毕业设计-基于单片机电梯门控制器毕业设计.doc

题 目：基于单片机电梯门控制器设计 i 摘摘 要要 伴随着我国现代化程度的提高，电梯成为高层建筑中的重要交通工 具。本文针电梯门的基本运行特点从分析和比较入手，引出本课题所需 要解决的问题，设计出一款电梯门机控制器，包括硬件和软件两方面的 内容。 本文分析了异步电动机 SPWM 变频调速的工作原理和技术要点， 异步电动机的变频控制系统采用单片机和智能功率模块作为核心。单片 机采用 16 位单片机 MSP430F149，该芯片中集成了许多功能模块，能 够简化系统的设计;功率器件使用三菱智能功率模块 PS21265AP DIP- IPM，其内置的驱动功能和保护功能能够大大的提高系统的可靠性。 系统的硬件设计部分按照功能和供电类型来划分，在基本的单片机 和功率器件的基础上设计用户操作界面和相关的电源、保护电路等，硬 件部分的大部分电路具有通用性，可以作为通用变频器的系统硬件。通 过软件编程实现相应的检测功能和输出控制功能，使用 C 语言编写软件， 具有语法简单、可移植性好和易于调试等优点。 关键词关键词: : 电梯门 变频调速 MSP430 单片机 SPWM 智能功率模块 ii 目目 录录 摘 要.i 目 录ii 第 1 章 前言1 1.1 课题的研究背景和意义1 1.2 课题所需要解决的问题1 1.3 课题的主要研究内容和目的2 第 2 章 MSP430F149 单片机的介绍.3 2.1 系统微处理器结构和原理.3 2.2 MSP430 单片机特点3 2.3 MSP430F149 部分功能模块 .3 第 3 章 电力电子器件与 SPWM 调速6 3.1 电力电子技术发展史.6 3.2 智能功率模块(IPM).7 3.3 基于 MSP430 单片机的电梯门控制器的设计.7 第 4 章 电梯门控制系统的设计需求9 4.1 电梯门控制器的工作环境9 4.2 门机变频控制器的控制模式9 4.3 系统的开门和关门过程10 4.4 用户界面的要求11 4.5 系统硬件总体构12 4.6 系统功率电路13 4.7 IPM 功率电源 13 4.8 IPM 功率驱动 13 4.9 IPM 驱动电源 15 4.10 IPM 驱动与隔离电路 16 4.11 系统低压电源的设计16 iii 4.12 低电压电源处理部分17 4.13 外部开关量输入与隔离电路17 4.14 继电器及驱动电路18 4.15 由 MSP430F149 组成的控制核心 .18 4.16 按键的设计19 4.17 显示电路的设计20 4.18 系统硬件连接埠的和接口设计20 4.19 硬件电路设计的注意事项21 第 5 章 系统的软件设计23 5.1 系统软件开发环境介绍.23 5.2 系统基本软件流程.24 5.3 系统的初始化.26 5.4 MSP430F149 温度保护的设计 .28 5.5 用户参数的 Flash 存储29 5.6 SPWM 控制信号的发生程序30 5.7 用户设置界面的软件设计.33 第 6 章 结 论35 致 谢37 参考文献38 第第 1 1 章章 前言前言 1.11.1 课题的研究背景和意义课题的研究背景和意义 近年来全控性功率器件如双极型晶体管(BJT)、绝缘栅双极型晶体 管(IGBT )、场效应管(MOSFET)以及新兴的智能功率模块的出现和迅速 发展，使得变频器中所使用的功率逆变器件的体积不断减小、功能不断 完善。尤其是最近出现的智能功率模块(IPM)，不但能提供一定的输出 功率，而且内部集成驱动电路和保护电路等，具有控制、监测和保护等 功能，制造工艺的发展使得 IPM 结构更加紧凑。 利用 SPWM 技术在较高的载波频率下工作，使得逆变器的输出波形 非常逼近于正弦波。使用全数字的控制方式不但能够简化电路，还能够 改善系统的可靠性和易用性，同时能够轻而易举地为系统添加监控、显 示和保护等功能。在电梯门机控制系统中使用集成度高、体积较小、运 行稳定的智能化专用控制设备是一种必然的发展趋势。 1.21.2 课题所需要解决的问题课题所需要解决的问题 (1) SPWM 在电动机变频调速控制中的应用，以及这种技术在微处 理器上的实现方法。如何在所选定 16 位单片机 MSP430F149 上稳定高效 的实现三相 SPWM 控制波形的输出问题。 (2)电梯系统中的外部控制信号以何种方式与控制器进行通讯，控 制器对外部输入的控制信号的响应方式。在不同的输入状态下控制器的 输出状态，以及控制器如何在各个状态之间切换。 (3)系统的抗干扰技术。异步电动机控制系统属于弱电控制强电的 系统，功率开关器件的导通和关断都会对系统造成很大的干扰，尤其是 工作电压较低的控制部分电路。同时，系统还会受到外界的干扰，也会 对外界的其他设备造成干扰，如何抑制干扰并且增强系统的抗干扰能力 成为影响系统能否稳定工作的一个重要问题。 5 (4)系统的保护功能。门机控制系统必须能够长期、稳定的工作， 但是部分情况下出现的异常情况会导致系统硬件的损坏。因此，从硬件 上和软件上同时加入必要的保护手段来增强系统的保护功能也显得尤为 重要的。 1.31.3 课题的主要研究内容和目的课题的主要研究内容和目的 本设计中使用 TI 公司的 16 位高性能单片机 MSP430F149 作为控制 核心、三菱公司的第 3.5 代智能功率模块 PS21265AP DIP-IPM 作为功率 逆变器件。 针对本课题的主要工作，在论文中将工作主要分成以下几个方面作 阐述： (1)简要的描述了课题的研究背景和研究意义，分析了课题在研究 和设计以及实际应用中可能会遇到的技术性问题，介绍了本课题的研究 内容和最终目的。 (2)对 SPWM 技术做了分析性介绍，介绍的侧重点在于设计中所选用 的对称规则采样法。 (3)课题所设计的电梯门机变频控制器是一款有针对性的研发产品， 在设计中必须遵循电梯门机的控制原理和控制要求，因此在论文的第四 章部分对电梯门机的控制作了概要性地叙述。 (4)论文的主体部分，占论文的大部分篇幅。分别从硬件和软件两 个方面详细阐述了系统的设计理念和设计思路，包括硬件各个部分的构 成和作用，软件各个功能模块在系统中的作用，以及在系统的设计等环 节中需要注意的和特殊处理的问题。 (5)论文的最后一个部分测试了系统的性能，并列出了部分的测试 结果。 6 第第 2 2 章章 MSP430F149MSP430F149 单片机的介绍单片机的介绍 2.12.1 系统微处理器结构和原理系统微处理器结构和原理 系统的硬件部分的控制核心使用了 TI 公司的 16 位高性能 MSP430F149 单片机，用来检测系统的输入状态，控制系统各个部分的 输出。 2.22.2 MSP430MSP430 单片机特点单片机特点 (1)低电压、低功耗 (2)强大的处理能力 (3)稳定的工作性能 (4)丰富的片内资源 2.32.3 MSP430F149MSP430F149 部分功能模块部分功能模块 MSP430F149 单片机具有丰富的片内资源，包括时钟模块、捕获/比 较模块、Flash 模块、看门狗定时器模块、定时器模块、以及通用 I/O 口模块 I，6J，MSP430F149 单片机内部结构图如 2-1 所示。 图 2-1 MSP430F149 功能框图 7 (1)时钟模块 高速晶体振荡器，高速晶体振荡器连接到 MSP430F149 的高频振 荡器，最高可以产生 8MHz 的 XT2CLK，该时钟可以通过各时钟的分频器 作 1 2, 4, 8 分频后作为 MCLK, SMCLK 时钟信号。 低速晶体振荡器，低频晶体振荡器连接到 MSP430F149 的低频振 荡器，一般使用 32768Hz 晶体振荡器产生 LFXT1 CLK 低频信号，该时钟 也可以通过各时钟的分频器作 1 2 4, 8 分频后作为 MCLK SMCLK, ACLK 时钟信号。 DCO 实际上是一个数字可编程的 RC 振荡器，能够在其它两个时 钟源失效的情况下自动被选用作系统时钟源。同 XT2CLK 相同，DCOCLK 可以经过个时钟分频器作 1, 2, 4, 8 分频后作为 MCLK, SMCLK 的时钟 信号。 (2) ADC 12 数模转换模块 MSP430F149 中带有的 12 位模数转换模块具有采样和保持功能，采 样速度达到 200ksps，并且在 4 种工作模式下，可以选择包括内置的温 度传感器在内的 4 个内部采集通道和 8 个外部采集通道。 (3)看门狗(WDT)定时器 MSP430F149 中包含了 16 位、8 种可选定时时间的看门狗定时器模 块，看门狗定时器在程序发生故障时能够控制系统的重新启动。 通过设置看门口控制寄存器 WDTCTL 的值，可以选择看门狗的工作 状态:通过设置 SSEL, IS I 和 ISO 控制位可以组合出 8 种定时器，通过 设置 TMSEL 控制位可以设置看门狗模块的工作模式：看门狗模式、定时 器模式和关闭模式。 (4)通用 10 端口171 (5) 16 位定时器 TimerB (6) Flash 存储器模块 Flash 存储器模块是 Flash 型器件的通用模块，主要用于存储程序 8 代码、数据表格以及用户信息等，用户可以通过 JTAG 或者是芯片内的 软件来实现对 Flash 的写入和擦除操作。MSP430F149 中的 Flash 以段 作为基本的操作单位，FLASH 存储区可以划分为主存储区和信息存储区。 (7) MSP430 的 JTAG 接口1819。 根据 TI 公司的要求，与 CPU 相连的标准 JTAG 接口具有 14 个针脚， 其针脚定义如图 2-2 所示： 图 2-2 MSP430 的 JTAG 接口定义 MSP430F149 单片机的引脚数目多达 64 个，通过独立的引脚能够实 现 JTAG 功能的外接，而类似 MSP430F123 这样的引脚数目(MSP430F123 仅有 28 个引脚)较少的单片机，则需要通过引脚的复用技术来解决这种 问题，因此通过 JTAG 调试这一类 MSP430 单片机时，需要注意复用的引 脚在调试状态下的功能等问题。 针对 MSP430 系列单片机市场上有多种 JTAG 产品，有很多的相关资 料和电路可以借鉴。这里，我们根据一种常见的 TI 公司的 FET430P14x JTAG 仿真器的电路图，自制出 JTAG 工具来完成调试工作。在系统调试 过程中，该 JTAG 工作稳定，配合 IARSYSTEM 公司“IAR Embedded Workbench Evaluation for MSP430”集成开发环境，能够实现程序代 码下载、程序运行控制等调试所需要的基本功能。这种便捷的、简化的 开发环境，为整个系统的开发带来了极大的便利。 9 第第 3 3 章章 电力电子器件与电力电子器件与 SPWMSPWM 调速调速 3.13.1 电力电子技术发展史电力电子技术发展史 电力电子学(Power Electronics)是研究采用半导体器件实现对电 能的控制和变换的学科。1974 年，国际上接受了 WNewll 的定义，即 把电力电子学作为介于电力、电子和控制之间的交叉学科. 图 3-1 电力电子学结构图 电力电子技术是应用于电力领域的技术，它以电力电子学作为理论 基础，是一门 20 世纪后半叶诞生并发展的崭新技术。它随着电力半导 体的发展而发展，从 1957 年的晶闸管的发明作为电力电子技术的开始， 电力电子器件始终向着大容量、高速度、高集成度的方向不断发展。 电力电子器件种类很多，并且仍然有新型器件出现，可以按照其开 关方式和控制能力划分为不可控器件、半控器件和全控器件三类。 3.1.13.1.1 双极型晶体管双极型晶体管(BJT)(BJT) 双极型晶体管是一种由电子和空穴两种载流子参与导电的电流控制 10 型器件，在控制 BJT 导通或者截至时，需要通过控制端向 BTJ 内灌入电 流或者拉出电流。BJT 从一种状态向另一种工作状态转换时，受到其内 部载流子浓度的影响，需要一个过渡过程，这就制约了 BJT 的反应速度。 3.1.23.1.2 场效应管场效应管(MOSFET)(MOSFET) 场效应管是一种单极型的电压控制型器件，有着工作速度快、无二 次击穿、易于驱动等相对于 BJT 的显著优点。MOSFET 目前在高性能开 关电源、逆变器等需要较高的开关速度的场合得到广泛的应用。 3.1.33.1.3 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)(IGBT) IGBT 是一种混合型的电力电子器件，它融合了场效应管和双极型 晶体管的特点:控制方面，IGBT 具备场效应管的输入阻抗高、速度快的 场控特性:输出驱动方面，IGBT 具备 BJT 的低输出饱和压降、耐压高和 承受电流大的特性。这些良好的控制特性和驱动特性使得 IGBT 较 BJT 的驱动更简单、保护更容易，开关频率更高等优点，因而在应用领域中 占据了很大的市场份额。 3.23.2 智能功率模块智能功率模块(IPM)(IPM) IPM 是一种新型的电力电子器件。尽管前面介绍的 IGBT 具有 BJT 和 MOSFET 的优点，但是必须有驱动电路和保护电路等的配合才能够正 常、稳定的运行，但是这些电路增加了系统空间和系统复杂性，降低了 系统的可靠性。 3.33.3 基于基于 MSP430MSP430 单片机的电梯门控制器的设计单片机的电梯门控制器的设计 (1)对于电力电子器件，都有其最大工作电流和最大工作电压。 11 (2)电力电子器件在使用时会不同情况的发热，IPM 的工作温度为 一 20 度一 100 度(不结露)。在使用时，应当根据功率模块的发热量和 周围环境，添加适当的被动散热或者主动散热措施。 (3) PS21265AP DIP-IPM 的设计载波频率上限为 20KHz，设计手册 上指出其频率上限随着外界温度、湿度条件以及控制方法的不同有所变 化，实际使用时应根据所选用的控制电路,调整载波频率。 (4)使用外部单电源驱动 IPM 内部的驱动电路时，应保证外部单电 源供电稳定，添加电源防干扰的措施，防止因电源噪声所带来的干扰而 产生误动作。 (5) IPM 的输入的控制信号应当尽量短，以减少外界对控制信号的 干扰。 3.43.4 SPWMSPWM 变频调速工作原理变频调速工作原理 在本设计中使用了应用广泛的正弦脉宽调制(Sine Pulse Wide Modulition, SPWM )技术，所谓的正弦脉宽调制是指将一个正弦波划分 成 N 个等幅但是不等宽的方波脉冲，每一个方波的宽度都与其对应时刻 的正弦波的值成正比，这些等幅脉冲序列通过由恒定直流供电的逆变器， 驱动相应的开关器件。 12 第第 4 章章 电梯门控制系统的设计需求电梯门控制系统的设计需求 4.14.1 电梯门控制器的工作环境电梯门控制器的工作环境 普通电机门机控制器直接安装在电梯吊箱的顶部，并且在门机控制 器的外面加有通风良好的金属箱做电磁屏蔽和防水保护等功能，这些电 梯提供的防护措施简化了门机变频控制器设计。 电梯吊箱通过在电梯间里面悬浮的电缆连接来取电，一般为 220V/50Hz 的交流电，因此在一般的实验室设计和测试时，可以使用市 电来替代电梯吊箱中的供电。电梯门机控制系统的结构图如图 4-1 所示： 开门/关门 （控制信号） 门机控 制器 交流电 动机 减速 箱 电梯门/行程开关/光幕开关 图 4-1 电梯门机控制系统结构图 4.24.2 门机变频控制器的控制模式门机变频控制器的控制模式 根据设计要求，所设计的控制器使用行程开关组作为位置检测开关。 行程开关组由安装在电梯门的导轨上 4 个磁性霍尔传感器组成的，分别 用来检测开门到位、关门到位以及电梯门执行动作过程中的两个速度的 切换点，门机控制器接收行程开关反馈回的开关量，从而判断电梯门当 前的所在位置状态，从而控制电动机的转速和方向。电梯系统的外部接 线端设计了切换开关，用于在调试状态和系统状态之间切换。当处于调 试状态时，控制器不会响应系统外部的开门关门控制信号，此时手动开 13 门、手动关门控制信号有效，门机控制器根据手动开关的指令执行动作， 按下手动开门按键，控制器驱动电机执行开门动作，按下手动关门按钮， 控制器驱动电机执行关门动作;当处于系统状态时，门机控制器正常响 应由中央控制器传送来的控制指令，手动按钮不起作用。 图 4-2 系统输入输出信号图 4.34.3 系统的开门和关门过程系统的开门和关门过程 系统中有 XK 1 -XK4 共 4 个行程开关，在电梯门的导轨上，控制器 根据开关反馈回来电梯门的位置信号，控制输出频率，调整电动机的运 行频率，进而控制电梯门的运动速度，电梯门在开门和关门过程中的频 率曲线与开关的位置状态如图 4-3 所示： 图 4-3 电梯开关门速度曲线 在开门和关门过程中的 XK 1 -XK4 的电平变化时序如图 4-4 和 4-5 所示： 14 图 4-4 开门时序图 图 4-5 关门时序图 对不同的电梯吊箱的设计，部分电梯吊箱需要在关门过程结束后， 由电机继续输出一个很低频率的低转动力矩来保持电机门的关门紧闭状 态，在设计中，可以选择的输出频率为 0.5Hz。 4.44.4 用户界面的要求用户界面的要求 尽管针对电梯门机所设计的门机变频控制器具有很强专用性，相比 于通用变频器内部固化了很多的特性参数，但是仍然需要用户在此基础 上针对不同的环境调整某些参数，如开门、关门执行过程中各个频率段 的参数、针对不同的电梯门选择合适的输出力矩、继电器组的输出状态 等，因此控制器上必须设计用户界面。 15 在本设计中的操作界面上，设计了 8 个按键，在系统软件中定义了 按键的操作顺序和调整的参数，供用户输入控制指令、调整参数等。显 示界面上，先后设计了 LCD (1602,带背光)和 LED (4 位 8 段)数码管两 种显示方案，但是由于电梯门机控制器工作环境和操作环境的限制，从 显示的清晰的和现场的光照情况方面考虑，选用了 4 位 8 段红色 LED 数 码管作为状态显示方案，通过简化的代码和数字向用户反馈系统信息， 并且这种显示方法在电梯吊箱这样的工作环境中能很好的工作，获得很 理想的显示亮度和显示效果。 4.54.5 系统硬件总体构系统硬件总体构 电梯门机控制器需要在稳定工作的前提下，通过分析输入开关控制 量状态、向外输出变频的三相正弦交流电，进而控制电梯吊箱上的变频 电机工作。 本文中主要讨论电梯门机变频控制器系统的硬件和软件的设计，分 析系统各个部分的工作电压和所实现的主要功能，将系统的硬件部分分 为功率部分、控制核心、用户界面、连接埠和接口以及附加硬件五个部 分。系统主要部分结构框图如图 4-6： 16 图 4-6 系统结构 4.64.6 系统功率电路系统功率电路 功率部分包含了整个门机变频控制中所有的高电压部分的器件:包 括电源的转换和控制、功率的逆变输出以及附加在这部分基础之上的防 浪涌保护、功率驱动等电路，所实现的功能也很明确:电源供电和逆变 输出。 从上述的角度分类，功率部分划分为 IPM 功率驱动、IPM 驱动电源、 IPM 隔离与驱动电路、IPM 功率电源和系统低电压电源五个部分。 4.74.7 IPMIPM 功率电源功率电源 IPM 功率电源将供电的 220V/50Hz 的交流电通过整流滤波等处理后 为 IPM 提供直流电。IPM 功率电源部分包含了保险丝的过流熔断保护、 防电磁干扰的无源滤波电路以及基本的整流滤波等电路。 对于电梯门机变频控制器来说，在工作过程中一方面要防止电梯间 中的电磁干扰对系统造成的影响，另一方面变频器与开关电源类似，使 用较高的频率控制开关管的导通和关断，在此过程中的电压和电流的突 变都会造成较大的电磁干扰。因此为了保证电梯门机变频控制器自身的 稳定运行以及电梯系统中其他电气设备的正常运行，必须在设计和使用 中注意防范 EMI(电磁干扰)的问题。 4.84.8 IPMIPM 功率驱动功率驱动 IPM 功率驱动部分主要由 PS21265AP DIP-IPM 功率模块、模块外接 的采样电阻(康铜合金丝)、压敏电阻和水泥电阻等构成，电路图如图 4-7. 17 图 4-7 IPM 功率驱动电路图 其中瓷解质电容 CIO 用于吸收 IPM 在开关瞬间所产生的高频脉冲干 扰。电阻 Rs 为 470V 压敏电阻 14D471 K，能够吸收大量的短时间的雷 电等浪涌电压，保证压敏电阻两端的电压不超过其额定电压，进而保护 IPM 的工作电压，在电路中，压敏电阻的另一个重要功能是配合电阻 R7 和风吸收电动机在断电瞬间产生的高压感生电流。 图 4-8 压敏电阻工作原理图 按照图中的电路所示，仅取 U 相桥臂和 V 向桥臂，电路中用电感 L 表示电动机的线圈，U 相桥臂由 IGBT1, IGBT2 以及反向续流二极管 FWD1, FWD2 组成，V 相桥臂由 IGBT3 , IGBT4 以及反向续流二极管 FWD3, FWD4 组成。定性分析该电路，在正常工作时，电流按照 P-a- b-N 的流向，当由于断电等其他原因 IGBT 1 和 IGBT2 同时关闭时， 18 电路中将不存在闭合回路，但是由于电动机线圈(电感)的续流作用，将 产生一个很大的感生电动势，a 为负极，b 为正极，通过续流二极管 FWDI, FWD4 的作用，感生电动势将直接加在 P, N 两端，即在这种情况 下，IPM 将承受可能超过其极限工作电压的感生电压，将会造成 IPM 的 损坏。 电路中添加压敏电阻后，由于压敏电阻的工作特性，当感生电压超 过压敏电阻的额定电压后，压敏电阻进入低阻态，电路中存在闭合回路， 通过 R7 ,凡吸收大量的感应电压，限制了 P, N 两端的电压，从而保护 了 IPM 电源 P, N 两端的电路。这部分电路是在屡次烧毁 IPM 的情况下 所设计添加的，在后续的测试中，有效的保护了 IPM。 DIP-IPM 中内置了过流保护电路，能够在 IPM 过流时，能够关断 IPM 的下桥臂，并输出错误信号(Fo)，直到过流状态消失为止。在使用 过流保护电路时，需要根据系统正常工作时的电流选取合适阻值的采样 电阻，为了避免由于引线电感干扰所引起的短路保护误动作，应在电路 中加入时间常数为 1.5-2us 的 RC 延时电路，组成三菱公司推荐的 SC 保 护外部电路。 4.94.9 IPMIPM 驱动电源驱动电源 IPM 驱动电源是指为 IPM 驱动提供电源的+15V 电源以及驱动芯片 所使用的+5V 部分，这部分的工作电流极小，因此通过小型变压器隔离 降压后，整流滤波获得+18V 的直流电，通过 LM7815 获得 IPM 驱动用 的+15V 电源，然后通过 LM7805 获得供 74HC04 和隔离光祸使用的+5V 电 源。 19 图 4-9 IPM 驱动电源电路原理图 8 4.104.10 IPMIPM 驱动与隔离电路驱动与隔离电路 SPWM 控制信号通过高速光藕输入到 IPM 的控制端，IPM 的错误输出 信号也通过高速光祸输出到单片机的 I/O 口上。 图 4-10 IPM 驱动与隔离电路原理图 4.114.11 系统低压电源的设计系统低压电源的设计 根据整个系统的低压部分的电源需求，其中控制核心的 MSP430F149 单片机及其外围的电路，如逻辑保护电路 74HC04 和 74HC08，用户界面部分的静态显示驱动 74HC595 和 LED 数码管都工作在 +3.3V 电压下，而对外输出开关信号的 4 组继电器则需要+5V 电压驱动。 除此之外，系统接受外界输入的开关量状态信号时，需要为其提供+24V 的上拉电流。 从系统工作电源的角度划分，控制核心部分包含了除用户界面之外 20 的绝大部分的低压器件，控制核心主要部分工作在+3.3V 电源下，继电 器部分工作在+5v 电源下，为输入开关量提供上拉的最高电压也不超过 +24V;从功能的角度划分，控制核心具有接受开门指令、关门指令、行 程开关、光幕信号的开光量输入，生成 6 路带有逻辑保护能力的 SPWM 控制波形、控制 4 组继电器输出状态、接受用户界面部分的控制指令、 控制用户界面的显示状态等功能。因此，从功能上划分控制核心的组成， 包括 MSP430F149 控制核心、继电器及驱动电路、外部开关量输入与隔 离电路、复位控制电路、SPWM 逻辑保护电路、用户配置保存芯片和低 电压电源处理七个部分。 4.124.12 低电压电源处理部分低电压电源处理部分 功率部分的系统低压开关电源向控制核心提供了一路+5V/IA 的电 源，对于 MSP430 控制核心以及逻辑保护等部分电路，其工作电压为 +3.3V，但是继电器仍然需要+5V 供电，因此，进入控制核心的 +5V/IA 电源需要经过预处理后才能供给 MSP430 等电路。 图 4-11 低电压电源与处理 4.134.13 外部开关量输入与隔离电路外部开关量输入与隔离电路 在电梯门及控制系统中，为了防止电梯间内的电磁干扰，在信号的 传输环节使用了十 24V 电平传输信号，以提高抗干扰能力，但是控制的 21 开关量信号与单片机之间既需要电平匹配，还要与输入的开关量之间完 全隔离。 图 4-12 开关量输入隔离电路图 4.144.14 继电器及驱动电路继电器及驱动电路 门机变频控制系统需要对外输出四路开关量信号，其中包括开门到 位信号、关门到位信号，一路控制系统故障保护输出信号和一路保留的 可以通过软件设定状态的信号，这些开关量信号用于与电梯系统中的中 央控制器以及其他部分相通讯，仅通过继电器的吸和与断开的状态向外 输出电梯门机的运行状态，配合开关量输入端的光祸，实现了电梯各个 系统相互之间的完全隔离。 图 4-13 继电器隔离驱动电路图 继电器使用了长寿命的+5V 继电器，因此可以直接使用低压开关电 源系统所提供的十 5V 电源驱动。 22 4.154.15 由由 MSP430F149MSP430F149 组成的控制核心组成的控制核心 由 MSP430F149 单片机组成的控制核心是电梯门机变频控制系统的 重要低电压工作部分，单片机根据用户对输出状态的设置和外部输入开 关量的组合状态，完成输出控制电动机运行的 SPWM 控制信号并控制用 户界面的显示和继电器的吸和状态等工作。按照 MSP430F149 的输入和 输出，控制核心与周边外围功能部分框图如图 4-14 - 图 4-14 控制核心板组成框图 4.164.16 按键的设计按键的设计 MSP430 具有足够的 I/O 口，在系统设计中也考虑到了这一点，充 分利用 I/O 口的丰富功能，并且尽可能的降低系统的复杂度。系统中所 使用的 8 个按键都使用 1/O 口，并不使用相对来说占用资源的行列扫描 的方式，8 个 1/O 口中，部分按键使用中断功能，部分按键使用扫描功 能，在软件中根据按键所具有的硬件资源不同设置不同的功能。 23 图 4-15 按键电路图 按键默认是低电平状态，按下按键时为高电平，因此对于带有中断 能力的 1/O 口可以选择按键按下时产生的上升沿触发中断或者是按键松 开时的下降沿触发中断，对没有中断能力的 1/O 口，则使用扫描的方式 判断 1/O 的输入状态。 4.174.17 显示电路的设计显示电路的设计 在电梯的门机环境中，对比了 LCD 和 LED 数码管的两种显示方案， 其中使用 4 位 8 段的红色 LED 数码管的方案能够获得更明显的显示效果， 在电梯门机变频控制系统的工作环境中，能够观察的更清晰;在显示的 内容上，可以通过自定义 LED 显示内容的含义来简化显示。显示部分除 了包括 4 位 8 段红色 LED 数码管之外，还设计了 3 组 8 位的 LED 发光二 极管：其中的两组 LED 发光二极管受单片机控制显示内容，可以作为 LED 数码管的显示扩展;另外一组 8 个 LED 发光二极管设计在相关的开 关量接线端子处，与开关量输入的 8 个接线端子相对应，这组数码管的 工作状态取决于输入到 P1 口的各个 1/O 的输入电平的高低。 在系统主要状态显示部分，使用了 4 位 LED 数码管作为显示器件， 每一个数码管含有 8 段显示部分，另外设计的两组 8 位的绿色 LED 发光 二极管作为补充显示部分，则在主显示部分共有 48 个显示段需要受到 单片机的控制显示出一定的显示内容。 24 4.184.18 系统硬件连接埠的和接口设计系统硬件连接埠的和接口设计 系统的硬件结构上，根据功能和供电的不同，主要划分成为了功率 板、控制核心与对外接口板、用户界面板三个部分。各个板功能不同， 在相互连接时，需要通过设计的系统连接埠交换电源和控制信号，系统 中的板间连接主要有两个部分。 功率板与控制核心板之间通过长排针相连接。功率板向上为控制核 心板提供+MIA 和十 24V/200mA 的电源，控制核心板向下为功率板提供 SPWM 控制信号并接受经过隔离后的故障输出信号，在各个信号之间加 入了 GND 用来防止信号之间的干扰。 由于用户界面板安装在系统的顶盖，必要的时候需要打开顶盖，这 里在用户界面板和控制核心板之间使用了软排线连接。控制核心板向上 提供+3.3V 电源、LED 显示控制信号，并从用户界面板获取 8 个按键的 状态信号，所使用的软排线接口定义如图 4-16 图 4-16 用户界面板连接线定义 在外部接口部分，控制器的系统电源输入和电动机的输出直接从功 率板上引出至外部接线端子，开关量输入、继电器输出均从控制核心板 连接到外部接线端子上。 25 4.194.19 硬件电路设计的注意事项硬件电路设计的注意事项 (1)设计的电路板外形应当与所使用的控制器的外壳相协调，便于 安装和固定。 (2)体积较小的元件采取就近摆放的原则，通过合理摆放元件，缩 短布线的长度减小所受到的干扰。如单片机与他相关的晶体振荡器应当 尽可能的靠近，防止电磁干扰影响系统的时钟源。 (3)体积较大的元件，如 IPM 功率电源的滤波电容，在设计时应当 考虑其高度和宽度等问题，合理放置，减小系统整体体积。容易产生较 强干扰的功率器件，如 IPM 等，应当远离单片机等容易受干扰的器件。 (4)考虑系统整体的散热分布，系统中的功率部分会有一定的发热， 应当考虑其周围的元件的热稳定性和整体的散热问题。 (5)布线宽度应当充分考虑系统的工作电流的问题，并留出足够的 余量。 26 第第 5 5 章章 系统的软件设计系统的软件设计 控制稳定：门机变频控制器控制着电梯门的工作状态，门机控制器 必须时刻工作在一个稳定的状态中，防止电梯门失控。一旦系统出现问 题导致电梯门失控时，系统能够应当具备从异常状态恢复到正常的工作 状态下能力，并能够继续运行中断的工作。 响应速度快:MSP430F149 具有 8MHz 的高速晶体振荡器，单指令运 行时间为 150ns,但是其运算能力依然很有限的，如果程序编写得又比 较繁琐，则系统的性能会降低，导致对外部输入的响应迟缓。因此程序 必须及时对外界状态作出判断，调整系统的输出。 程序的可读性：任何的程序都必须具有可读性的特点，可读性指对 程序阅读和理解的方便程度，可读性好的程序要求书写规范，结构明确， 注释完善。可读性对于程序的调试、阅读、修改和升级都有很重要的作 用。 综上所述电梯门机变频控制器的控制核心 MSP430F149 单片机的程 序中必须完成以下的工作:响应外部的开关量输入、响应人机交互界面 的用户设置、响应系统过流保护信号和过热信号、通过输出的 SPWM 控 制信号对电动机作变频调速控制、控制继电器组的吸合状态、控制人机 交互界面的显示内容等。 27 5.15.1 系统软件开发环境介绍系统软件开发环境介绍 在本设计中使用的是 IAR 公司的集成开发环境 IAR Embedded Workbench forMSP430，是一种主流的针对 MSP430 系列单片机的开发调 试环境，能够支持目前的大多数型号的 MSP430 单片机28l0。 IAR Embedded Workbench 集成开发环境中包括了项目管理工具和 编辑器、高效的 C/C+编译器、集成连接器和库文件工具，具有能够支 持 MSP430 的简易 JTAG 开发工具等优点。在 IAR 中，软件按照一定的组 织方式来管理文件，即按照从最顶层的工作环境(Workspace)到项目 (Project)，到最底层的源文件/文本(Source/Text )的结构组织管理。 因此使用 IAR 集成开发环境新建一个工程时，首先利用 IAR 的向导 (Startup) ,在当前的工作环境(Workspace)中创建一个新的工程，向工 程中添加已经编写好的程序文件和库文件，或者在当前工程中建立新的 源文件，才能组织起项目文件之间的关系。对于 MSP430 系列不同的单 片机，在建立项目之后需要设置项目中的一些基本参数，如设备(单片 机)类型、调试设备类型等，在一些比较陈旧的 IAR 版本中，还需要设 置一些参数如编译器和连接器等。 在系统的调试过程中，首先对项目中的源文件进行编译、连接，这 两个过程中能够检查出软件中的语法错误、缺少定义或者重复定义等问 题，当程序编译连接通过后，可以通过“Project”菜单下的“Dubug” 功能进入到 IAR 的调试环境下，在调试环境下，根据所执行模块的不同 功能，使用单步、全速运行、添加断点等方法调试。在程序调试的最初 阶段，甚至可以将功能模块单独建立工程，按照程序的输入接口和输出 接口观察其运行结果，然后再将各个功能模块组合调试，这种方法在调 试上能够将问题的范围缩小到具体功能模块上，一定程度上能够提高首 次调试时的成功率。 28 5.25.2 系统基本软件流程系统基本软件流程 门机变频控制系统的软件中的主要部分使用了有限状态机(FSM)的 工作方式。有限状态机是一种在软件开发领域常见的进行对象建模的方 式，用来描述对象所经历的状态序列，以及如何响应外界的事件，一个 有限状态机必须包括输入、输出和状态三个部分。 系统在工作模式下，完成系统的初始化工作之后，进入到状态工作 模式下，系统软件根据系统所处的状态和外界的输入决定系统的输出。 可见，在门机变频控制器输出的 SPWM 控制波形、用户界面的显示内容、 继电器的输出状态不仅仅取决于系统当前的状态，也确决于系统的输入， 因此，工作模式下的软件主体属于 Mealy 型状态机，即系统输出是系统 状态向量和输入的函数。 在 MSP430F149 单片机中没有专门的处理状态机的模块，因此在软 件系统中，通过标志位的方法区分系统的状态，利用内部变量或者是外 部输入量的变化来改变标志位，进而切换系统的状态，这种切换最基本 的编程方式就是 CASE 语句或者是其他的条件语句，通过这些条件语句 来促使系统在工作模式下的不同的状态中转换，系统的基本流程图 5-1 所示： 图 5-1 系统基本工作流程图 在工作模式下，系统可能处于四种状态下：开门过程、关门过程、 待机停运和系统保护。系统中满足有限状态机所需要的几个基本的内容。 29 (1)状态：系统能且只能处于开门过程执行、关门过程执行、待机 停运和系统保护四个状态。 (2)时钟:状态机要求能够在下一个时钟中改变系统状态，因此状态 机中的时钟不能以单片机的时钟周期为时钟，可以近似认为时钟是单片 机完成判断并执行所需要的时间周期。基于 MSP430 单片机的电梯门机 控制器的研制。 (3)状态转移的描述：系统在何种条件下，会从一种状态改变到另 一种状态。 (4)输出的描述:系统在各个状态下的 SPWM 控制波形、显示内容等 都属于该状态下的输出。 在描述系统工作过程中，引入了有限状态机的设计方法，在软件上 按照系统的工作状态划分功能模块，各个模块之间在明确的条件下相互 转换，执行的输出功能、对系统当前状态的判断和对外界输入的判断都 在当前所执行的功能模块内部进行，能够有效地方式系统的功能紊乱， 很大程度的增强了系统程序的可读性。 例如，系统一般处于待机状态下，通过检测系统自身的状态和外界 输入的开关量状态，决定系统的下一个状态。当系统不满足保护条件并 且外部输入了开门执行信号时，系统地下一个状态则是开门状态，相应 在开门状态下门机控制系统将要通过输出 SPWM 控制信号等执行电梯的 开门动作和其他的控制、显示输出。在开门状态下，当系统发生保护时， 则进入系统保护状态;系统正常完成开门动作后，则返回到系统待机状 态。 5.35.3 系统的初始化系统的初始化 系统的启动时，首先需要对系统中的各个功能模块进行初始化设置， 然后才能进入到工作状态下，因此程序的初始化是代码中是最先需要解 决的问题。由于系统存在工作和用户设置两种模式，在启动时需要根据 30 拨码开关的状态选择模式，并且两种模式下 MSP430F149 所使用的模块 也不完全相同，因此，系统的初始化分为两个阶段：基本初始化和模式 初始化；共有三个初始化部分：基本初始化、工作模式初始化和用户模 式初始化，系统根据拨码开关的状态，在基本初始化完成之后选择进入 不同的模式。如图 5-2 所示系统的初始化流程，下面结合初始化的流程 图和程序介绍每个部分程序的作用。 图 5-2 系统初始化流程图 /* /MSP430F149 初始化程序 /* /第一步：关闭系统看门狗定时器，以便初始化系统时钟 WDTCLT=WDTPW+WDTHOLD： /第二步：初始化显示模块端口 HC595_Init() /第三步:初始化系统时钟 31 OSC_Init() /第四步：初始化拔码开关末位，判断系统模式 ModeSW_Init()； /第五步：进入相应的初始化程序 If(SysMode=NORMAL) /继续工作模式下的初始化 ADC12CTL0=ADC12ON+REFON+REF2_5V+SHTO_6: /打开 ADC12,2.5V 内部参考电压 ADC12CTL1=SHS_O+SHP+CONSEQ_0 /内部采样时钟,单通道单次转换 P2DIR P2IES=0xff； /初始化用户界面按键和外部中断 P6DIR (2) 4 个受控的 LED 指示灯显示当前继电器组的吸和状态：LED 在 相应的继电器吸合时点亮，在继电器断开时熄灭; (3) 4 个受控的 LED 数码管显示当前状态等代码信息，8 个按键接 受用户的设置信息。 软件中，设置 8 个按键的功能如下： 功能子功能参数确定 功能子功能参数取消 37 在用户设置模式下，按下键盘中的设置功能键，部分设置内容如 表 5-1 所示： 表 5-1 系统部分显示代码功能和含义 显示位 3显示位 2显示位 10 功能 子功能 参数 对应参数含义 1 0410开门起始区目的频率 2 1525开门高速区目的的频率 3 0310开门低速区目的的频率 4 0615开门快速区目的的频率 5 2025开门高速区目的的频率 U 6 0310开门低速区目的的频率 1 0099系统过流保护次数 P 2 00、2599系统过热保护温度 用户在设置模式下，首先通过功能