49、基于51单片机无刷电机调速系统设计(程序+原理图+PCB图+英文文献+参考论文+开题报告+元器件清单等)

摘要

由于电机的发展，电动机由之前的带有刷子变换为无刷子直流电动机，其内部结构是电子换向器，而不是传统的机械式换向器，电动机的组成为永磁材料制造的转子和带有线圈绕组的定子组成。

所以本论文思路在全面分析无刷直流电机的具体应该实现的功能基础上，采用51单片机控制核心元器件和脉冲宽度调制技术，对无刷直流电机进行闭环系统调速和控制；运用51单片机为主核心控制器件，开关电源电路设计等各其他各部分电路设计，采用软件编程进行很好的调节调试，通过控制对系统的适时速度值与方向进行监测，通过LCD 1602液晶屏直观显示。提高了系统的总体设计效率，符合设计要求。

最后，设计整体进行调试，调试结果表明设计方案合理，速度与方向调节运行稳定，达到了预期的功能要求。

关键词：单片机；无刷直流电机；LCD 1602液晶屏

1.1 研究背景及意义

电机作为驱动装置的重要组成部分，在人们的生活当中的应用是十分的广泛的。电动机它的主要分类有：直流通电型电机、感应通电型电机和同步通电型电机。电机的运行结构特性非常的好，调速范围很广泛，电动机在启动时的状态特别好，所以在各种需要的驱动装置上面都可以看见它的声影。随着全球经济和科学技术的迅猛发展，电动机在人们生产生活中德作用显得越来越为重要。无论在国防、航空航天领域，还是在人们生活当中的必备电器中，都有大量的电动机存在并使用着。从一些的具体数据分析来看，因此，开发出一些新的技术来更迭以往的旧技术是目前的当务之急。

电机的系统组成很早以前主要分为直流的和交流的。电机控制系统中的核心部件主要是这个电动机，在电动机的内部需要的驱动部分和应该用来等待的准备驱动的装置是电动机，和相似的交流型的电动机去对比，直流电动机具有更加优越的操作性能，结构上是一种更加简单的控制操作。但是，直流电机采用机械换向器，可靠性差，容易产生火花和电磁干扰；长期使用的电刷需要维护或更换；严重限制了直流电动机的应用场合。

国内外状况：很早很早以前电动机广泛的应用于人们生活的各个领域当中在各个家庭及社会当中也应用的非常的多，这些都归功于电动机的功能好，在人们所需要的操作方面能够实现它的作用，虽然以前用过的一些传统的简单操作方式但是，直流电动机的内部的一些特别结构相互会触碰在一起，这样就会导致在使用的过程当中会影响到其他的结构的正常运作，在电动机具有的精度方面就满足不了了，可是，随着新兴技术的很快发展，带来了新电子技术方面的快速发展，一些特殊的电子元器件的功能越来越多，而且也越来越先进的水平，这一个概念从很久很久以前的利用纯粹的机械式的结构被取而代之的是先进的电子技术采用的电动机来实现一些操作。现在，无刷直流电机是新型的一种电动机，可以通过一些硬件，软件来检测它的主要性能，变成了非常具有市场前景的一种新兴技术了。

无刷直流电机在性能方面是非常好的，重点体现在：速度非常好调节，调节范围较广，在速度很小的时候能够运行的非常稳定，噪音小，效率高，可靠性强。正是因为无刷直流电机所带有这些的功能，在我国的许多地方有专门做为来产生这种电动机的厂家，生产的厂家在生产的水平已经能够和世界上的先进水平相媲美了。而且，随着新技术的慢慢发展，在汽车的传动轴使用方面采用的转动电机就是利用这种材料制造的电动机来驱动的，我国的汽车制造业也正在快速的发展当中。持续负载应用：主要是需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域。可变负载应用：主要是转速需要在某个范围内变化的应用，对电机转速特性和动态响应时间特性有更高的需求。在汽车传统的制作工业方面所采用的元器件是简单的，而现在汽车的元器件所需的材料是越来越好，包括精度方面的要求等等。在大多数的工业控制领域里面也是利用自动控制的方式来实现这种电动机的使用，可能在设备是看不出来，但是在设备的运行时候，精度、速度的作用要求的作用就体现出来了。

在新兴的技术发展与新材料的应用方面的更新迭代，做研究的专家们在重复的实验当中，不断的研究实践，在传统的电动机结构里面安装了传感器，用来检测电动机的运作状况，为电动机的运行状态良好做一个很好的准备。无刷直流电机的结构非常的先进，在保留基本的一些结构的基础上，在其内部增加了一些新的技术进去。

这几年来看，电动机的整体结构控制系统发生了非常明显的变化，其中，在我国甚至在国外的一些国家，在专门的生产，加工与电动机相匹配的专业处理芯片。像周立功公司开发的具有特殊功能的单片机，来取代以前的利用模拟的方法来处理的系统操作。一些公司在专门的电机开发方面，专门去研究有特殊功能的单片机来作为主核心的处理器。其中，以单片机为最小控制系统的组成芯片，在控制方面具有非常好的应用。

我国拥有占世界蕴藏量80％以上的稀土资源，而且稀土材料的特性水平已经接近世界先进水平，为无刷直流电机的发展打下很好的基础。从这么多年的发展来看。国内国外的无刷直流技术的发展水平都在不断的发展当中，而其中最重要的控制模块与驱动模块是当前所需要研究的重中之重。研究具有自己的技术产品是当务之急，控制的方式在传统的基础上应该增加一些先进的技术上去，这样在无刷直流电机的应用方面才能更好。

综合以上来看，无刷直流电机的发展非常的迅速，与其他的国家先进的新技术相比在许多的方面还需要很多的提高地方，应该在本技术的基础上，在积极的引进国外的一些新技术，并且可以做适当的研究，从而能够发展出更先进的技术来。非常的实用性在人们的日常生活当中已经是不可或缺的。无刷直流电机的应用所涉足的领域越来越广泛了。而且品质的保证是不可避免的，在如何保证在基本的应用方面上，能够更好的在无刷直流电机的产品更新上发挥作用是当务之急的事情。所以兼顾各个方面，可以看出在电机的应用上小型的无刷直流电机的应用，在更多地场合还是非常广泛，对更进一步的对无刷直流电机的研究工作，得深刻研究已经是非常具有重要意义了。

一、硬件方案
硬件构成：本系统采用单片机+无刷电机+LCD1602液晶显示屏+按键而成。

二、设计功能
1、本设计基于STC89C51/52（与AT89S51/52、AT89C51/52通用）。
2、通过按键来控制无刷电机的正转，反转，加速，减速，停止，启动等。
3、无刷电机的状态通过LCD1602液晶屏直观显示出来。

三、实物图

2主控模块设计
单片微型计算机是随着微型计算机的发展而产生和发展的。自从1975 年美国德克萨斯仪器公司的第一台单片微型计算机（简称单片机）TMS-1000 问世以来，迄今为止，单片机技术已成为计算机技术的一个独特分支，单片机的应用领域也越来越广泛，特别是在工业控制中经常遇到对某些物理量进行定时采样与控制的问题，在仪器仪表智能化中也扮演着极其重要的角色。

如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可以分为以下几个阶段：

第一阶段（1976—1978）：单片机的探索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。MCS-48的推出是在工控领域的探索，参与这一探索的公司还有Motorola、Zilog等。都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单片机”一词即由此而来。

第二阶段（1978—1982）：单片机的完善阶段。Intel公司在MCS-48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS-51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。

（1）完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有多机通信功能的串行通信接口。

（2）CPU外围功能单元的集中管理模式。

（3）体现工控特性的地址空间及位操作方式。

（4）指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。

第三阶段（1982—1990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS-96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。

第四阶段（1990—）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面、深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。

单片机是在集成电路芯片上集成了各种元件的微型计算机，这些元件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时/计数器、中断系统、时钟部件的集成和I/O接口电路。由于单片机具有体积小、价格低、可靠性高、开发应用方便等特点，因此在现代电子技术和工业领域应用较为广泛，在智能仪表中单片机是应用最多、最活跃的领域之一。在控制领域中,现如今人们更注意计算机的底成本、小体积、运行的可靠性和控制的灵活性。在各类仪器、仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，提高计算机的运算速度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。

单片机引脚介绍
单片机主要特点：

（1）有优异的性能价格比。

（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。

（3）控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。

（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。

（5）外部总线增加了I2C（Inter-Integrated Circuit）及SPI(Serial Peripheral Interface)等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。

（6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。

优异的性能价格比。

1）集成度高、体积小、有很高的可靠性。

单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。

此外，程序多采取固化形式也可以提高可靠性。

2）控制功能强。

为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。

单片机的系统扩展、系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。

VCC：STC89C52电源正端输入，接+5V。

GND：电源地端。

XTAL1: 单芯片系统时钟的反相放大器输入端。

XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一 20PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。

RESET：STC89C52的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。

EA/Vpp："EA"为英文"External Access"的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。

ALE/PROG：ALE是英文"Address Latch Enable"的缩写，表示地址锁存器启用信号。STC89C52可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为STC89C52是以多工的方式送出地址及数据。平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。

PSEN：此为"Program Store Enable"的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。STC89C52可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。

PORT0（P0.0～P0.7）：端口0是一个8位宽的开路汲极（Open Drain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。

PORT2（P2.0～P2.7）：端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在STC89C52扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。

PORT1（P1.0～P1.7）：端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LS TTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。

PORT3（P3.0～P3.7）：端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。

其引脚分配如下：

P3.0：RXD，串行通信输入。

P3.1：TXD，串行通信输出。

P3.2：INT0，外部中断0输入。

P3.3：INT1，外部中断1输入。

P3.4：T0，计时计数器0输入。

P3.5：T1，计时计数器1输入。

P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。

P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

四、原理图
在本设计做的过程中，硬件和软件方面都遇到了许多问题，但是相比于软件，在硬件方面还是比较快解决的方面，因为硬件是比较容易检查出来错误的，软件比较晦涩难懂，还是有一定难度。
在硬件调试问题上，首先焊接好了元器件实物板后，先用万用表测量这个工业板子的电源方面，电源方面是最重要的问题，应该是特别需要检查的地方，以防止电源的短路和正负极的错误。然后在仔细检查电路的连接是否有问题，或者有没有虚焊或者没有焊接到的地方，然后核对一下元器件的安装是否有问题，安装上去是否符合规定，由于已经是大学四年都是做过了很多实训过来了，对于这些还是游刃有余的，但是在上机调试后还是发现了很多的问题。

五、PCB图
在本设计做的过程中，硬件和软件方面都遇到了许多问题，但是相比于软件，在硬件方面还是比较快解决的方面，因为硬件是比较容易检查出来错误的，软件比较晦涩难懂，还是有一定难度。
在硬件调试问题上，首先焊接好了元器件实物板后，先用万用表测量这个工业板子的电源方面，电源方面是最重要的问题，应该是特别需要检查的地方，以防止电源的短路和正负极的错误。然后在仔细检查电路的连接是否有问题，或者有没有虚焊或者没有焊接到的地方，然后核对一下元器件的安装是否有问题，安装上去是否符合规定，由于已经是大学四年都是做过了很多实训过来了，对于这些还是游刃有余的，但是在上机调试后还是发现了很多的问题。

六、程序源码
Keil C51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提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、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（μVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。