基于MSP430单片机的多功能直流电机驱动器实验

.z信息工程系课程设计报告书题目:基于MSP430单片机的多功能直流电机驱动器摘要本设计介绍了一种基于MSP430单片机实现的单闭环直流电机的调速系统，随着我国工业的开展，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。由于MSP430系列的单片机具有处理能力强、运算速度快、集成度高、外部设备丰富、超低功耗等优点,本设计介绍了一种基于MSP430单片机实现的单闭环直流电机的调速系统，该系统利用MSP430单片机的Timer-A模式产生PWM波，通过改变PWM波的占空比来控制电机的速度，并着重介绍了PWM的调速原理。其中采用光耦隔离的方法实现单片机与外部电路之间的电气隔离，PWM波经过功率驱动芯片放大后控制直流电机的电枢电压进展平滑调速并由霍尔元件检测出直流电机转速构成的速度反应，设置四个独立性键盘分别控制电机的正反转、加速和减速，最后通过LED动态显示出直流电机的转速。采用MSP430单片机控制直流电机的转速取代了以往的模拟控制，使控制精度高，而且方便系统的升级和改良，灵活性和适应性更强。关键词：MSP430PWM调速直流电机目录摘要4目录51任务提出与方案论证21.1课题研究的目的意义21.2主要内容及方法手段22具体电路设计42.1系统设计原理42.2单片机的最小系统42.3PWM波调速72.4电机驱动电路92.5LED显示112.6测速电路123总结143.1总结14参考文献15-.z1任务提出与方案论证1.1课题研究的目的意义设计目的随着我国工业的开展，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。根据当前单片机开展的趋势，以TI公司的MSP430系列单片机，全面的用来控制直流电机，旨在实现直流电动机的平滑调速，即可平滑改变电动机电枢电压，实现电动机升速、降速、正转和反转等功能。设计的意义直流电动机是最早实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。随着生产技术的开展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速*围、静态特性、动态响应等方面提出了更高的要求，这就要求大量使用直流调速系统。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。1.2主要内容及方法手段主要内容该系统利用MSP430单片机实现直流电机的单闭环调速系统，通过单片机的片内设计和外围模块完成整个电路设计。其中通过MSP430F149的Timer-A模式产生PWM输出以生成控制信号，外围模块主要是光耦隔离、驱动、键盘、LED、霍尔传感器的设计。方法手段介绍了一种基于MSP430单片机实现的单闭环直流电机的调速系统，该单片机利用MSP430F149的Timer-A模式产生PWM输出以生成控制信号，将PWM波通过光耦TLP521实现单片机与外部电路之间的电气隔离，经过功率驱动芯片L298放大后控制直流电机的电枢电压进展平滑调速并由霍尔元件检测直流电机转速构成的速度反应，通过四个独立性键盘分别控制电机的正转、反转、加速和减速，最后通过LED动态显示出电机的转速和正反转状态。下列图1-1为系统硬件构造简图。MSP430MSP430显示电源键盘电气隔离电气隔离驱动M测速元件接口电路图1-1系统硬件构造简图2具体电路设计2.1系统设计原理系统主要由MSP430单片机及其最小系统、直流电机、驱动、键盘、LED显示、霍尔元件等组成。其中，MSP430单片机是整个调速系统的核心。在MSP430单片机为核心的控制系统中，MSP430F149的Timer-A可以产生PWM波，通过设置的四个独立性键盘，其中两个用来改变单片机产生PWM的占空比，MSP430F149通过P1.2口输出PWM波经过光耦TLP521-1隔离和反相器求反后送给电机驱动芯片L298的使能端ENA，控制直流电机的转速。另外两个键盘用来改变电机的正反转状态，MSP430F149的P2.0和P2.1端口输出值经光耦TLP521-2隔离后送给电机驱动芯片L298的IN1和IN2端口，以确定直流电机的正反转方向；霍尔元件与电机同轴连接作为电机的测速装置，将脉冲信号反应到单片机，LED实时的显示出脉冲信号的个数，即电机的转速。2.2单片机的最小系统单片机MSP430F149的最小系统包括：电源、复位电路、晶体。电源由于整个系统采用5V和3.3V供电，电机采用12V供电，又考虑到硬件系统要求电源具有稳压功能和纹波小的特点，另外也考虑到硬件系统的低功耗等特点，因此该硬件系统的电源先用LM7805稳压为5V给外围模块电路供电，再用SP*1117芯片稳压到3.3V电压，给CPU和3.3V外设供电，用LM7812稳压为12V给电机供电。如图3-1(a)双路稳压电源，3-1(b)单片机电源。控制局部的直流电动机的额定电压为12V，逻辑元件需要+5V的直流电源。我们采用双路输出的直流稳压电源。线性直流稳压电源电路较成熟，稳定度高，纹波小，干扰小且电路简单，对于固定式三端稳压器主要有7800系列〔输出正电压〕和7900系列〔输出负电压〕，后两位数字通常表示输出电压的大小。图3-1〔a〕双路稳压电源由上图可见，这个双路输出的直流稳压电源构造十分简单，只用了一个220V变12V的变压器，一个整流桥，两块稳压集成电路〔7812和7805〕和4个电容。图中C1是一个大容量的电解电容，起到低频滤波的作用。由于C1本身的电解比拟大，对高频交流成分的滤波效果比拟差，所以为了改善滤波电路的高频抑制特性，在C1旁边并联一个高频滤波性能较好的小电容C2。而直流稳压电路输出端的电容C3和C4是用作改善稳压电源电路的瞬态负载响应特性。图3-1〔b〕单片机电源SP*1117是一个低功耗正向电压调节器，它的一个特性是3端可调节〔电压可选：1.5V，1.8V，2.5V，3.0V，3.3V，及5V〕；2.2uF陶瓷电容即可保持稳定。它可以用在一些高效率，小封装的低功耗设计中。SP*1117有很低的静态电流，在满负载时其低压差仅为1.1V。当输出电流减少时，静态电流随负载变化，并提高效率。SP*1117可以提供多种3引脚封装，一个10uF的输出电容可有效的保证稳定性，然而在大多数应用中仅需一个更小的2.2uF电容。为了确保SP*1117的稳定性，输出端至少需要一个2.2uF钽/陶瓷电容或10uF的铝电容。其值可以根据输出负载/温度*围的要求变动。也可以选用一个更大的输出电容值〔100uF〕以增长负载瞬态响应。为了使电源的输出纹波较小和降低其对整个系统的干扰，在输入端和输出端连接两个电容以滤除高频和低频干扰，在输出端得到稳定的直流工作电压。复位电路为了使系统上电后很好的复位，使其处于稳定的运行状态。一般简单的复位电路可以采用RC复位，但是很不稳定，可靠性不高，尤其在高速和庞大的系统中使根本不能采用的，在MSP430系统中，我们都采用专门的复位芯片来提高系统的稳定性和可靠性。在这里采用SP708S，该芯片提供可靠的复位。图3-2为复位电路图。图3-2复位电路图SP708S系列属于微处理器监控器件。其集成有众多组件，所以它可以有效的增强系统的可靠性及工作效率。它适用于3V和3.3V环境。手动复位，其输入为低电平有效。PFI供电失败信号输入如果没有使用该引脚可以将PFI连接至地或VCC。NC无连接。RST高电平有效RST输出输出为的补充，一旦RST为高，为低，反之亦然。SP708S仅有一个复位输出。供电失败信号输出。SP708S在上电、下电及掉电情况下复位输出；一个低电平手动复位允许外部按键开关产生RST信号。由图3-2所示，当按下RESET时低电平有效，RST高电平有效RST输出，为单片机提供复位信号。晶体单片机内部有时钟模块只需要外接震荡元件即可工作。外接震荡元件一般选用晶体振荡器。单片机的根底时钟有低频晶体振荡器、高频晶体振荡器及数字控制振荡器。低频振荡器支持超低功耗，它在低频模式下使用一个32KHZ的晶体，32KHZ的晶体连接在*IN和*OUT引脚上，不需要任何电容，在低频模式下内部集成了电容。低频振荡器也支持高频模式和高速晶体，但连接时每端必须加电容。电容大小根据所接晶体频率的上下来选择。高频振荡器作为MSP430F149的第二晶体振荡器，与低频相比，其功耗更大。它需要外接在*IN2和OUT2两个引脚，而且必须外接电容。图3-3为高速晶体和低速晶体的连接图。图3-3(a)高速晶体连接图图3-3〔b〕低速晶体连接图如图3-3〔a〕所示，*IN2和*OUT2连接高速晶体8MHZ,同时附有两个电容。图3-3〔b〕所示*IN和*OUT连接12KHZ的低速晶体。2.3PWM波调速直流电机PWM的调速原理脉宽调制控制技术通常简称为PWM控制技术，是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期已到达变压目的，或控制电压脉冲的宽度或周期以到达变压变频目的的一种控制技术。图3-4给出了PWM调速系统的工作原理电路及其输出波形。图3-4〔a〕PWM工作原理图图3-4〔b〕PWM输出波形图假设Vi先导通T1秒，然后又关断T2秒，如此反复进展，可得到图3-4(b)的波形图。可以得到电机电枢端的平均电压Ua，如公式(3-1)。=(3-1)其中=(3-2)可定义为占空比。设定输入电压Ud不变，越大，电机电枢端的平均电压Ud越大，反之也成立。故改变值就可以到达调压的目的。改变有三种方法：第一种就是T1保持不变，使T2在0到无穷之间变化；第二种就是T2不变，使T1在0到无穷之间变化；第三种就是T保持不变，使T1在0到T变化，在此改变占空比采用的是第三种方法。Timer-A实现PWM1．MSP430单片机的Timer-A特性具有16位计数器，4种工作模式。具有多种可选的计数器时钟源。具有3个或者5个可配置的捕获/比拟存放器。支持多时序控制、多个捕获/比拟功能及多种输出波形(PWM)。具有异步输入、输出锁存功能。没有自动重载时间常数功能，但产生的定时脉冲或PWM信号没有软件带来的误差。能捕获外部事件发生的时间，锁定其发生时的上下电平。具有完善的中断效劳功能。具有8种输出方式选择，3个可配置输出单元。2．Timer-A构造(1)计数器局部计数器局部用来完成时钟源的选择与分频、模式控制及计数等功能。输入的时钟源具有4种选择，所选定的时钟源又可以1、2、4或8分频作为计数频率，Timer-A可以通过选择4种工作模式灵活的完成定时/计数功能。(2)捕获/比拟存放器捕获/比拟存放器用于捕获事件发生的时间或产生的时间间隔，捕获比拟功能的引入主要是为了提高I/O端口处理事务的能力和速度。捕获/比拟器相互之间工作完全相互独立。(3)输出单元输出单元用于产生用户所需要的输出信号。Timer-A具有可选的8种输出模式，支持PWM输出。2.4电机驱动电路电气隔离电路光耦TLP521将控制电路与主电路隔离开，防止主电路对单片机造成冲击，以确保单片机的正常工作。图3-8为光耦TPL521-1实现MSP430单片机的P1.2/TA1输出端口与驱动芯片L298的ENA口之间的电气隔离电路图。图3-8电气隔离电路由图3-8所示，当TLP521-1得输入端Vin为高电平时，对应的输出端Vout为低电平；输入端Vin为低电平时，对应的输出端Vout为高电平。因此为了保证MSP430的P1.2/TAL输出PWM波的极性，在TLP521-1的输出端接反相器74HC14后再送给电机驱动芯片L298的使能输入端ENA来驱动电机。驱动电路图3-9为驱动电路。在L298的内部集成有两个桥式电路的电机驱动芯片，在此只用到了其中的一个。H桥驱动电路是由四个开关管构成，这样很方便实现直流电机的四象限运行。我们可以根据四个开关管进展控制，使其能够进展正反转的调速功能控制。其中V1和V4为一组，V2和V3为一组，两种状态互补，一组导通则另一组必须关断。以电机正转为例，当IN1为高电平时，V1和V4导通时，V2和V3关断，电机两端加正向电压，可以实现电机正转。图3-9驱动电路如图3-9所示，单片机MSP430F149通过P1.2/TA1输出PWM波经过光耦TLP521-1隔离和反相器74HC14求反后送给电机驱动芯片L298的使能端ENA，控制直流电机的转速。MSP430F149的P1.0和P1.1端口输出值经光耦TLP521-2隔离后送给电机驱动芯片L298的IN1和IN2端口，以确定直流电机的正反转方向。当IN1为高电平时电机正转，当IN2为高电平时电机反转。L298的两个输出与电机的两端相连。同时要在电机的两端连接四个续流二极管，当电机的正反转状态发生改变时，电枢电流方向不能立刻改变，需用二极管续流，以免在电机内产生强大的冲击电流烧坏电机。1.L298的逻辑控制L298内部有2个功能完全一样的驱动模块，每个模块能控制一个直流电机调速。本文设计只用其中一个模块。对于另外一个模块的三个引脚选择悬空。该模块有三个控制输入端口：ENA、IN1、IN2。ENA接PWM波，控制电机的转速；IN1、IN2用来组合控制电机的转向。控制输入端的电平和电机转动状态的对应关系如表3-10所示。其中H表示控制输入端为高电平，L表示低电平，*表示为低电平或者高电平。表3-10L298对直流电机控制的逻辑真值表电机状态引脚ENAIN1IN2正转HHL反转HLH快速停顿H**自由停顿L**由上表可以看出，当ENA为高电平，控制芯片使能，IN1控制电机的正转方向，IN2控制电机的反转方向。当IN1、IN2输入状态不同时，电机旋转，且电机旋转方向与高电平控制有关，即当IN1为高电平IN2为低电平时电机正转，当IN2为高电平IN1为低电平时电机反转；当IN1、IN2输入状态一样时电机快速停顿。当ENA为低电平时芯片制止使用，无论IN1、IN2为任何输入状态，电机都会自由停顿。2.L298的控制时序图图3-11为L298内部三极管根据输入信号变化的时序图。由图3-10可以看出，PWM波只有一种极性，当IN1为高电平IN2为低电平时OUT1输出波形与PWM波形一样；当IN2为高电平IN1为低电平时OUT2输出波形与PWM波形一样。图3-11L298控制时序图2.5LED显示在显示中使用共阳数码管显示直流电动机的转速，为了节省I/O口，我们使用74LS47来把BCD码转换成七段LED显示，所以在单片机中输出转速的数值要用BCD表示。下面给出LED与单片机的接口电路图，如图3-12。74LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器，74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字，通过它解码，可以直接把数字转换为数码管的显示数字，然后我们就能看到从0-9的数字。从而简化了电路，节约了单片机的I/O端口问题。下面是74LS47几个引脚的介绍。(1)LT:试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。当LT=0时，无论输入A3，A2，A1，A0为何种状态，译码器输出均为低电平，假设驱动的数码管正常，是显示8。(2)BI：灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。BI=0时，不管LT和输入A3，A2，A1，A0为何种状态，译码器输出均为高电平，使共阳极数码管熄灭。(3)RBI：灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。当对每一位A3，A2，A1，A0均为0时，本应显示0，但是在RBI=0作用下，使译码器输出全为高电平。其结果和参加灭灯信号的结果一样，将0熄灭。(4)RBO：灭零输出，它和灭灯输入BI共用一端，两者配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。图3-12LED与单片机接口的硬件图由图3-12可以看出，单片机的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7作为BCD码的输出口，分别与74LS47的A、B、C和D引脚相接。单片机的P3.0、P3.1、P3.2分别作为LED的由低位到高位的选通脚，它们所对应的LED显示电机的转速。P3.3、P3.4分别对应LED显示电机的正反转状态，当P3.3为高电平时对应的LED显示1，电机正转；当P3.4为高电平时对应的LED显示1，电机反转。设计中我采用了通过控制三极管来选通LED的方法。所使用的三极管是9014，该三极管是NPN管，当给它一个高电平时就导通，给它低电平时截止。由于LED正常的工作电压为3.5V左右，如果直接给LED选通端接5V电压，LED可能会烧毁，所以先接两个压降为0.7V的普通二极管进展降压后再送到三极管的集电极。这样做可以保证LED能正常地工作。2.6测速电路在硬件设计中要求将电机的速度检测出来，并实时的显示在LED上，测速电路如图3-13。图3-13测速电路如图3-13所示，将CD40106的输入引脚1与CS3020的输出端相连，输出引脚2与单片机MSP430F149的P1.3连，对脉冲进展计数，引脚14接电源，引脚7接地。其中P1.3是运用了单片机MSP430F149引脚的第二功能，即捕获功能，可以捕捉到脉冲的触发沿，从而可以记录到脉冲的个数。选用霍尔元件CS3020作为测速的传感器，在电机转轴的圆周上黏上磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，转轴旋转时，就会不断有信号脉冲输出。在电机的转叶上贴上两片小磁钢，则电机每转一圈霍尔传感器输出两个脉冲。将输出的两个脉冲经过施密特反相器，最后将脉冲反应到单片机进展计数。CS3020可组成转速计探头。该探头由霍尔元件CS3020和磁钢组成测量电路。将2个小磁钢对称固定于被测对象的旋转主轴上，当小磁钢测量磁路时，霍尔元件输出高电平，其他时间输出为低电平，这样圆盘每转一周，电路输出2个脉冲，在软件中可以设置定时时间为0.5S,这样可测出被测对象的实际转速。CD40106由六个施密特触发器电路组成，每个电路均为在两个输入端具有施密特触发的反相器。触发器在信号的上升沿和下降沿的不同点开、关。在本设计中只用到了它的一个电路。其中用到引脚1数据输入端、2数据输出端、14电源端、7接地端.施密特触发器可用于波形变换，将边沿变化缓慢的周期性信号变为边沿很陡的矩形脉冲信号。用于脉冲整形，可以调节脉宽展宽的程度。用于定时，将产生固定时间宽度的脉冲信号。图3-14为CD40106整形后的波形图。图3-14CD40106整形后的波形图3总结3.1总结在基于MSP430单片机的直流电机调速系统中利用了MSP430的Timer-A模式产生PWM输出以生成控制信号，能够理想的实现直流电机的调速控制。其中硬件部件有MSP430单片机、固定式三端稳压器LM7805，LM7812、SP*1117、复位芯片SP708S、独立式键盘、LED、光耦TL