、减法外，还有乘法和除法功能，因而加快了运算速度，增强了运算功能，减少了编程工作量。此外还有一种调整操作，它可以允许对压缩的十进制数（BCD）直接执行算术操作。（1）加法（四种）INC （加1）执行源操作数和1的加法，结果回送到源操作数中。ADD 执行A累加器与第二操作数之间的加法，结果送回A累加其中。ADDC （带进位加） 执行A累加器和第二操作数之间的加法，若以前C标志置位则加1，把结果送到A累加器中。DA （BCD加法的使劲违法调整） 对两个2位十进制操作数的二进制加法结果进行调整。由DA所形成的压缩十进制数之间和回送到A累 加器中。如果BCD结果大于99则进位标志位置位，否则清0。（2）减法（两种）SUBB （连借位减） 执行从第一操作数（累加器）中间去第二操作数，如果C标志位置位则再减1，把结果回送到A寄存器。DEC （减1） 执行从操作数减1，结果送到操作数中。（3）乘法MUL 执行A累加器与B寄存器的无符号乘法。双字节乘法的高位字接送B寄存器，低位字节送A累加器。如果乘积的高位字节为0则0V清零，若非0则0V置位。C清零，AC保持不变。（4）除法DIV 执行A累加器与B寄存器的无符号数除法，把上送到累加器A；余数送到B寄存器。若除数为0，则累加器A和寄存器B内容不定，并置位0V,否则0V清0。C清0，AC保持不变。3.逻辑操作 MCS-51系列单片机除了能执行一般操作数的基本逻辑操作数外，还能对位进行逻辑操作，有较强的布尔处理功能。（1）单操作数逻辑操作CLR 用于A累加器和C进位标志或任何直接寻址为清0。SETB C进位标志或任何直接寻址的位置1。CPL 把A累加器中的操作数取反，并把结果回送到A累加器中，不影响标志位；或者将C进位标志或任何直接寻址位取反。（2）双操作数逻辑操作ANL 对两个操作执行按为逻辑“与”操作，并把结果回送到第一个操作数中。ORL 对两个操作数（字节）执行按位逻辑“或”操作，并把结果回送到第一个操作数中。XRL 对两个操作数（字节）执行按位逻辑“异或”操作并把结果回送到第一个操作数中。ACALL 绝对调用指令、无条件地调用指定地址的子程序。所调用的子程序的起始地址必须在与ACALL后面指令的第一字节在同一2K区间的程序存储器中，并不影响标志。LCALL 长调用指令。它调用指定地址的子程序。所调用的子程序可以从全部64K字节程序存储器地址空间的任何地方开始。不影响任何标志。RET 转移控制到前一次调用操作时保存在堆栈中的地址，一般为ACALL或者是LCALL所调用的子程序结束语句。AJMP 转移控制到目标操作数。AJMP和LJMP操作类似于ACALL和LCALL。SJMP指令提供了一下一条指令的起始地址为中心的256字节范围的转移（-128+127）。JMP 间接转移指令。把累加器A的无符号内容与数据指针的16位数据相加，然后把结果送到程序计数器。这样转移的实际目的可以是程序储存空间中的任何单元。这种间接转移对程序中实现N路散转很方便。1）有条件转移J Z 如果累加器A为0则执行一次转移。JNZ 如果是累加器A部委0，则执行一次转移。J C 如果仅为标志Cy为1，则执行转移。JNC 如果仅为标志Cy为0，则执行转移。2）无条件转移J B 如果直接寻址位为1，则执行转移。JNB 如果直接寻址位为0，则执行转移。JBC 如果直接寻址位为1，则执行转移，然后直接寻址为清0。CJNE 把第一操作数以第二操作数相比较，如果不相等，则执行转移。DJNE 把操作数减1，结果送回源操作数的地址中，若不为0则转移。试用制条指令可有效地把RAM单元用作程序循环计数器。4. 中断操作指令通过内部或外部终端方法可执行程序的转移。所有的中断通过把程序计数器进栈，然后转向位于程序存储器绝对地址3、11、19、27或35号单元来执行转移。RETI 中断指令。控制转移方式与RET相同，他还重新允许现行优先级中断。单片机在进行实时控制和实时数据处理时，需要与外界交换信息。人们需要通过人机对话，了解系统的工作情况和进行控制。单片机与其他CPU（如Z80）比较，功能虽然要强得多，但由于芯片结构、引脚数目的限制，片内ROM、 RAM、I/O口等不能很多，在构成实际的应用系统是需要加以扩展，以适应各种不同的工作情况。综上所述，MCS-51系列单片机的指令系统大体上可以分为5类：数据传递类指令（29条）、算术运算类指令（24条）、逻辑操作和循环移位类指令（24条）、控制转移类指令（17条）、位操作类指令（17条）这些指令命令计算机进行操作，计算机只能识别二进制数即计算机的指令均由二进制代码组成，但是为了书写方便，常常把它写成十六进制。17洛阳理工学院毕业设计（论文）第3章 直流无刷电动机简介一个多世纪以来，电动机作为机电能量的转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域。其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上大多数均采用三相异步电动机。针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。经过了几十年的努力，直至上世纪60年代初终于实现了这一愿望。上世纪70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现，以及高性能永磁材料的问世，均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。3.1直流无刷电动机的基本组成直流无刷电动机是在直流电动机的基础上发展而来的，直流无刷电动机继承了直流电动机启动转矩大、调速性能好的优点，克服了直流电动机需要换向器的缺点，在交通工具、家用电器等生活的方方方面面占有重要的地位。由于直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故在当今国民经济各领域应用日益普及。直流无刷电动机主要由电动机本体、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（2p=2,4,）组成。图3-1所示为三相两极直流无刷电机结构。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联结，A、B、C相绕组分别与功率开关管V1、V2、V3相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联结。图3-1 三相直流无刷电动机结构当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各项绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。 3.2直流无刷电动机的工作原理如图3-2示为三相直流无刷电动机半控桥电路原理图。此处采用光电器件作为位置传感器，以三只功率晶体管V1、V2和V3构成功率逻辑单元。图3-2 三相直流无刷电动机半控桥电路原理图三只光电器件VP1、VP2和VP3的安装位置各相差120度，均匀分布在电动机一端。借助安装在电动机轴上的旋转遮光板的作用，使从光源射来的光线一次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被照射到光线来判断转子磁极的位置。图3-3所示为开关顺序及定子磁场旋转示意图。图3-3 开关顺序及定子磁场旋转示意图随着位置传感器转子扇形片的转动，定子绕组在位置传感器VP1、VP2、VP3的控制下，便一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换相。在换相过程中，定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃式的。这种旋转磁场在360度电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续120度电角度。位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点。在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置接近传感器。电磁式位置传感器在直流无刷电动机中，用得较多的是开口变压器。用于三相直流无刷电动机的开口变压器由定子和跟踪转子两部分组成。定子一般有六个极，它们之间的间隔分别为60度，其中三个极上绕一次绕组，并相互串联后通以高频电源，另外三个极分别绕上二次绕组WA、WB、WC。它们之间分别相隔120度。跟踪转子是一个用非导磁材料做成的圆柱体，并在它上面镶一块120度的扇形导磁材料。在安装时将它与电动机转轴相联，其位置对应于某一磁极。一次绕组所产生的高频磁通通过跟踪转子上的到此材料耦合到二次绕组上，故在二次绕组上产生感应电压，而另外两相二次绕组由于无耦合回路同一次绕组相联，其感应电压基本为零。随着电动机转子的转动，扇形片也跟着旋转，使之离开当前耦合一次绕组而向下一个一次绕组靠近。就这样，随着电动机转子运动，在开口变压器二次绕组上分别感应出电压。扇形导磁片的角度一般略大于120度电角度，常采用130度电角度左右。在三相全控电路中，为了换相译码器的需要，扇形导磁片的角度为180度电角度。同时，扇形导磁片的个数应同直流无刷电动机的极对数相等。接近开关式位置传感器主要由谐振电路及扇形金属转子两部分组成，当扇形金属转子接近震 荡回路电感L时，使该电路的Q值下降，导致电路正反馈不足而停振，故输出为零。扇形金属转子离开电感元件L时，电路的Q值开始上升，电路又重新起振，输出高频调制信号，经二极管检波后，取出有用控制信号，去控制逻辑开关电路，以保证电动机正确换向。光电式位置传感器前面已经讲过，是利用光电效应制成的，由跟随电动机转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光电管等部件组成。磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体敏感元件。其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。常见的磁敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。霍尔元件产生的电动势很低，直接应用很不方便，实际应用时采用霍尔集成电路。霍尔元件输出电压的极性随磁场方向的变化而变化，直流无刷电动机的位置传感器选用开关型霍尔集成电路。磁阻效应是指元件的电阻值随磁感应强度而变化，根据磁阻效应制成的传感器叫磁阻电阻。要十分精确地分析直流无刷电动机的运行特性，是很困难的。一般工程应用中均作如下假定： （1）电动机的气隙磁感应强度沿气隙按正弦分布。 （2） 绕组通电时，该电流所产生的磁通对气隙所产生的影响忽略不计。 （3）控制电路在开关状态下工作，功率晶体管压降 为恒值。 （4）各绕组对称，其对应的电路完全一致，相应的电气时间常数忽略不计。 （5）位置传感器等控制电路的功耗忽略不计。 就是说某一相通以不变的直流后，它和转子磁场作用所产生的转矩也将随转子位置的不同而按正弦规律变化，如图3-4所示。图3-4在恒定电流下的单相转矩它对外负载讲，所得的电动机的平均转矩为零。但在直流无刷电动机三相半控电路的工作情况下，每相绕组中通过1/3周期的矩形波电流。该电流和转子磁场作用所产生的转矩也只是正弦转矩曲线上相当于1/3周期的一段，且这一段曲线与绕组开始通电时的转子相对位置有关。显然在图6 a所示的瞬间导通晶体管，则可产生最大的平均转矩。因为在这种情况下，绕组通电120度的时间里，载流导体正好处在比较强的气隙磁场中。所以它所产生的转动脉动最小，平均值较大。当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令(Command)与hall-sensor信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(AH、BL或AH、CL或BH、CL或)开关导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM来完成。22第4章 单片机控制直流无刷电动机4.1 预备知识直流无刷电动机继承了直流电动机启动转矩大、调速性能好等特点，克服了直流电动机需要换向器的缺点，在交通工具、家用电器等生活的方方方面面占有重要的地位，随着微电子技术的发展，直流无刷电动机逐渐的占有了原来异步电动机变频调速的领域。本毕业设计介绍基于MCS-51系列单片机的直流无刷电动机控制器的设计，它可以实现控制电动机的启动、停止、急停、正转、反转、加速、减速等功能。4.2 设计要求（1）完成采用单片机控制直流无刷电动机的设计与应用，包括实现电动机的正转、反转控制，锁轴控制、速度控制，对直流无刷电动机的运行状态进行检测和报警。（2）采用MCS-51单片机为控制核心，编写出控制程序软件，实现单片机与外界硬件的接口连接。（3）研究直流无刷电动机的工作特性和工作原理，本毕业设计中采用的电动机是由北京和利时电机技术有限公司自行研发设计的永磁直流无刷电动机。4.3硬件设计4.3.1 电动机介绍本控制系统选择北京和利时公司生产的森创牌直流无刷电动机作为控制对象，具体型号为57BLT-1015H1-L-S-B100，该型号的电动机属于和利时公司生产的57系列电动机。（1）电动机外形该型号的电动机外形如图4-1示，其工作特点为：环境温度0 +50环境湿度 85%RH 绝缘等级B 级耐振动/耐冲击0.5/2.5G 图4-1电动机外形图（2）技术数据 57BLT-1015H1-LS-B100电动机的技术数据如表4-1所示。表4-1 电动机技术数据货物编号规 格型 号额定功率额定电压额定转速最大转矩额定转矩最大电流06006057BLT-1015H1-LS-B10010022015000.641.281.0（3）型号说明该型号的电动机57BLT-1015H1-LS-B100的具体说明如下所示。 57:基座号； BL：电机系列，表示直流无刷电动机系列； T：结构类型，代表特殊结构，若无特别说明，则为正弦波结构； 10:电动机功率，以10W为单位，10表示1010=100W； 15：电动机额定转速，以100r/m为单位，15表示15100=1500r/m； H：施加在电动机绕组上的电压等级，H代表直流300V； 1：代表位置传感器类型为开关霍尔传感器； L：电动机出线类型，L代表引线，350mm长度； S：轴键类型，S代表光轴； B：设计版本号，以A、B、C、D表示，默认为A版，100表示设计序列号。（4）外形尺寸57BLT-1015H1-LS-B100电动机的外形尺寸如图4-2所示。图4-2 外形尺寸图4.3.2 电动机驱动器介绍本毕业设计所选择的驱动器是与上面选择的直流无刷电动机配套的，具体型号为BL-2203C。（1）驱动器外形外形如图4-3所示。图4-3 驱动器外形图（2）驱动器的特点 交流220V电压； 输入、输出信号光隔离； 启停及其转向控制； 过电流、过电压、过载及堵转保护； 测速信号输出； 故障报警输出； 电动机转速显示； 外部模拟量调速； 制动停车功能； 多档速度选择。（3）性能指标具体性能见表4-2所示。表4-2 驱动器电气性能供电电源单相交流220（115%）V，50Hz，容量为0.8k VA额定功率最大600W（根据所配的电动机而言）额定转速根据所选的电动机确定（不超过8000r/min）额定转矩根据所选的电动机确定调速范围150r/min额定转速速度变动率（对负载）2%以下（额定转速）速度变动率（对电压）1%以下（电源电压10%，额定转速无负载）速度变动率（对温度）2%以下（2040额定转速无负载）绝缘电阻在常温下大于绝缘强度在常温下1kV、1min（4）驱动器面板BL-2203C型号的驱动器面板上面有调速电位器、速度显示表、散热风扇风道、控制信号端子、霍尔信号输入端子等等。示意图如图4-4所示。（5）端子说明功率端子a：驱动器交流电源输入端子AC1、AC2，接入端子的引线必须使用U形插头。图4-4 驱动器面板示意图b：U、V、W端子与电动机相连，务必将驱动器的U、V、W端子分别与电动机的U、V、W对应相连。错误的接线将导致电动机异常。连接线原则上不超过6m，并要与霍尔线分开分布。注：接入端子的引线必须使用U型插头。c：驱动器保护地端子FG。驱动器保护地端子与电动机机壳不必连接，为安全起见，请务必驱动器保护地端子与电动机机壳分别可靠接地。注意：接入端子的引线必须使用U形插口。霍尔端子（电动机霍尔位置传感器信号端子S+、S-、SB、SC）务必将驱动器的S+、S-、SB、SC端子分别与电动机霍尔信号输出端子的S+、S-、SB、SC端子相连接，错误的连接将导致电动机工作异常，甚至损坏驱动器和电动机。电动机霍尔连接线原则上不超过6m，且应使用屏蔽线。要尽量与电动机分开布线，且远离干扰源。若霍尔连接线未接，电动机不运行。注意：S+、S-、只作为霍尔元件电源，用户不得作为他用。信号输入端子a：+12V-COM。外接口电源，外部调速电位器电源端子，负载小于50。b：电动机运行/停止控制（R/S）。通过控制端子“R/S”相对于“COM”的通断，可以控制电动机的运行、停止。端子“R/S”内部以电阻上拉到+12V，可以配合无源触点开关使用，也可以配合集电极开路的PLC等控制单元。当“R/S”端与“COM”端断开时，电动机停止，反之电动机运行。使用运行/停止端控制电动机停止时，电动机为自然停车，其运动规律与电动机负载有关。c：电动机正/反转控制（DIR）。通过控制端子“DIR”与“COM”的通断，可以控制电动机的运转方向。端子内部以电阻拉到+12V，可以配合无源触点开关使用，也可以配以集成电路的PLC等控制单元。当“