基于msp430单片机的多功能直流电机驱动器 实验

信信 息息 工工 程程 系系 课课 程程 设设 计计 报报 告告 书书 题目题目: :基于 MSP430 单片机的多功能直流电机驱动器 2 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 着我国工业的发展，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行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馈， 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进，灵活性和适应性更强。 关键词：MSP430 PWM 调速 直流电机 目录目录 摘要摘要 4 4 目录目录 5 5 1 1 任务提出与方案论证任务提出与方案论证 2 2 1.1 课题研究的目的意义2 1.2 主要内容及方法手段2 2 2 具体电路设计具体电路设计4 4 2.1 系统设计原理.4 2.2 单片机的最小系统.4 2.3 PWM 波调速.7 2.4 电机驱动电路 9 2.5 LED 显示11 2.6 测速电路 .12 3 3 总结总结1414 3.1 总结 1414 参考文献参考文献 1515 2 1 1 任务提出与方案论证任务提出与方案论证 1.11.1 课题研究的目的意义课题研究的目的意义 1.1.1 设计目的 随着我国工业的发展，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 单片机发展的趋势，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。 1.1.2 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。随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调 速精度、调速范围、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。 1.21.2 主要内容主要内容及方法手段及方法手段 1.2.1 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。 信息工程学院课程设计（论文） 3 1.2.2 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行平滑调速并由霍尔元件检测直流电机转速构成的 速度反馈，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。下图 1-1 为系统硬件结构简图。 图 1-1 系统硬件结构简图 MSP430 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 4 2 具体电路设计 2.12.1 系统设计原理系统设计原理 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，将脉冲信号反馈到单片机，LED 实 时的显示出脉冲信号的个数，即电机的转速。 2.22.2 单片机的最小系统单片机的最小系统 单片机 MSP430F149 的最小系统包括：电源、复位电路、晶体。 2.2.1 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 SPX1117 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。 控制部分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。 信息工程学院课程设计（论文） 5 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结构十分简单，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 本身的电解比较 大，对高频交流成分的滤波效果比较差，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 SPX1117 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，1.8 V，2.5 V，3.0 V，3.3 V，及 5 V） ；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。SPX1117 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。SPX1117 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 SPX1117 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/ 温度范围的要求变动。也可以选用一个更大的输出电容值（100uF）以增长负载瞬态 6 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。 2.2.2 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。 MR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 RST 的补充，一旦 RST 为高，RST为低，反之亦然。SP708S 仅有一个复位输出。 PFO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MR低电平有效，RST 高电平有效 RST 输出， 为单片机提供复位信号。 2.2.3 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。单片机的基础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 信息工程学院课程设计（论文） 7 的晶体连接在 XIN 和 XOUT 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高低来选择。 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 XIN2 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，XIN2 和 XOUT2 连接高速晶体 8MHZ, 同时附有两个电容。 图 3-3（b）所示 XIN 和 XOUT 连接 12KHZ 的低速晶体。 2.32.3 PWMPWM 波调速波调速 2.3.1 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达到变压目的， 或控制电压脉冲的宽度或周期以达到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，如此反复进行，可得到图 3-4(b)的波 8 形图。可以得到电机电枢端的平均电压 Ua，如公式(3-1)。 a U =T T1 d U (3-1) 其中 =T T1 (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。故改变值就可以达到调压的目的。 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。 2.3.2 Timer-A 实现 PWM 1 MSP430 单片机的 Timer-A 特性 1)具有 16 位计数器，4 种工作模式。 2)具有多种可选的计数器时钟源。 3)具有 3 个或者 5 个可配置的捕获/比较寄存器。 4)支持多时序控制、多个捕获/比较功能及多种输出波形(PWM)。 5)具有异步输入、输出锁存功能。 6)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。 7)能捕获外部事件发生的时间，锁定其发生时的高低电平。 8)具有完善的中断服务功能。 9)具有 8 种输出方式选择，3 个可配置输出单元。 2 Timer-A 结构 (1)计数器部分 计数器部分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/比较寄存器 捕获/比较寄存器用于捕获事件发生的时间或产生的时间间隔，捕获比较功能的 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/比较器相互之间工作完 全相互独立。 信息工程学院课程设计（论文） 9 (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。 2.42.4 电机驱动电路电机驱动电路 2.4.1 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。 2.4.2 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 10 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行控制，使其能够进行正反转的调速 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 个功能完全相同的驱动模块，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，X 表示为低电平或者高电 平。 表 3-10 L298 对直流电机控制的逻辑真值表 引脚电机状态 ENAIN1IN2 正转HHL 反转HLH 快速停止HXX 自由停止LXX 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 输入状态相同时电机快速停止。当 ENA 为低电平时芯片禁止使用，无论 IN1、IN2 为任何输入状态，电机都会自由停止。 2.L298 的控制时序图 信息工程学院课程设计（论文） 11 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 3-11 L298 控制时序图 2.52.5 LEDLED 显示显示 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，若驱动的数 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，不论 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。其结果和加入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。 12 图 3-12 LED 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 的普通二极管进行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。 2.62.6 测速电路测速电路 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。 信息工程学院课程设计（论文） 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，对脉冲进行计数，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，那么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，最后将脉冲反馈到单片机进行计数。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 3-14 CD40106 整形后的波形图 14 3 总结 3.13.1 总结总结 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、SPX1117、复位芯 片 SP708S、独立式键盘、LED、光耦 TLP521-1，TLP521-2、