【正文】 頻調(diào)速的領(lǐng)域，這就使得直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)就是基于 MCS51 系列單片機(jī)控制直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，利用所學(xué)的知識(shí)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、急停、正反轉(zhuǎn)，加減速等控制，并對(duì)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和報(bào)警。詳細(xì)介紹單片機(jī)的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)、功能、適用領(lǐng)域和發(fā)展歷史、未來(lái)前景及其直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的工作原理、控制結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，既著重單片機(jī)的基本知識(shí)、功能 2 原理的深入闡述，又理論聯(lián)系實(shí)際詳細(xì)剖析單片機(jī)控制直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的過(guò)程。 本 畢業(yè)設(shè)計(jì)論 文 參考 了大量的 數(shù) 據(jù)，借 鑒 了不少 專(zhuān) 家、 學(xué) 者和 單 片機(jī)愛(ài) 好者的著作、 學(xué)術(shù)論 文、交流 討論 文章和 經(jīng)驗(yàn) 心得等，在此 對(duì) 他 們 表示最誠(chéng)摯 的感 謝 ！本 論 文在 寫(xiě) 作 時(shí) 同 樣 得到了指 導(dǎo) 教 師 趙秀婷 的 幫 助，在此也表示衷心的 謝 意！ 由于本人水平有限，加之時(shí)間倉(cāng)促，其中 難 免存在 錯(cuò)誤 和不足之 處 ，還望指導(dǎo)老師批評(píng)指正。 3 第 1 章 單片機(jī)概述 單片機(jī) 概述 單片機(jī)自 20 世紀(jì) 70 年代問(wèn)世以來(lái)，作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，得到了快速的發(fā)展。它以體積小、功能全、價(jià)格低等特點(diǎn)，贏得了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)滲透到了社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。 單片機(jī)（ singlechip microputer） 是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力（算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、 中斷處理等）的微處理器（ CPU）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（ RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ ROM）、輸入輸出接口電路（ I/O）、串行通信口（ SCI）、脈寬調(diào)制電路（ PWM）、定時(shí)計(jì)算器、 A/D 轉(zhuǎn)換器及 D/A 轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊半導(dǎo)體硅片上，這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確 、迅速、高效的完成設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)，這樣的一塊具有一臺(tái)計(jì)算機(jī)的屬性，可以構(gòu)成一個(gè)最小而完善的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的電路芯片就稱(chēng)為單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)。 目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢(shì)將是進(jìn)一步向著CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體） 化、低功耗、小體積、 大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。下面是單片機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)。 CMOS 化 CMOS（ Complementary Metal Oxide Semiconductor） 電路的特點(diǎn)是低功耗、高密度、低速度、低價(jià)格。采用雙極型半導(dǎo)體工藝的 TTL電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術(shù)和工藝水平的提高，又出現(xiàn)了 HMOS（高密度、高速度 MOS）和 CHMOS 工藝。 低功耗化 單片機(jī)的功耗已從 Ma 級(jí)，甚至 1uA 以下；使用電壓在3~6V 之間，完全適應(yīng)電池工作。低功耗化的效應(yīng)不僅是功耗低，而且?guī)?lái)了 產(chǎn)品的高可靠性、高抗干擾能力以及產(chǎn)品的便攜化。 低電壓化 幾乎所有的單片機(jī)都有 WAIT、 STOP 等省電運(yùn)行方式。允許使用的電壓范圍越來(lái)越寬，一般在 3~6V 范圍內(nèi)工作。低電壓供電的單片機(jī)電源下限已可達(dá) 1~2V。目前 供電的單片機(jī)已經(jīng)問(wèn)世。 低噪聲與高可靠性 為提高單片機(jī)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng) 4 惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求 。 大容量化 以往單片機(jī)內(nèi)的 ROM 為 1KB～ 4KB， RAM 為 64～ 128B。但在需要復(fù)雜控制的場(chǎng)合， 該存儲(chǔ)容量是不夠的，必須進(jìn)行外接擴(kuò)充。為了適應(yīng)這種領(lǐng)域 的要求， 運(yùn)用新的工藝，使片內(nèi)存儲(chǔ)器大容量化。目前，單片機(jī)內(nèi) ROM 最大可達(dá) 64KB， RAM 最大為 2KB。 高性能化 主要是指進(jìn)一步改進(jìn) CPU 的性能，加快指令運(yùn)算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡(jiǎn)指令集（ RISC）結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，可以大幅度提高運(yùn)行速度。 小容量、低價(jià)格化 與上述相反，以 4 位、 8 位機(jī)為中心的小容量、低價(jià)格化也是發(fā)展動(dòng)向之一。這類(lèi)單片機(jī)的用途是把以往用數(shù)字邏輯集成電路組成的控制電路單片化，可廣泛用于家電產(chǎn)品。 外圍電路內(nèi)裝化 這也是 單片機(jī)發(fā)展的主要方向。隨著集成度的不斷提高，有可能把眾 多的各種 外 圍功能器件集成在片內(nèi)。除了一般必須具有的 CPU、 ROM、 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器等以外，片內(nèi)集成的部件還有模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器、 DMA 控制器、聲音發(fā)生器、監(jiān)視定時(shí)器、液晶顯示驅(qū)動(dòng)器、彩色電視機(jī)和錄像機(jī)用的鎖相電路等。 串行擴(kuò)展技術(shù) 在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，通用型單片機(jī)通過(guò)三總線結(jié)構(gòu)擴(kuò)展外圍器件成為單片機(jī)應(yīng)用的主流結(jié)構(gòu)。隨著低價(jià)位 OTP（ One Time Program）及各種類(lèi)型片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的發(fā)展，加之 外 圍接口不斷進(jìn)入片內(nèi)，推動(dòng)了單片機(jī) “ 單片 ” 應(yīng)用結(jié)構(gòu)的發(fā)展。特別是 IC、 SPI 等串行總線的引入，可以使單片機(jī)的 引腳設(shè)計(jì)得更少，單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化及規(guī)范化。 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域 單片機(jī)的特點(diǎn) 單片機(jī)把微型計(jì)算機(jī)的主要功能都集成在一塊芯片上，即一塊芯片就是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)。因此，單片機(jī)具有以下特點(diǎn) : （ 1）較高的性價(jià)比 目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，有些單片機(jī)的芯片價(jià)格只有幾十元人民幣，再加上很少的外圍器件，就可以構(gòu)成一臺(tái)多功能的控制機(jī)構(gòu)。 5 （ 2）集成度好，體積小，可靠性好 單片機(jī)把各種功能不見(jiàn)集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線大大的提高了單片機(jī)的可靠性及其抗干擾能力。 （ 3）控制功能強(qiáng) 單片機(jī)指令系統(tǒng)、硬件資源豐富，能充分滿足工業(yè)控制的各種要求。 （ 4）低電壓，低功耗。 （ 5）開(kāi)發(fā)周期短，易于產(chǎn)品化 可根據(jù)需要構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。 單片機(jī)的 應(yīng)用領(lǐng)域 單片機(jī)的應(yīng)用范圍很廣，在社會(huì)生產(chǎn)的方方面面都得到了廣泛的應(yīng)用。 （ 1）工業(yè)自動(dòng)化 如工廠流水線的智能化管理、電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)。 （ 2）智能儀器儀表 單片機(jī)用于各種儀器儀表，結(jié)合不同類(lèi)型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度等物理 的測(cè)量。 （ 3）辦公自動(dòng)化領(lǐng)域 現(xiàn)代的辦公室所使用的大部分現(xiàn)代產(chǎn)品多數(shù)都采用了單片機(jī)，如打印機(jī)、繪圖儀、復(fù)印機(jī)等等。 （ 4）日常用品及家用電器領(lǐng)域 從電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)機(jī)、數(shù)碼相機(jī)及其它視頻音像設(shè)備到智能卡、電子寵物等，形形色色，無(wú)處不在。 （ 5）通信領(lǐng)域 單片機(jī)普遍具有通信接口，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的智能控制，從手機(jī)、電話機(jī)、小型程控交換機(jī)再到日常生活中的集群移動(dòng)通信、限線對(duì)講機(jī)等。 （ 6）商業(yè)營(yíng)銷(xiāo) 采用單片機(jī)構(gòu)成專(zhuān)用系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在了電子稱(chēng)、收款機(jī)、條形數(shù)碼閱讀 器、倉(cāng)儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、冷凍保鮮系統(tǒng)等生活當(dāng)中的方方面面，極大的服務(wù)了人民。 （ 7）汽車(chē)電子與航空航天電子系統(tǒng) 這些電子系統(tǒng)中的集中顯示系統(tǒng)、車(chē)上娛樂(lè)系統(tǒng)、車(chē)載安全裝置、導(dǎo)航系統(tǒng)、動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、等都是采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。 雖然大多數(shù)普通單片機(jī)都具有熔絲燒斷保護(hù)單片機(jī)內(nèi)代碼的功能，但由于通用低檔的單片機(jī)并非定位于制作安全類(lèi)產(chǎn)品，因此，它們往往沒(méi)有 6 提供有針對(duì)性的防范措施且安全級(jí)別較低。加上單片機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合廣泛，銷(xiāo)售量大，廠商間委托加工與技術(shù)轉(zhuǎn)讓頻繁，大量技術(shù)資料外瀉，使得利用該類(lèi)芯片的設(shè)計(jì)漏 洞和廠商的測(cè)試接口，并通過(guò)修改熔絲保護(hù)位等侵入型攻擊或非侵入型攻擊手段來(lái)讀取單片機(jī)的內(nèi)部程序變得比較容易。 目前世界上生產(chǎn)單片機(jī)的廠商眾多，迄今為止，主要的生產(chǎn)廠家有：美國(guó)的英特爾（ Intel）、摩托羅拉（ Motorola）、奇洛格（ Zilog）、微芯（ Microchip）、艾特梅爾（ Atmel）、國(guó)家半導(dǎo)體（ NS）、洛克威爾（ Rockwell）、德克薩斯儀器（ TI）等公司和日本的 NEC、東芝、日立、松下等公司以及荷蘭的飛利浦。德國(guó)的西門(mén)子公司，到目前為止， 8 位單片機(jī)仍是單片機(jī)市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，表 11 給出了 世界上較為著名的 8 位單片機(jī)生產(chǎn)廠商和產(chǎn)品。 表 11 PCON 寄存器的位定義 美國(guó)英特爾公司 MCS51 系列及其增強(qiáng)型、擴(kuò)展型系列 美國(guó)摩托羅拉公司 MC6801 系列和 MC680 MC68HC05 系列 美國(guó)奇洛格公司 Z8 系列和 super8 系列 美國(guó)艾特梅爾公司 AT89C5 AT89C52 系列 日本東芝公司 TLCS870 系列、 90 系列 日本日立公司 HD630 HD630 HD63L05 日本電氣公司 uCOM87 系列 日本松下公司 MN6800 系列 荷蘭飛利浦公司 8 C552 系列、 P89C5系列 德國(guó)西門(mén)子公司 SAB80 系列（ MCS51 內(nèi)核） 這些單片機(jī)以體積小、功能全、價(jià)格低等一系列特點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外都獲得了廣泛的應(yīng)用，人們對(duì)于單片機(jī)的功用范圍也提出了更高的要求，單片機(jī)的功能也越來(lái)越強(qiáng)大！ 7 第 2 章 MCS51 系列 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 MCS51 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu) MCS51 是英特爾公司生產(chǎn)的 8 位高檔單片機(jī)系列，具有體積小、功能全、面向控制、開(kāi)發(fā)應(yīng)用方便等特點(diǎn)是測(cè)控領(lǐng)域當(dāng)中較理想的八位微型計(jì)算機(jī)。 MCS51 系列單片機(jī)芯片有許多種，但是它們的 基本組成和基本性能是相同的。圖 21 所示是按功能劃分的 MCS51 系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。 圖 21 MCS51 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 該圖中可以看出其各個(gè)功能部件是由內(nèi)部總線緊密聯(lián)系在一起的。其基本機(jī)構(gòu)如下所示 : （ 1） 1 個(gè) 8 位中央處理器 單片機(jī) CPU 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有算術(shù)邏輯運(yùn)算單元 ALU、累加器 ACC、程序狀態(tài)寄存器 PSW、堆棧指針 SP、寄存器 B、程序計(jì)數(shù)器（指令指針） PC、數(shù)據(jù)指針 DPTR、指令寄存器 IR、暫存器（ TMP）等部件構(gòu)成。單片機(jī) CPU 運(yùn)算器內(nèi)部包含一個(gè)專(zhuān)門(mén) 進(jìn)行位數(shù) 8 據(jù)操作的布爾處理機(jī)，增加了面向控制的處理能力，可以進(jìn)行位尋址等功能。 （ 2） 4K 字節(jié) ROM， 128 字節(jié) RAM 片內(nèi) 4K 字節(jié) ROM 存儲(chǔ)器為片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)程序和表格。片內(nèi) 128 字節(jié) RAM 為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，用于存儲(chǔ)單片機(jī)運(yùn)行期間的工作變量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等。 （ 3） 21 個(gè)特殊功能寄存器 特殊功能寄存器反映了單片機(jī)的工作狀態(tài)，它和單片機(jī) CPU 芯片的引腳和內(nèi)部功能的控制有關(guān)，實(shí)際上是狀態(tài)字和控制字寄存器，是一個(gè)具有特殊功能的片內(nèi) RAN 區(qū)。用于 CPU 對(duì)片內(nèi)各功能部件進(jìn)行管理、控制和監(jiān)視等。 （ 4） 4 個(gè) 8 位并行輸入輸出接口 I/O 口 4 個(gè) 8 位并行輸入輸出接口P0 口、 P1 口、 P2 口和 P3 口（共 32 根線），用于并行輸入和輸出數(shù)據(jù)。 （ 5） 1 個(gè)全雙工串行 I/O 接口 全雙工串行口具有 4 種工作方式，用于單片機(jī)和其他微機(jī)之間的串行通信，可構(gòu)成對(duì)及系統(tǒng)。 （ 6） 兩個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 片內(nèi)兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T0和 T1，有 4 種工作方式，用于精確定時(shí)（或延時(shí)）控制及其對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)。 （ 7） 中斷系統(tǒng) 有 5 個(gè)中斷系統(tǒng)， 2 個(gè)可編程優(yōu)先級(jí)的 中斷系統(tǒng)，用于外部中斷申請(qǐng)，串行口中斷申請(qǐng)和定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器中斷申請(qǐng)。 （ 8） 片外可尋址 64K 程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間 片外最多可擴(kuò)展 64K 程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。 （ 9） 單一的 +5V 電源 片內(nèi)振蕩器和定時(shí)電路，最高主時(shí)鐘頻率為12MHz。 由以上可以看出，單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類(lèi)齊全的特點(diǎn)，其基本組成和一般微型計(jì)算機(jī)是相同的，它只不過(guò)是把計(jì)算機(jī)的基本功能部件集成到了一塊芯片上，具有完成特定功能的微型計(jì)算機(jī)。 MCS51 單片機(jī)的引腳及其功能描述 MCS51 系列單片機(jī)芯 片的引腳均為 40 只引腳，制造工藝為 HMOS 9 （高密度溝道 MOS 工藝），采用雙列直插（ DIP）封裝形式， 4 個(gè)并行 I/O口（ P0～ P1）共有 32 根引腳，可分別用作地址線，數(shù)據(jù)線和 I/O 線。另外還有 4 根控制信號(hào)引腳， 2 根時(shí)鐘引腳， 2 根電源線引腳。其引腳功能如下 ： （ 1） I/O 口引腳 ～ P0 口 8 位雙向口線（在引腳的 32～ 39號(hào)端子） ，是一個(gè) 8 位漏極開(kāi)路的三態(tài)雙向 I/O 口，當(dāng)使用外部存儲(chǔ)器時(shí)為地址總線及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可以驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。 P0 口有三個(gè)功能 : ① 外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)， 當(dāng)作 數(shù)據(jù)總線（如圖 22 中的 D0～ D7為數(shù)據(jù)總線接口） ② 外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線（如圖 22 中的 A0～A7 為地址總線接口） ③ 做擴(kuò) 展時(shí)，可做一般的 I/O 使用，但內(nèi)部無(wú)上拉電阻，作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上拉電阻。 P1 口： ～ P1 口 8 位雙向口線（在引腳的 1～ 8 號(hào)端子） ，是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，是一個(gè)通用單一功能的 I/O 端口，可驅(qū)動(dòng)