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1、本科毕业设计说明书基于8051单片机无刷直流电机控制器设计BASED ON 8051 SINGLE CHIP MICROCOMPUTER CONTROLLER OF BRUSHLESS DC MOTOR DESIGN 学院（部）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 年 月 日基于8051单片机无刷直流电机控制器设计摘要无刷直流电动机的出现源于有刷直流电机。如今各种直流电动机和交流电动机在传动应用中虽占主导地位，但是无刷直流电动机的前景更光明。无刷直流电机是随着社会的需要而产生的，当今世界对电机的要求越来越高，传统的直流电机已经满足不了当今工业对其的需要，因此无刷直流电机得以迅速发展，无刷直流
2、电机满足了人们对高效率，高精度，高速度的要求，配合微处理器得以智能化，是各知识领域的重要结晶成果。再对控制器的选用上，选择单片机AT89C51，其能够满足对控制器的要求，因本文是对无刷直流电机的控制，显然驱动电机用无刷直流电机，整个思路是通过单片机采集获得的比较电平、以及电机霍尔位置传感器反馈过来的信号，单片机将接收到的信号，将其用软件编程故而发出指令驱动无刷直流电动机。关键词 ：无刷直流电动机，单片机，霍尔位置传感器BASED ON 8051 SINGLE CHIP MICROCOMPUTER CONTROLLER OF BRUSHLESS DC MOTOR DESIGNABSTRACTTh
3、e appearance of brushless dc motor from a brush dc motor. Now all kinds of dc motor and ac motor is dominant in the drive applications, but a more bright future of brushless dc motor. Brushless dc motor is along with the social needs, the demand is higher and higher in todays world of motor, the tra
4、ditional dc motor has already cant satisfy the need of the industry to its, so rapidly the brushless dc motor development, meet the brushless dc motor of high efficiency, high precision, high speed requirements, cooperate with the microprocessor to intelligent, is the important achievements of cryst
5、allization in the field of knowledge. This design is mainly for the selection of controller, the controller selection plays a key role in this design, so the main controller use AT89C51, brushless dc motor as drive motor, the control method by comparing with the single chip microcomputer collected l
6、evel, and motor hall position sensor feedback signal, single chip receives the signal, its software programming to issue instructions to drive the brushless dc motor. KEYWARDS: Brushless dc motor, the microcontroller, hall position sensor目录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 电机的分类11.2 无刷直流电机及技术的发展及研究意义2第二章 无刷直流
7、电机的介绍32.1 无刷直流电动机的概念32.2 无刷直流电机与有刷直流电机的比较42.3 无刷直流电动机的基本工作原理及组成52.4 无刷直流电动机的运行特性72.4.1 机械特性72.4.2 调节特性82.4.3 工作特性8第三章 无刷直流电机控制器的设计93.1无刷直流电动机控制器设计方案93.1.1 设计方案比较与选择93.1.2 无刷直流电动机控制系统组成框图93.2 控制器的基本原理103.3 脉宽调制（PWM）技术10第四章 AT89C5系列单片机的结构及工作原理简介124.1 AT89C51单片机的硬件结构124.2 AT89C51单片机的引脚及其功能描述134.3 AT89C
8、51单片机的工作方式144.4 AT89C51单片机的最小应用系统154.5 AT89C51单片机的指令系统16第五章 硬件电路以及软件的设计175.1 硬件电路设计175.1.1 单片机与键盘接口设计175.1.2 单片机与显示数码管接口的设计185.1.3 逆变器与驱动电路接口设计185.1.4 限流保护电路215.2 软件设计225.2.1 控制器软件设计总述225.2.2 程序流程图22结论26参考文献27致谢28第一章 绪论1.1电机的分类各领域的发展是在整个社会的科技发展下带动的，最近几十年控制领域的发展令人震惊，它带来的巨大成果造福了人民的生活，比如在控制领域中，半导体的发展及应
9、用已经在很多领域中得以推广，使工业过程走向自动化，智能化，比如功率器件管MOSFET在整流逆变电路中的应用，无刷直流电机控制系统也应用了全控型的MOSFET管，脉冲调制技术（pulse width modulation,简称PWM）是在其基础上发展的。无刷直流电动机是近年来随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电动机。传统的直流电动机存在换向器，因而存在碳刷磨损和碳刷粉末玷污线圈绝缘及其它零部件问题，由此带来火花、维护困难、寿命短等致命缺陷。无刷直流电动机是以法拉第的电磁感应定律为基础，而又以新兴的电子技术、数字电子技术和各种物理原理为后盾。因此它具有很强的生命力。单片机具有很多有点，
10、比如：外围电路少、数字信号处理器运算快、组成简单、可靠，故常被用于无刷电机的驱动部分。该无刷直流电机的设计具有组成简化、性能优越特点，使电机更加小型化和智能化。电机按电源性质划分如表1-1：表1-1 电机按电源性质分类直流电机 有刷直流电机永磁直流电机稀土永磁直流电动机 铁氧体永磁直流电动机铝镍钴永磁直流电动机电磁直流电机串励直流电动机并励直流电动机他励直流电动机 复励直流电动机 无刷直流电机 铁氧体永磁无刷直流电机稀土永磁式无刷直流电机交流电机 单相电动机 三相电动机1.2无刷直流电机及技术的发展及研究意义1831年,英国物理学家和化学家法拉第，成功证明了磁场能由电流产生,即发现了电磁感应现
11、象,奠定了现代电机的基本理论的基础。1915年,美国科学家Hangnail通过不懈努力，成功地发明了带控制栅极的汞弧整流器,直流逆变成交流成为可能。1955年，美国人Harrison在当时换向器思想下，设计了用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接，并首次提出用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想，即无刷直流电机雏形。1962年，随着传感器的生产，比如：接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器以及霍尔效应转子位置传感器，成功试制了用霍尔元件（霍尔效应转子位置传感器）来完成无刷直流电机换相。1968年,德国人WMudslinger提出电容移相实现换向的想法。德国人RHa
12、nitsch在此思想下，成功的设计出借用过零鉴别器和数字式环形分配器的组合，来完成换相的无位置传感器无刷直流电机。无刷直流电机的研究意义很重要，作为新型电机，它的性能越来越被人们所认可，它是许多领域的结晶产品，将许多领域联合在一起，是一种高新技术产品，是机电一体化的重要成果。无刷直流电机具有很多成功的创新点,优越于传统的直流电机,如传统的直流电机使用机械换向,也保留了许多传统直流电机的优点,如具有交流电机和直流电机,它具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便,但是也有直流电机调速性能好,没有励磁损耗,效率高的特点。西方国家等发达国家，在工业自动化领域中，无刷直流电机的重要性得到体现，并渐渐取
13、代了有刷直流电机。无刷直流电机已成为主流，也符合了当今技术的要求，在发达国家无刷直流电机作为执行机构已成为趋势，比如美国、日本、德国等发达国家等已经主要使用刷直流电机。从以上介绍可以知道：无刷直流电机在很多方面，优越于有刷直流电机，它是科学技术的又一突破，之所以这么说是因为无刷直流电机控制系统综合了多科学科，它的驱动结合了电子技术知识，同时有用微处理器进行控制，对无刷直流电机的研究有非常重要的现实意义。第二章 无刷直流电机的介绍2.1 无刷直流电动机的概念梯形反电动势的永磁同步电机是无刷直流电机，无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，使这种电动机既具有直流电动机的特性。
14、又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点；它的转速不再受机械换向的限制，若采用高速轴承，还可以在高达每分钟几十万转的转要中运行。它的特点：质量轻、体积小、功率大、效率高、能耗低、启动转矩大、响应快和惯量小等特点，性能较有刷直流电机高，并且不需要电刷，无刷正是来源于此。其明显优点在于克服了传统直流电动机的有接触的机械换向装置的缺点，例如火花、电磁干扰、噪声、寿命短等缺点。无刷直流电机和有刷直流电机在结构上有相同地方也有不同地方，总体结构相差无几，但是有些差别所带来的影响很大，对电机的性能也会影响，比如在磁结构上就是悬殊不多,电枢绕组的位置却不同,有刷直流电机的转子上放的是电枢绕组,无刷
15、直流电机的定子上放的是电枢绕组则, 两者恰好相反，而转子被安装在永久磁钢上，无刷直流电机的一般都是多相工作方式,工作时候电枢绕组连接到逆变器上，然后连接到直流电源上，电子式的换向多用于定子，使各相绕组逐级构成回路，气隙空间里产生了一种变化的旋转磁场，这种变化属于跳跃式，故而与转子磁极的主磁场相互作用，产生电磁转矩，在电磁转矩的作用下电动机连续运转。无刷直流电动机用途非常广泛，可作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用，尤其适用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高新技术领域。图2-1 无刷直流电机图2.2 无刷直流电机与有刷直流电机的比较将传统有刷直流电动机与新型
16、无刷直流电动机作比较即可看出两种电机在性能以及应用上的各自优缺点，现将两种电机作一下比较：（1）换向特点的比较：有刷直流电动机的换向是由电刷和换向器进行机械换向；无刷直流电动机的换向是借助转自子位置传感器实现电子换向。（2）维护周期的比较：有刷直流电动机因采用机械换向，机械磨损大，故一般需要周期性维护；无刷直流电动机因采用电子换向，需要的维护周期较短。（3）使用年限的比较：直流电机都有自己的使用年限，即使用周期。有刷直流电动机有个重要缺点：采用电刷和换向器进行机械换向，故而机械摩擦较大，寿命较短；无刷直流电动机则采用电子换向，使用寿命较长。（4）机械（速度/力矩）特性的比较：有刷直流电机适用于
17、中速,当运行在高速时，电刷摩擦增加,有用的转矩下降；无刷直流电动机，因能实现平滑调速，故能在负载条件下的所有速度上运行。（5）效率的比较：有刷直流电动机因存在换向的机械损耗故效率中等；无刷直流电机效率比较高。（6）输出功率/外形尺寸之比的比较：由于电枢发热使气隙内的温度升高,导致了有刷直流电机输出功率属于中等水平,从而限制了输出功率/外形尺寸的比率；无刷直流电动机由于将电枢绕组设置在与机壳相连的定子上，所以容易散热。由于这种优异的热传导特性，允许减小电动机的尺寸，所以输出功率/外形尺寸之比高。（7）转自惯量的比较：有刷直流电动机转自惯量高，限制了动态特性；无刷直流由于将永磁体安装在转子上，从而
18、使电动机转自惯量低，进而改善了动态响应。（8）速度范围的比较：有刷直流电动机的速度范围较窄；无刷直流电动机速度范围较广。（9）噪声（电气噪声）的比较：有刷直流电动机因为存在电刷的换向过程，将会产生电弧，对附近的设备产生电磁干扰；无刷直流电动机的电气噪声较低。（10）制造价格的比较：有刷直流电动机的制造比较便宜；无刷直流电动机因组成相对复杂因此制造价格比较贵。（11）控制条件的比较：有刷直流电机控制相对简单；无刷直流电动机因实现的功能较多，故而在控制上相对复杂。（12）控制要求的比较：对于一个固定的速度而言，有刷直流电动机不需要控制器来进行控制，但是对于有变速要求则需要控制器；无刷直流电动机若想
19、电机运转则必须要有控制器来用于变速控制。通过以上比较可以看出，无刷直流电机在各个方面优越于有刷直流电机，无刷直流电机的发展成为一种趋势。2.3 无刷直流电动机的基本工作原理及组成1无刷直流电机的工作规律电动机的定子、转子是主要组成部分,电枢绕组多采用三相星形连接,为了测得转子在各时刻的信息,在电动机转子轴上，安装了位置传感器，位置传感器发送的信号，经处理电路整理，进行逻辑变换，故而产生控制信号，控制信号再经驱动电路，逆变器的功率开关管的导通信号来源于经驱动电路隔离放大后的电信号，在导通电平下，电机的各相绕组有序工作。图2-2 无刷直流电机运行原理图由图2-2可知，转子顺时针旋转到图a时。，转子
20、轴上的霍尔位置传感器将测得数据输送到控制电路，然后再经数字变换后用于驱动逆变器的工作，故而使T1管和T6管通电导通，A、B两相得以导通，电流的流向是从电源的正极经T1管注入到A相，再经 B相以及T6管返回电源的负极故而构成回路，电流的磁效应使定转子的磁场相互作用，产生力矩，即电磁力矩，在它的作用下电机的转子顺时针转动。图b所示位置是转子在空间转过60电气角度后的状况，转子轴上的传感器将测得信号输送到控制电路，控制信号经逻辑变换后用于驱动逆变器的工作，故而使T1管和T6管通电，A 、C两相得以导通，流向是从电源的阳极经T1管注入到A相，再经 C相以及T2管返回电源的负极故而构成回路。电流从电源的
21、正极流出，电流的磁效应使定转子的磁场相互作用，产生力矩，即电磁力矩，在它的作用下电机的转子顺时针转动。同理图cd，由此可知电机旋转时候，有六种磁状态，每一状态既两相之间会导通，每相导通的时间与电气角度对应，即120电角度。2. 无刷直流电动机组成无刷直流电动机是一种自控变频的永磁同步电动机，就其基本组成结构而言，可以认为是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成的“电动机系统”。从图2-3可以看到无刷直流电机由以下部分组成：图2-3 无刷直流电动机结构图l.电机本体无刷直流电动机是将普通直流电动机的定予与转子进行了互换。其转子为永久磁铁，产生气隙磁通：定子为电枢，由多相绕组组成。在
22、结构上，它与永磁同步电动机类似。2转子位置传感器转子位置传感器是无刷直流电动机的一个关键部件。可根据不同的原理构成如电磁感应式、光电式、磁敏式等多种不同的结构形式。其中，电磁感应式工作可靠，维护简便，寿命长所以应用较多。它决定着电枢各相绕组开始通电的时刻。它的作用相当于一般直流电动机中的电刷。改变位置检测器产生信号的时刻(相位)相当于直流电动机中改变电刷在空间的位置，对无刷直流电动机的特性有很大的影响。位置传感器一般也由定子和转子两部分组成。转子是用来确定电动机本体磁极的位置，定子的安放是为了检测和输出转子的位置信号。传感器种类较多且各具特点。目前在无刷直流电动机中常用的位置传感器有以下几种形
23、式。3电子换向电路 无刷直流电动机的电子换相线路是用来控制电动机定子绕组通电的顺序和导通的时间。主要由功率开关管和逻辑控制电路组成功率开关单元是核心部分其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给无刷直流电动机定子的各项绕组，从而使电动机产生持续不断的转矩。控制部分是将通过位置检测得到的信号根据需要转化成相应的脉冲信号去驱动功率开关管。2.4 无刷直流电动机的运行特性无刷直流电机的运行特性是指电机在起动、正常工作和调速等情况下，电机外部的一些可测物理量之间的关系。电机是一种输入电功率、输出机械功率的原动机械。因此，我们最关心的是它的转矩、转速，以及转矩和转速随输入电压、电流、负载变化而变化的规律
24、。据此，电机的运行特性可分为起动特性、工作特性、机械特性和调速特性。一下简介无刷直流电机的机械特性、调节特性、工作特性。2.4.1 机械特性机械特性为： （2-1）UT-开关器件的管压降Ia-电枢电流Ce-电机的电动势常数-每级磁通量由公式2-1可知给定不同的电压等级将得到不同的转速，即实现了电机的调速。如2-4图所示曲线。图2-4 机械特性曲线由机械特性图我们可以发现，机械特性曲线随着电压的增大而开始弯曲，弯曲的原因如下：当转矩较大、转速较低时，流过开关管和电枢绕组的电流很大，这时管压降随着电流增大而增加较快，使在电枢绕组上的电压有所减小，因而图所示的机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲。2.4
25、.2 调节特性无刷直流电动机的调节特性如图2-5所示。图2-5 调节特性调节特性的始动电压和斜率分别为： （2-2） （2-3）由上图2-4、2-5可看出，无刷直流电机和传统直流电机相比，机械特性和调节特性与有刷直流电机相同,具有调速性能优越,无级调速的特点。但是因为永磁体的限定，不能实现励磁调速。2.4.3 工作特性电枢电流与输出转矩的关系、效率输出转矩的关系如图2-6所示。图2-6 工作特性通过以上特性可以看出无刷直流电机具有一个重要特点，即负载转矩等于额定转矩时,此时的电机效率比较高高、励磁损耗也低。通过对这些特性的了解可以使我们对无刷直流电机的性能得以了解。第三章 无刷直流电机控制器的
26、设计3.1无刷直流电动机控制器设计方案3.1.1 设计方案比较与选择前两章中，我们可以看到，直流无刷电机的速度控制方法体现了很多优势，它采用了数字调速的方法，结合了当今社会发展的要求，以前的直流电机调速多是模拟调速，这种方法有许多缺点，故已被取代。现在已进入数字化时代，数字化调速控制系统已取代模拟调速系统，数字调速系统具有两种控制方案： （1）用专门的集成电路。优点：使用专门的集成电路使总电路得以简化，且具有高可靠性，同时减少了系统投资。缺点：不够灵活。 （2）用微处理器作为控制核心构成硬件系统。优点：应用范围广，编程灵活，容易控制。无刷直流电机的可靠性以及系统的效率取决于电机控制器，它主要有
27、以下功能:对输入的各个信号进行逻辑处理 用于对电机的调速为驱动电路提供各种控制信号 产生PWM脉宽调制信号对欠压等、过电流的情况做出反映，实现保护考虑了两方案的优缺点以及以上功能的要求，方案二被采用。3.1.2无刷直流电动机控制系统组成框图 基于以上考虑,本设计系统框图设计如下，如图3-1所示：图3-1 电动机驱动控制框图3.2 控制器的基本原理系统组成：无刷直流电机、AT89C51单片机、LM621芯片、4位数码管、2*3矩阵键盘。各部分作用：核心控制器选择AT89C51，数码管用于显示速度的大小及转子旋转的方向，LM621用于换相，输入则选择用2*3矩阵键盘来实现。用于控制电机的启动和停止
28、控制，速度和大小的调整，为了实现精确的速度控制，本设计使用PWM技术进行调速。换相的设计：若用单片机来换相的话，单片机一方面要不断地执行换相操作指令，同时还要监控并处理外部事件，例如：调整转速和转向，监控用户界面。这样使系统效率过低，故采用芯片LM621来完成换相。1.微控制器电机的旋转方向的要求，以及从转子位置的霍尔传感器传出的三个输出信号，将它们被处理成所需的驱动序列（驱动电平），然后用于驱动六个功率开关器件依次接通。脉宽调制信号产生的方法，是通过单片机AT89C51的内部时钟以及电机发来的电信号、制动信号、以及转速等模拟信号，经AD处理产生的。2.功率驱动单元功率驱动单元选择以MOSFE
29、T功率管组成的全桥逆变电路。3.位置传感器位置传感器选择霍尔位置传感器，用以反馈转子在各个时刻的信息。4.周边辅助、保护电路主要有电流采样电路、电压比较电路、过电流保护电路、调速信号和制动信号等输入电路。3.3脉宽调制（PWM）技术用数字信号（由单片机产生）实现对模拟电路的控制。应用在许多领域中。PWM比模拟电路控制所具有的优点：高抗噪性，很大节约内存空间、经济性能高。在此技术之前常直接运用模拟电路控，模拟电路虽然设计方便，且设计成本低，但模拟电路存在很多缺点：模拟电路容易随时间漂移功率器件存在着损耗以及对噪声敏感等容易受干扰故选择运用数字电路来实现本设计，PWM技术克服了以上技术问题，同时用
30、数字方式来控制模拟信号降低了该系统的成本，改善了性能。PWM技术解决了电机调速的问题，利用这个技术便可以实现调速的目的，同时可以通过软件设计实现调速，操作方便。PWM技术的应用范围较广，比如：温度控制、电机调速等场所。PWM控制的原理是在驱动电路中，通过改变开关在一个通断周期内接通的时间，即改变一个周期内高电平的持续时间即占空比的大小，故而改变了平均电压，因此能够改变电动机的转速。如图3-2所示。 t1t2T图3-2 PWM占空比原理由图3-2得： （3-1） （3-2）指的是电机的平均速度；定义为电机在在整个通电过程中能够达到的最大速度；D指占空比；因此改变占空比时，电机平均速度Va也发生改
31、变，即实现了调速的目的。由于占空比的大小可以连续变化，故可以实现平滑调速，使调速的范围变宽，其实上式3-2的关系式并不一定成立，只是比较接近这个关系，但是为了计。算方便，在普通的计算中，可以将其简。化成线性关系。本系统对无。刷直流电机的调速采用了PWM控制，通过对单。片机AT89C51进行编程，即可得到所。需要的PWM波形，同时占空比的大小可。任意改变，只需在编程时处理占空比。的大小即可，通过编程比较方便。产生PWM波形。第四章 AT89C51系列单片机的结构及工作原理简介4.1 AT89C51单片机的硬件结构8051单片机是最早生产的，但是随着科技的发展，8051的不能满足更高的要求，从而开
32、发出了AT89C51单片机。具有8051的基本功能，并在此基础上增加了一系列新功能，它具有一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器。具有CMOS8位微处理器高性能,低电压的特点。制造技术采用ATMEL高密度非易失性内存,和工业标准的MCS - 51系列单片机的指令集和输出管脚相兼容。与51系列单片机的区别在于AT89C51将8位CPU和闪烁存储器组合在一起，构成单个芯片，因此提高了运算速度。其基本机构如下图4-1所示:图4-1 AT89C51单片机结构AT89C51具有一下结构特点如表4-1所示：表4-1 AT89C51单片机特点与MCS-51 兼容5个中断源32可编程I/O线可编程串行通道低
33、功耗的闲置和掉电模式两个16位定时器/计器1288位内部RAM4K字节可编程闪烁存储器4.2 AT89C51单片机的引脚及其功能描述 VCC：供电电源。GND：接地。P0口：被定义为数据/地址的低八位，端口置1（对端口写1）时，起到作高阻抗输入的作用。P1口：标准输入输出I/O口，端口置1时，端口呈现高电平，用于输入口。P2口：标准输入和输出I/O口，外部程序存储空间的高八位地址也可以用其来访问，数据存储器也是一样，端口置1时，端口呈现高电平，用于输入口。P3口：既可以作标准输入输出I/O，也可做第二功能口，第二功能如下表： 表4-2 P3口第二功能引脚第二功能P3.0RXD串行口输入端P3.
34、1TXD串行口输出端P3.2低电平有效，外部中断0请求输入端P3.3低电平有效，外部中断1请求输入端P3.4T0定时器/计数器0计数脉冲输入端P3.5T1定时器/计数器1计数脉冲输入端P3.6低电平有效，外部数据存储器写选通脉冲输出端P3.7低电平有效，外部数据存储器读选通脉冲输出端 RST：复位输入端，高电平有效。复位要求RST引脚高电平输入的时间满足两个机器周期。 ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的l/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的
35、是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。 PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号出现。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然
36、这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1：用于反向振荡放大器以及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。 4.3 AT89C51单片机的工作方式AT89C51单片机的常用工作方式有：复位方式，节电工作方式。工作方式与状态一一对应。一下介绍两种常用工作方式。一、复位方式 （1）上电自动复位：由RC电路充放电来实现的，上电的一瞬间，因电压的突加，使复位引脚呈现高电平，但是随着电流的减小，复位引脚呈现低电平得以复位。 （2）按键手动复位有脉冲方式、电平方式两种按键电平复位，其原理是相当于在复位引脚经电阻接高电平，图4-3所示；按键脉冲复位的原理是因为复位电路采用了微分电
37、路产生的正脉冲得以复位的。图4-2 按键复位电路表4-3所示为寄存器复位后状态值表4-3 单片机复位后寄存器值寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HIPXX000000 BSCON00HIE0XX00000 BSBUF不定二、节电工作方式：由其内部的电源控制寄存器PCON决定的，该特殊功能寄存器的地址为87H，AT89C51单。片机的节电工作方式有两种，主要以掉电工作方式为主，在掉电工作方式中，单片机的内部振荡器停止工作。PCON的寄存器如下表4-4所示：表4-4位序D7D6D
38、5D4D3D2D1D0位符号SMODGF1GF0IDLSMOD：用于对串行口波特率倍率的设置；GF1、GF0：通用标志位；PD：用于对掉电方式的设置， PD为1时，即掉电工作方式； IDL：用于对空闲方式的设置， IDL为1时，即空闲工作方式；4.4 AT89C51单片机的最小应用系统单片机都有自己的最小系统，在这个基础上对单片机的功能进行扩展就是所谓的单片机应用扩展，AT89C51自身就可以组成一个最小系统，AT89C51构成最小系统需要将该芯片与时钟电路以及复位电路相连接即可，需要注意的是应将接高电平，而引脚ALE和不接输入信号，这样便构成了最小系统，并可以工作。注意有一些单片机自身并不能
39、构成最小系统，比如目前国内较多采用的内部无程序存储器的芯片8031来说，则要用外部程序存储器的方法才能构成一个最小应用系统，故在单片机的选取上应特别注意。如图4-3所示为单片机的应用系统。图4-3 AT89C51单片机的应用系统该系统具有以下的特点： l（1）引脚（I/O口）端口较多：P1、P2、P3四个口都可以作为I/O口，故引脚比较丰富。（2）内部存储器空间有限，仅有128B的RAM、4KB的程序存储空间。 （3）应用系统的开发具有特殊性。因P0、P2口作为数据、地址总线时硬件调试只能用模拟的方法进行在开发。片内无程序存储器的芯片构成最小应用系统时，必须在片外扩展程序存储器。由于一般用程序
40、存储器的EPROM芯片不能锁存地址，故扩展时还应外加1个锁存器，构成一个3片最小系统，地址锁存器常用74LS系列地址锁存器，用于锁存低8位地址，应特别注意。4.5 AT89C51单片机的指令系统指令是CPU用于控制功能部件完成某种指定动作的指示和命令。计算机的指令系统是指指令的集合。指令系统体现了计算机的性能，也是运用了计算机进行程序设计的基础。计算机的指令一般是采用汇编语言指令来表示。指令系统可分为四类：数据传送、逻辑操作、算术操作和控制转移。一下以每种类型的一个作简要概述：通用的传送：MOV 将原操作送至目的操作数中，保持源操作数不变化，相当于数据的复制。累加器专用传送：MOVX 用于与外
41、部数据存储器之间进行数据传送，外部数据存储器的选择由R1、R0这两位来决定。目标地址传送：MOV DPTR, #data 是用于把一个立即数的高八位和低八位放进目的寄存器中的高八位，第八位地址中。位操作指令：JB 如果直接寻址位为1，则执行转移。算术操作：ADD 将累加器中的数与操作数进行相加，并将加的结果放进累加器A中。调用指令：ACALL 绝对调用指令、无条件地调用指定地址的子程序，不影响标志。转移指令：转移指令有两种，有条件的转移以及无条件转移指令。无条件转移指令：AJMP 转移控制到目标操作数。有条件转移：JZ 如果累加器A为0则执行一次转移。中断操作指令：单片机的中断操作指令用于对中
42、断事件的处理，每个单片机都具有对内部或外部事件的处理能力，当内部或外部事件发生，对应每一个中断事件都有自己的优先级，处理器一般会根据优先级来判断处理两事件的顺序，所要用到的中断指令： RETI： 中断指令。其控制转移的方式与RET指令相同，RETI是中断返回,并且清中断标志,以保证能继续中断。第五章 硬件电路以及软件的设计5.1 硬件电路设计 硬件设计思路是先将各个功能模块的硬件电路设计出来，然后将各硬件部分连接在一块。本系统将整个硬件电路划分为四个电路模块；单片机与键盘接口设计单片机与显示数码管接口的设计逆变器与驱动电路接口设计限流保护电路的设计。系统的总硬件图如附录A所示。5.1.1 单片
43、机与键盘接口设计本系统使采用2*3矩阵键盘来对整个系统的操作，键盘结构如图5-1所示：启动/制动正反转键位功能键值K1启动/制动0XA0K20X90K3正反转0X88K40X60K50X50K60X48图5-1 系统键盘接口键盘结构和各键对应的功能及键值如表5-1：表5-1各键详细功能如下：K1：用于启动系统，单片纪上电后会对键盘进行扫描，K1按下则启动系统。K2和K5：按下K4或K6使当前位闪烁，改变当前值的大小通过K2和K5加1或减1操作，之后5秒内无输入的话，系统确定当前值。K4和K6：按下K4或K6系统进入调速状态，此时的4位数码管将从左边开始闪烁，闪烁第一位即当前位，若5S内无输入的
44、话，系统确定当前值，并通过调速达到设定值。K3：其功能是实现电机的正反转。5.1.2单片机与显示数码管接口的设计 如图5-2示的是单片机与数码管显示电路的连接，数码管采用动态显示方式。该显示部分由一下两部分组成：1. 数码管4位8段共阴极数码管用于显示的功能 位选接P1.0P1.3口P0口用于数码管的段选 单片机P0口接上拉电阻 2. LED发光二极管两个LED发光二极管用于标志电机的正反转。图5-2 单片机与数码管显示电路设计图5.1.3逆变器与驱动电路接口设计图5-3所示的是逆变器与驱动电路接口电路设计。图5-3逆变器与驱动电路接口1. 逆变器本系统设计采用了MOSFET功率开关组成的三相桥式全控逆变电路。2. 驱动电路（1）功率管的导通则选用了换相芯片LM621控制， LM621具有一下特点： 与三相无刷直流电机兼容性良好双极性驱动三相角形星型联结绕组有中心抽头的三相星形联结绕组用单极性驱动位置传感器空间间距的处理：三相电机空间间距处理为30或60；四相电动机可处理为空间间距90 输出端用于驱动双极型功率管或者用于MOSFET功率器件的驱动
