1、xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文1基于 STC89C52 单片机无刷直流电动机智能控制器系统硬件电路控制软件的设计1 引言随 着 人 们 生 活 水 平 的 提 高 ， 产 品 质 量 、 精 度 、 性 能 、 自 动 化 程 度 、 功 能 以 及功 耗 、 价 格 问 题 已 经 是 选 择 家 用 电 器 的 主 要 因 素 。 就 电 动 机 而 言 ， 传统的直流电动机均采用电刷, 以机械方法进行换向, 存在着相对的机械摩擦, 由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点, 制造成本高及维修困难等缺点,因而大大地限制了它的应用范围。永磁无刷直流电动机是近年随着电
2、力电子器件及新型永磁材料发展而迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机，既具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电机那样固有的优越的起动性能和调速特性，而无机械式换向机构，现以广泛应用于各种调速驱动场合，其应用前景看好，尤其从当今的环保、能源、效率等综合因素出发，水磁无刷直流电机可望在未来的电动车及冰箱或空调类永磁压缩机领域占有主导地位。就目前而言，永磁无刷直流电动机控制器结构已有多种形式，由最初复杂的模拟式到近来以单片机为核心的数字式，但新型电机控制专用芯片的出现，给无刷直流电机调速装置设计带来了极大的便利，这种集成模拟控制芯片控制功能强、保护功能完善、工作性能稳定，组成的
3、系统所需外围电路简单、抗干扰能力强、特别适用于对控制器体积、价格性能比要求较高的场合。专用控制芯片优点固然多，但往往价格比较昂贵。在一些控制要求精度不是很高的场合，就需要能有一种工作稳定、价格又比较低廉的控制器。本设计就是基于此市场需求，详细介绍了一种利用普通的 STC89C5X 单片机作为主控芯片的无刷直流电动机控制器的设计。xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文22 无刷直流电动机概述2.1 无刷直流电动机的特点传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动领域中有着广泛的应用，但机械电刷却是它的致命弱点。电刷的存在带来了一系列的问题，如：存在机械摩擦、噪声、电火花无线电干扰及寿命
4、短，再加上它制造成本高及维修困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围。无刷直流电动机就是为了既要保持有刷直流电动机的优异特性，又要革除电刷和换向器的“顽疾”为目的而研制的。控制系统中的执行电动机应该具有下列优点：快速性、可靠性高、体积小、重量轻、节能、效率高、适应环境和经济性。基本性能电机类型效率 体积控制特性技术性能结构寿命电机本体成本直流电动机 较高 小 好 短 高无刷直流电动机机 高 小 较好 长 高交流电动机 低 大 一般 长 低开关磁阻电动机 较低 较小 较好 长 低表 2-1 目前应用较为广泛的几种电动机的基本性能的比较在快速性方面，无刷直流电动机的转子是由永磁材料构成的磁极体，电
5、枢绕组在定子上，因而转子外径相对较小，转子转动惯量因而也较小；在转矩方面，只有直流电动机才能达到大的起动转矩和最大转矩，而无刷直流电动机具有直流电机的特性，从而起动转矩和最大转矩都较大。因此无刷直流电动机可以实现快速的起、停、加速和减速。在可控性方面，直流电动机的输出转矩和绕组流过的电流成线性关系，直流电动机的起动转矩又大，因此可控性很好、很方便。无刷直流电动机的输出特性和一般有刷的直流电动机很相似，只要简单的改变电动机的输入电压的大小就可以实现在很大的范围内进行无极调速。在可靠性方面，因为其消除了电刷和换向器，所以也就消除了故障的主要根源，由于无刷直流电机的转子上没有绕组，因此转子上没有电的
6、损耗，又由于主磁场是xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文3恒定的，因此铁损也是极小的(在方波电流驱动时，电枢磁势的轴线是脉动的，会在转子铁心内产生一定的铁损)。总的来说除了轴承旋转产生的摩擦损耗外，转子方面的损耗很小，因而进一步增加了可靠性。因此可知：和其它类型的电动机相比，无刷直流电动机不仅较为可靠而且损耗较小，它的电枢在定子上，直接与机壳相连，散热条件好，热传导系数大，由于这样的原因，在相同的条件下，在相同的出力要求下，无刷直流电动机可以设计的更小，重量更轻。无论是电机设计还是系统设计，提高效率、节约能源都具有重要的意义，有着长远的社会和经济效益。而异步电动机运行在轻载时功率因数低
7、，增加了线路和网络的损耗，因此，提高电动机的效率，选择损耗最小、效率最高的电机是很重要的。在环境适应性方面，对于高性能的系统，如果只能采用直流电动机，但同时又要求长寿命，免维护以及防爆，易燃的环境条件下，有刷直流电动机就无能为力了，无刷直流电动机是最好的选择。在经济性方面，随着电子技术的进步，电子工业的发展，电子元器件的价格不断的下降。在国外的市场上，无刷直流电动机驱动，控制器的价格已经和异步电动机的变频器相差不多了。不过由于稀土永磁材料的价格较贵，电机的成本也相应较高。但是考虑到综合指标(系统性能，重量，能量消耗等)之后，无刷直流电动机的应用仍处于上升的趋势。2.2 无刷直流电动机的发展历史
8、及研究应用现状无刷直流电动机自 1962 年问世以来，现已广泛应用于计算机外围设备、办公自动化设备、家电产品、音像设备、汽车、电动车、数控机床、机器人、医疗设备、宇宙飞船、人造卫星等方面和领域。70 年代初，随着电机技术及其相关学科的迅猛发展，无刷直流电机进入了实用阶段，在计算机外设等领域开始应用，还先后研究成功方波和正弦波无刷直流电机。近 40 年来， “无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换向器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换向电机。如今的无刷直流电机集特种电机、变速机构、检测元件、控制软件与硬件于一体，形成为新一代电动调速系统，且体现着当今应用科学的许多最新成果
9、，因此其是机电一体化的高科技产物，在各个领域得到了广泛的应用。进入 90 年代以来，无刷直流电机调速系统的逆变装置中的开关元件不仅成本降低，而且向高频化、大容量化、小型化、智能化发展。xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文4在我国，无刷直流电机的研制始于 70 年代初期，作为高科技产品受到了我国基础工业落后的制约，其综合水平低于国际水平，大约相当于国外 70 年代末 80 年代初的水准。目前，国内研究单位开展无刷直流电机的研究已有时日，积累了丰富的设计理论和设计经验，只是由于自身条件而没有达到规模化生产，大部分仍处于仿真或实验阶段。如今，随着微电子技术的迅速发展和微处理器技术的日益更新，
10、高速微处理器和 DSP(数字信号处理器 )的出现，以及专用控制芯片的出现，使得无刷直流电动机控制系统的运行速度、处理能力和基本性能有了很大的改善。 2.3 本论文的主要内容本文首先介绍了无刷直流电动机的发展及应用概况，简单分析无刷直流电动机的组成和原理。着重点介绍基于 STC89C52 单片机无刷直流电动机智能控制器系统硬件电路控制软件的设计。3 无刷直流电动机的结构及工作原理3.1 无刷直流电动机基本结构无刷直流电动机属于三相永磁同步电机的范畴，永磁同步电动机的磁场来自电动机转子上的永久磁铁。在这里，永久磁铁的特性，在很大程度上决定电动机的特性。目前采用的永磁材料主要有铁淦氧、铝镍钴、钕铁硼
11、、等 根据几种的磁感应强度和磁场强度成线性关系这一特点，应用最为广泛的就是钕铁硼。它的线性关系范围最大，被称为第三代稀土永磁合金。 在转子上安置永磁铁的方式有两种：一种是将成型的永久磁铁装在转子表面，如图3-1 (a)所示，称为凸极式；另一种是将成型的永久磁铁埋入转子里面，如图3-1 (b)所示，称为内嵌式。定子上开有齿槽，齿槽数与转子极数和相数有关，应是它们的整数倍。xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文5图 3-1 永磁转子结构类型根据永久磁铁安装方法不同，永久磁铁的形状又可分为扇形和矩形两种。扇形磁铁构造的转子具有电枢电感小、齿槽效应转矩小的优点，但易受电枢反应的影响。且由于磁通不
12、可能集中、气隙磁密度低，电极呈现凸的特性。矩形磁铁构造的转子呈现凸极特性，电感大、齿槽效应转矩大，但磁通可集中，形成高磁通密度，故适于大容量电机，由于电动机呈现凸极特性，可以利用磁阻转矩，此外，这种转子结构的永久磁铁，不易飞出，故可作高速电机使用。 根据确定的转子结构所对应的每相励磁通势合布不同，三相永磁同步电机可分为两种类型：正弦波形和方波形永磁同步电机，前者每相励磁磁通势分布是正弦波形，后者每相则是方波状，根据磁路结构和永磁体形状的不同而不同，对于径向励磁结构，永磁体直接面向均匀气隙如果采用稀大材料，由于采用非均匀气隙或非均匀磁场化方向长度的永磁体的径向励磁结构，气隙磁场波形可以实现正弦分
13、布。 应该指出稀士永磁方波形电机属于永磁无刷直流电机的范畴，而稀土永磁体正弦波形电动机则一般作为三相交流永磁同步伺服电机使用。但这不是绝对的，究竟是三相永磁直流无刷电动机还是三相永磁交流同步电机，主要决定于电动机的控制系统的方式，取决于电动机的转子位置传感器的类型。无刷直流电动机是由电动机本体、转子位置传感器和电子换相线路3部分组成，其内部基本结构原理图和实物图如下图图3-2 (a)、(b)所示：xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文1（a）霍尔无刷电机内部原理图1 主定子 2 主转子 3 传感器转子 4 传感器定子 5 电子换相开关电路（b）霍尔无刷电机内部结构图图 3-2 无刷电机基
14、本结构图3.2 无刷直流电动机的工作原理3.2.1 霍尔位置传感器霍尔式位置传感器是利用霍尔效应进行工作的。霍尔效应是一种磁电效应，是位置传感器xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文6德国物理学家霍尔 1879 年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应，该电势差称为霍尔电势差（霍尔电压）。如下图 3-3，半导体材料的长、宽、厚分别为、和。在与 X 轴相垂直的两个端面和上做两个金属电极，称为控制电极。在控制电极上外加一电压，材料中便形成一个沿 X 方向流动的电流 I，称为控制电流。设图
15、中的材料是 N 型半导体，导电的载流子是电子。在 Z 轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿 Y 轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。洛仑兹力用 FL 表示，大小为： FL = qvB图 3-3 霍尔效应A、B-霍尔电极 C、D-控制电极式中，q 为载流子电荷；为载流子的运动速度；B 为磁感应强度。 在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正电荷的积累。这样，A、B 两端面因电荷积累而建立了一个电场 EH，称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有 qEH = qvB霍尔电场的强度
16、为 EH = vB 在 A 与 B 两点间建立的电势差称为霍尔电压，用 UH 表示UH = EHb = vBb 利用这一原理可以设计制成霍尔位置传感器，霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量物体运行参数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将这些变量进行二次变换；可测量压力、质量、液位、流xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文7速、流量等。在本次毕业设计中，装在无刷电机永磁定转子上的位置传感器便是霍尔位置传感器，单片机根据霍尔信号检测出转子的位置，从而实现对无刷电机的控制。并通过单片机 P3.3 口检测出单位时间内发出的霍尔信号脉冲数，从而确定了无刷电
17、机的运行速度。3.2.2 霍尔无刷直流电机工作原理普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断的改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断转动。无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通电机相反；然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通入直流以后，只能产生不变的磁场，电动机依然不能转动。为了使电动机的转子转起来，必须使定子电枢各相绕组不断的换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与永磁磁场始终保持 90o 左右的空
18、间角，产生转矩推动转子旋转。霍尔无刷直流电机与普通无刷直流电机相比，只是电机内部多了一个霍尔位置检测器。其工作原理与无位置传感器电机完全一样，只是在相位检测时比较方便。其工作原理框图如下图 3-4 所示：图 3-4 无刷直流电动机基本工作原理框图直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而自动地控制了那些绕组通电，那些绕组断电，实现电子换向。可以很方便的实现电机的正反转，停止（包括急停）等功能。 霍尔信号与无刷电机（以三相无刷电机为例）三路相位对应关系如下图 3-5 所示：xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕
19、业论文8图 3-5 霍尔信号与无刷电机三路相位对应关系4 无刷直流电动机的硬件设计4.1 系统组成及主要器件简介系统原理框图如下图 4-1 所示：微机处理中心单片机 I/O 口输出驱动电路光耦隔离电路功率变换电路霍尔信号光耦隔离电路 M速度显示电路按键电路工作指示灯程序下载电路图 4-1 总体设计原理框图考虑成本问题，主控芯片选用市场上普通 STC89C52 单片机作为主控中心，单片机输出与输入的信号先经过光耦隔离（目的消除干扰） ，运行时，首先采集电机的霍尔信号送主机进行处理，同时输出相应的控制字，六个功率管分成上下臂两部分，通过控制字来控制上下臂有序的导通，从而达到电机三相有序通电，使电机
20、有序运转。电机运转的同时，单片机对采集到的霍尔信号做相应判断，对转速做到实时测量，并将测量结果送外围显示电路显示。同时系统还设计有工作指示检测电路，能xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文9实时检测电机运转是否正常。遇到异常情况，立即亮告警指示灯。系统还设计有电平转换（MAX232）电路，用户可以很方便的下载程序，便于系统功能升级。主要功能模块组成元件：1）微机处理系统：STC89C52 单片机STC89C52 因为其高可靠性、超低价、低功耗、无法解密等优势，实为首选。图 4-2 STC89C52 单片机其实物图STC89C52 芯片 共 40 引脚: 18 脚: 通用 I/O 接口 p
21、1.0p1.7； 9 脚: rst 复位键；10 .11 脚:RXD 串口输入 TXD 串口输出；1219:I/O p3 接口 (12,13 脚 INT0 中断 0 INT1 中断 1； 14,15 : 计数脉冲 T0 T1 16,17: WR 写控制 RD 读控制输出端)；18,19: 晶振谐振器 20 地线 ；2128 p2 接口 高 8 位地址总线 ；29: psen 片外 rom 选通端 单片机对片外 rom 操作时 29 脚(psen)输出低电平；30:ALE/PROG 地址锁存器；31:EA rom 取指令控制器 高电平片内取 低电平片外取；3239:p0.7p0.0(注意此接口的
22、顺序与其他 I/O 接口不同 与引脚号的排列顺序相反)；40:电源+5V 2）光耦隔离电路：TLP521-4TLP521 是可控制的光电藕合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器，电机等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。该 TLP5214 提供了 4 个孤立的光耦中 16 引脚塑料 DIP 封装集电极-发射极电压： 55（最小值）经常转移的比例： 50 （最小） 隔离电压： 2500 Vrms （最小）xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文10图 4-3 TLP5
23、21-4 光藕内部结构图及引脚图注：使用连续负载很重的情况下（如高温/电流/温度/电压和重大变化等） ，可能会导致本产品的可靠性下降明显甚至损坏。3）程序下载电路：MAX232 电平转换芯片图 4-4 MAX232 芯片引脚图MAX232 芯 片 是 美 信 公 司 专 门 为 电 脑 的 RS-232 标 准 串 口 设 计 的 接 口 电 路 ,使 用+5v 单 电 源 供 电 。 内 部 结 构 基 本 可 分 三 个 部 分 ： 第 一 部 分 是 电 荷 泵 电 路 。 由 1、 2、 3、 4、 5、 6 脚 和 4 只 电 容 构 成 。 功 能是 产 生 +12v 和 -12v
24、 两 个 电 源 ， 提 供 给 RS-232 串 口 电 平 的 需 要 。 xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文11第 二 部 分 是 数 据 转 换 通 道 。 由 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14 脚 构 成 两个 数 据 通 道 。 其 中 13 脚 （ R1IN） 、 12 脚 （ R1OUT） 、 11 脚 （ T1IN） 、 14 脚（ T1OUT） 为 第 一 数 据 通 道 。 8 脚 （ R2IN） 、 9 脚 （ R2OUT） 、 10 脚 （ T2IN） 、 7 脚 （ T2OUT） 为 第二 数 据 通 道 。 TTL/CMOS 数 据
25、 从 T1IN、 T2IN 输 入 转 换 成 RS-232 数 据 从T1OUT、 T2OUT 送 到 电 脑 DB9 插 头 ； DB9 插 头 的 RS-232 数 据 从R1IN、 R2IN 输 入 转 换 成 TTL/CMOS 数 据 后 从 R1OUT、 R2OUT 输 出 。 第 三 部 分 是 供 电 。 15 脚 GND、 16 脚 VCC（ +5v） 。4）速度显示电路：四位一体共阴数码管，74LS138 译码器，74LS48 七段译码器74LS138 为 3 线8 线译码器，其 74LS138 的工作原理如下： 当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/(G2A)和/
26、(G2B)）为低电平时，可将地址端（A、B、C ）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。74LS138 功能:利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。 若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138 还可作数据分配器.图 4-5 74LS138 芯片引脚图xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文12表 4-1 3 线-8 线译码器 74LS138 的功能表7 段显示译码器 74LS48 是输出高电平有效的译码器。图 4-6 74LS48 引脚功能图74LS48 除了有实现 7 段显示译码器基本功能的输入（
27、DCBA）和输出（YaYg）端外，7448 还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI） ，以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。 5）功率变换电路：8050NPN、9014PNP 三极管， STP60NF06、STP80PF55 功率管8050NPN 三极管：8050 是常用的 NPN 小功率三级管。8050 三级管参数类型为开关型；极性：NPN；材料：硅；最大集存器电流 (A)：0.5 A；直流电增益：10 to 60；功耗：625 mW；最大集存器发射电（VCEO）： 25；频率：150 KHz6）单片机 I/O 口输出驱动电路：7407 同相
28、驱动芯片图 4-7 74ls07 引脚图xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文137407 同相驱动芯片 A 输入为高电平时，Y 输出也为高电平，同理，A、Y 也同时为低电平。4.2 单片机设计及接口电路单片机设计系统原理电路图如下图 4-8 所示：图 4-8 单片机设计及接口电路单片机 P0 口接按键电路，接收用户指令。P1 口输出电机控制字（ P1.0-P1.5） ，经驱动和光耦隔离电路后，控制功率管的导通。高两位（P1.6P1.7 ）控制工作指示灯。P2 口主要用于速度实时显示，低 4 位（P2.0 P2.3）输出 BCD 码，高三位（P2.5-P2.7）控制 138 译码器，控制
29、数码管的选通位。P3 口用于接收经过光耦隔离后的霍尔相位信号。同时， （P3.0-P3.1）用于串口通信。4.2.1 按键电路xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文14图 4-9 按键电路按键电路设计简单，操作方便，采用软件内部消抖。当按键按下时，立即有指示灯提示，用户可以以此判断按键是否的确按下。4.2.2 速度显示电路图 4-10 速度显示电路考虑到单片机 I/O 口资源的富余，直接采用并口输出数据。由图中可以看出，电路比较简单，只需一块 74LS48 译码器和一块 138 译码器（最多可以控制 8 个数码管，便于以后系统升级） 。4.2.3 驱动和光耦隔离电路图 4-11 I/O
30、口驱动和光耦隔离电路xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文157407 驱动芯片主要是为了增加单片机 I/O 口的驱动能力，光耦芯片是为了消除外界对单片机的干扰。4.3 功率变换电路的设计4.3.1 功率管的选用功率管（功率场效应控制器）是一种用电压信号控制工作电流的电力电子器件。特点是输入阻抗极高，所需驱动功率很小，在控制信号撤除后会自行关断，是一种高性能的自关断器件。目前广泛使用于电机驱动控制电路，特别无刷直流电机的驱动控制。N 管选用 STP60NF06这种系列 MOSFET 功率管是一种具有独特的 STripFET 过程微电子稳压管，特别是具有极小的输入电容和栅极电荷。因此，特别
31、适合作为电信和计算机的先进高效的主要的开关隔离式 DC - DC 转换器。还可应用在要求低电荷驱动栅极的电路。 主要应用高效 DC - DC 变换器 不间断电源和电机控制 自动推进装置 P 管选用 STP80PF55主要应用电动机控制 DC DC 和 DC- AC 变换器4.3.2 功率管驱动电路设计MOSFET 管工作在高频时，为了防止振荡，有两点必须注意：第一，尽可能减少各端点的连接线长度，特别是栅极引线，如果无法使引线缩短，可以在靠近栅极处串联一个小电阻以便控制寄生振荡；第二，由于 MOSFET 管的输入阻抗高，驱动电源的阻抗必须比较低，以避免正反馈所引起的振荡，特别是 MOSFET 管
32、的直流输入阻抗非常高，但它的交流输入阻抗是随频率而改变的，因此 MOSFET 管的驱动波形的上升和下降时间与驱动脉冲发生器阻抗有关。考虑以上因素，决定采用下图所示的功率管驱动电路，这种方式可以产生足够高的栅压使器件充分导通，有较好的驱动性能，并能保证较高的关断速度。开通时间与关断时间的差别也通过互补电路而消除。同时，在这种驱动方式中的两个外接晶体管起着射极跟随器的作用，因而功率 MOSFET 管永远不会被驱动到饱和区。xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文16STP80PF55、STP60NF06 功率管驱动电路分别如下图 4-12（a） 、 （b）所示：图 4-12 功率管驱动电路4.
33、3.3 功率变换电路上臂采用 STP80PF55 功率管，低电平导通；下臂采用 STP60NF06 功率管，高电平导通。图 4-13 功率变换电路4.4 电动机换相4.4.1 电动机的换相原理由于使用的是带霍尔位置检测器的无刷直流电机，相位检测比较容易，所以换向相对也比较容易，只需要根据单片机接收到的霍尔信号，输出相对应的控制字，控制功率管，进行功率的变换，控制相应的某一相通电，以此循环下去，就会使电机的相位顺序通电。下图是霍尔信号与相位控制字的真值表（表 4-2） ，和电平对应图（图 4-14） 。xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文17表 4-2 霍尔信号与相位控制字的真值表注：“
34、1”=高电平， “0”=低电平， “X1”=无论什么， “1”=高阻态无电流， “+”=正电流， “-”=负电流图 4-14 电平对应图4.4.2 电动机的正反转换相通过上面对无刷电机工作原理的介绍，只需改变开关管的通电顺序就可以实现电xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文18机的反转。下面以二二导通方式为例，正反转控制字真值表如下表 4-3：霍尔信号 单片机 P1.0-P1.5H1 H2 H3导通管P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0控制字1 0 1 V1 V2 0 0 1 1 1 0 0EH1 0 0 V2 V3 0 0 1 1 0 1 0DH1 1 0 V3
35、V4 1 0 0 1 0 1 25H0 1 0 V4 V5 1 0 0 0 1 1 23H0 1 1 V5 V6 0 1 0 0 1 1 13H0 0 1 V6 V1 0 1 0 1 1 0 16H二二导通方式控制字（正转）霍尔信号 单片机 P1.0-P1.5H1 H2 H3导通管P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0控制字1 0 1 V4 V5 1 0 0 0 1 1 23H0 0 1 V3 V4 1 0 0 1 0 1 25H0 1 0 V2 V3 0 0 1 1 0 1 0DH0 1 0 V1 V2 0 0 1 1 1 0 0EH1 1 0 V6 V1 0 1 0 1
36、 1 0 16H1 0 0 V5 V6 0 1 0 0 1 1 13H二二导通方式控制字（反转）表 4-3 二二导通方式正反转控制字真值表4.5 相位检测电路的设计本系统电动机选用的是霍尔无刷直流电动机，电动机内部自带有霍尔位置检测器。随着电机的转动会实时输出电机的位置信息，可以根据位置信息很方便的输出控制字，变换相位。考虑干扰的影响，只需要在霍尔信号（电机输出）与单片机之间加一光耦隔离电路即可。4.6 过流保护电路的设计电机启动和堵转时会产生一个很大的峰值电流，当电流超过功率管的最大流过电流时，会将功率管烧坏或者击穿。所以电路设计中必须加一限流保护电路。系统限流保护电路设计如下图所示，电路由
37、一采样电阻和比较器 LM393 组成。当电机启动时，启动电流增大，在采样电阻 R15 上的压降增大，当压降等于给定电压 U0 时，比较器 LM393 输出低电平，使 MOSFET 开关管 V1、V3、V5 被关断，采样电阻 R15 上的电流迅速减小，R15 上的压降也减小；当电压降到小于给定电压 U0 时，比较器输出高电平，使 MOSFET 开关管 V1、V3、V5 恢复正常的通断顺序。如此下去，电流被限制在 U0/R15 上下，达到限流的目的。xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文19图 4-15 过流保护电路4.7 系统主要应用软件简介Keil C 单片机开发软件简介Keil C51
38、是美国 Keil Software 公司出品的51系列兼容单片机 C 语言软件开发系统，与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows 界面。 STC_ISP_V3.5单片机程序下载软件简介STC-ISP 是由智峰工作室提供的公共免费下载工具，是针对 STC 系列单片机而设计的，可下载 STC89系列、12C2052系列和12C5410等系列的 STC 单片机，使用简便，下载程序只需一根串口线即可，现已被广泛使用。STC_ISP_V3.5是它的最新版本。protelDXP
39、绘制电路板软件简介protel 设计系统是世界上第一套将 EDA 设计环境引入 PC 机 Windows 环境的 EDA开发工具，该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，实用该软件设计者可以容易地设计电路原理图、画元件图、设计电路板图、画元件封装图和电路仿真。protelDXP 是继 protel99SE 之后的以新版本，其功能更加强大，使用户操作更为方便。5 系统软件设计5.1 软件系统概述单片机测控系统的软件设计和一般在现成系统机上设计一个应用软件有所不同，后者是在系统机器操作系统等支持下的纯软件设计，而单片机的软件设计是在裸xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文20机条件下开始的，
40、而且随系统的不同而不同。对于单片机软件系统的设计，不论程序的大小,在软件设计过程中采用的都是模块化思想。此系统软件设计要求中，要实现的功能有正转，反转，速度显示，工作指示，停止（包括急停）等方面。有了基本模块思路后，针对各部分进行分割，细分成各子程序合成，最后进行整合，形成一个完整的软件控制系统。5.2 系统程序总体设计考虑此控制程序不是很复杂，为了不影响程序执行速度，程序全部采用汇编语言编写。单片机控制应用系统的硬件确定后，接下来就要进行软件的设计，设计的主要内容是应用系统的主程序和各应用模块程序。整个系统是在应用程序的控制下进行的，应用程序由主程序和各个子程序构成。此系统采用结构化程序设计
41、方法（对于较大的系统，更应如此） 。这是一种自上而下的编程方法，即把总的控制过程逐步细分，分化成一个个的子过程。一直分化到所导出的子过程能直接用编程语言来实现时为止。这种设计思路把注意力集中到编程中最容易出错的一点，即程序的逻辑结构，只要总体逻辑结构是正确的，再复杂的程序也可以按划分出来的逻辑功能模块逐个设计出来。有了这一设计思想，下来的工作就是编写各模块子代码，最后再整合。xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文215.3 软件流程图与部分代码5.3.1 主程序设计主程序流程图如下图 5-1 所示：图 5-1 主程序流程图xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文225.3.2 模块子
42、程序设计1）中断子程序中断入口重新装入定时器初值（30H）+1 送30H30H 送寄存器 A清零 30H,调用 Z_HUAN 子程序，清零速度寄存器（SP_L,SP_H）开中断A=14H ？中断返回NY图 5-2 中断子程序流程图xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文232）正、反转控制模块子程序正/反转程序入口灭告警指示灯，置正反转标志延时 10MS按键按下？设定正转/反转启动速度 SD速度寄存器加 1控制字送 P1 口，P1.6-P1.7 值不变根据位置信息送相应的控制字表号根据相对应的表地址，查正转/反转表表号值送 A调用检测电机当前位置子程序SD 值送(31H)A=05H ?调用
43、 10MS 延时程序查询有无加速、急停、停止命令31H 减 1 值送 31H31H=0 ?返回NYNYY图 5-3 正反转子程序流程图xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文243) 速度显示模块子程序开始速度寄存器值倍乘 30调数值转换程序十六进制转换为十进制分别将转换后的 BCD 码，个位（40H）,十位（41H）,百位（42H）,千位（43H）分离调动态显示程序返回图 5-4 速度显示子程序流程图xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文254）停止子程序流程图开始延时 10MS，判断停止按键是否的确按下P0.1=1 ?Z_B=1 ?F_B=1 ?Z_TAB 值送 DPTR 直接停
44、止 F_TAB 值送 DPTR正转缓慢减速停止返回反转缓慢减速停止退出NYYNYN图 5-5 停止子程序流程图5）加减速功能代码J_SU:JNB P0.5,EXIT1 ;判断加速按键是否按下ACALL DELAY ;延时 10MS，判断按键是否的确按下JNB P0.5,EXIT1 ;按键未按下，返回原工作程序DEC SDDEC SD ;设定加速度系数;INC SD ;INC SD ;设定减速度系数EXIT1:RET6）急停功能代码J_TING:xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文26ACALL DISPLAY ;延时 10MS，判断按键是否的确按下JNB P0.4,G_K0 ;停止按键
45、未按下，返回原工作程序CLR P1.6 ;亮告警指示灯CLR P1.0 ;AH 管截止CLR P1.1 ;BH 管截止CLR P1.2 ;CH 管截止SETB P1.3 ;AL 管截止SETB P1.4 ;BL 管截止SETB P1.5 ;CL 管截止JMP GONGZUO ;返回工作查询G_K0:LJMP G_KONGRET7）测速子代码C_SU: ;电机转速测量程序，最高显示值 9999R/MINC SP_LMOV A,SP_LCJNE A,#64H,C_0MOV SP_L,#0INC SP_HMOV A,SP_HCJNE A,#64H,C_0MOV SP_H,#00HC_0:RET8)
46、霍尔信号查询子程序CHA_H_R:MOV A,P3 ;P3.4,P3.5,P3.6 口接电机霍尔信号 H0,H1,H2SWAP A ;高四位与低四位互换ANL A,#00000111B ;读取霍尔信号MOV H_R,A ;霍尔信号送霍尔值存储器RET9）数值转换子程序（十六进制转换为十进制 BCD 码）Z_HUAN: ;十六进制数转换未 BCD 码，送动态显示寄存器 40H-43HCALL MULD ;调用乘法程序MOV B,#0AHMOV A,SP_L ;十六进制转换为十进制（十位，个位）DIV ABMOV 40H,BMOV B,#0AHDIV ABMOV 41H,BADD A,SP_H ;
47、十六进制转换为十进制（千位，百位)MOV B,#0AHDIV ABMOV 42H,Bxx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文27MOV 43H,ARET10）十六位二进制数乘法子程序MULD: ;速度处理程序（倍乘 30） ，将速度转换到 R/MMOV A,SP_LMOV B,#30MUL ABMOV R4,BMOV SP_L,AMOV A,SP_HMOV B,#30MUL ABADD A,R4MOV SP_H,ARET6 系统调试6.1 硬件调试首先在焊接前检查元件是否有坏的（很容易检查的） ，确认无误后开始安装元件，焊接时一定要做到细心认真，必须避免假焊，以上两步完成后，才开始进入硬件
48、调试。1）硬件静态的调试 （1）排除逻辑故障 这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。主要包括错线、开路、短路。排除的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图，看两者是否一致。应特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性错误，并重点检查系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。必要时利用数字万用表的短路测试功能，可以缩短排错时间。（2）排除元器件失效 造成这类错误的原因有两个：一个是元器件买来时就已坏了；另一个是由于安装错误，造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后，用替换方法排除错误。（3）排
49、除电源故障 在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查 VCC 与 GND 之间电位，若在5V48V 之间属正常。若有高压，联机仿真器调试时，将会损坏仿真器等，有时xx 航空大学科技学院 xxxx 届毕业论文28会使应用系统中的集成块发热损坏。2）单片机测试（1）测试单片机 I/O 口执行一条简单指令，外接是 8 个发光二极管，通过二极管的发光观察 I/O 口是否完好。MOV P1/P2,#55H；MOV P1/P2,#0AAH；（2）测试单片机中断系统P1.0 口接一发光二极管。ORG 0000HLJMP MAIN ;转到主程序ORG 001BHlJMP INT_T1 ;转到中断程序ORG 0030HMOV TMOD,#10H ;定时器工作方式 1（十六位计数器）MOV TH1,#3CH ;定时
