毕业设计（论文）-基于MSP430的超声波电机转速测量系统设计.doc

中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 页 共 页 目录 1 绪论 3 1 1 研究背景及意义 3 1 2 国内外研究现状 3 2 系统的工作原理及组成 3 2 1 超声波电机的工作原理及特点 3 2 1 1 工作原理 3 2 1 2 工作特点及应用 3 2 2 系统原理及组成 3 2 2 1 方案的提出 3 2 2 2 系统原理及组成 3 2 2 3 系统方案设计 3 3 转速测量的方法及传感器选型 3 3 1 转速测量的方法 3 3 2 转速测量的原理 3 3 3 传感器选型 3 3 3 1 霍尔传感器 3 3 3 2 光电传感器 3 4 硬件电路设计 3 4 1 MSP430 的基本结构 3 4 2 电源部分设计 3 4 3 传感器部分 3 4 4 复位电路 3 4 5 晶振电路 3 4 6 显示部分设计 3 5 超声波电机转速测量系统的软件设计 3 5 1 定时计数流程图 3 5 2 转换程序 3 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 页 共 页 5 3 显示程序 3 6 结论 3 附录 3 参考文献 3 致谢 3 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 页 共 页 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 1 页 共 31 页 1 1 绪论绪论 1 11 1 研究背景及意义研究背景及意义 为适应灵活性 快速性 简便性控制的要求 多年来国内外科技界和工业界 就一直致力于研究各种新型微电机 其中 超声波电机利用压电陶瓷的逆压电效 应 将材料的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动 它作为一种直接驱动电机从 20 世纪 80 年代以来备受各国科研工作者的青睐 已 成为当前机电控制领域的一个研究热点 超声波电机是一种直接驱动的新型微电 机 它同传统电磁式电机不同 超声波电机不依靠电磁相互作用 而是利用压电 材料的逆压电特性 激发电机定子的机械振动 通过定转子之间的摩擦力 将电 能转换为机械能输出 驱动转子的定向运动 1 与传统电机相比 超声波电机具 有低速大转矩 体积小 重量轻 反应速度快 控制性能好 无电磁干扰 停止 时具有保持力矩 形式灵活 设计自由度大等优点 在非连续运动领域 精密控 制领域要比传统电磁电机性能优越 2 因此在工业控制系统 汽车专用电器 精 密仪器仪表 办公自动化设备 智能机器人等领域有广阔的应用前景 3 4 它不仅 在思想上突破了传统的电磁感应原理 而且又以其优异的性能特点弥补了传统电 机的不足 引起了人们强烈的兴趣和厚望 成为近年来国内外在微型电机方面的 研究热点 目前国外对超声波电机的研究已经达到了很高的水平 并实现了产业 化 5 在工程实践中 经常会遇到各种需要测量转速的场合 例如在发动机 电 动机 卷扬机 机床主轴等旋转设备的试验 运转和控制中 常需要分时或连续 测量和显示其转速及瞬时转速 要测速 首先要解决是采样问题 在使用模技术 制作测速表时 常用测速发电机的方法 即将测速发电机的转轴与待测轴相连 测速发电机的电压高低反映了转速的高低 为了能精确地测量转速外 还要保证 测量的实时性 要求能测得瞬时转速方法 因此转速的测试具有重要的意义 在 对转速波动较快系统或要求动态特性好而精度高的转速测控系统中 调节周期一 般很短 相应的采样周期需取得很小 使得脉冲当量增高 从而导致整个系统测 量精度降低 难以满足测控要求 提高采样速率通常就要减小采样时间 T 而 T 的减小会使采到的脉冲数值 N 下降 导致脉冲当量 每个脉冲所代表的转速 增 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 2 页 共 31 页 高 从而使得测量精度变得粗糙 通过增加测速码盘的齿数可以提高精度 但是 码盘齿数的增加会受到加工工艺的限制 同时会使转速测量脉冲的频率增高 频 率的提升又会受到传感器中光电器或磁敏器或磁电器件最高工作频率的限制 凡 此种种因素限制了常规智能转速测量方法的使用范围 而采用本文所提出的定时 分时双频率采样法 可在保证采样精度的同时 提高采样速率 充分发挥微机智 能测速方法的优越性及灵活性 这次设计内容包含知识全面 对传感器测量发电机转速的不同的方法及原理 设计有较多介绍 在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题 单片机 部分的内容 显示部分等各个模块的通信和联调 全面了解单片机和信号放大的 具体内容 进一步锻炼我们在信号采集 处理 显示发面的实际工作能力 1 21 2 国内外研究现状国内外研究现状 超声波电机驱动当前常采用恒压源方式且工作在定子共振频率附近 6 由 于超声波电机的时变 非线性及控制变量之间的强耦合等原因 其运动控制性能 不易提高 作为一类智能控制策略 适当设计的模糊控制器具有较强的鲁棒性 能够减弱对象变化对控制效果的影响 适用于超声波电机这种非线性 时变对象 但模糊控制的设计中也存在鲁棒性与控制精度等参数之间的折衷 难以单独应朋 于精度要求较高的伺服控制场合 因而常将模糊与传统控制方法相结合 国内外 已有将模糊控制应用于超声波电机的尝试 7 文献 8 9 分别将模糊控制与神经网 络 滑模控制相结合 并用于超声波电机控制 文献 10 设计了基于模糊逻辑的超 声波电机转速控制器 并在误差较小时转换为PI控制以改善模糊控制稳态性能差 的问题 文献 11 针对超声波电机控制死区问题 给出了使用模糊控制器调节两相 电压相位差实现电机位置控制的方法 文献 12 使用模糊控制器调节频率实现了转 速控制 并采用遗传算法在线修正模糊控制规则 控制算法复杂 根据其传动原 理 一般采用如下四种控制方法 调压控制 调节PWM波占空比来实现 调 频控制 通过调节驱动信号的频率来实现 调相控制 通过调节两相驱动电压 的相位来实现 正反脉宽调幅控制 通过调节电机正反转脉宽比例实现速度控 制 13 在驱动控制方面国外已经成功的运用了模糊控制 14 自适应控制 15 滑膜 控制 16 和神经网络控制 17 等复杂的控制理论 但它们都是通过PC机直接控制驱动 电路 在国内也有很多利用DSP VCO等来达到对机的控制 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 3 页 共 31 页 目前国内外测量电机转速的方法很多 按照不同的理论方法 先后产生过模 拟测速法 如离心式转速表 用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得 同步测速 法 如机械式或闪光式频闪测速仪 以及计数测速法 18 计数测速法又可分为机械 式定时计数法和电子式定时计数法 传统的电机转速检测多采用测速发电机或光 电数字脉冲编码器 也有采用电磁式 利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等 电容式 对高频振荡进行幅值调制或频率调制 等 还有一些特殊的测速器是利用置 于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号 19 其中应用最广的是光电式 光电式 测速系统具有低惯性 低噪声 高分辨率和高精度的优点 加之激光光源 光栅 光学码盘 CCD 器件 光导纤维等的相继出现和成功应用 使得光电传感器在检 测和控制领域得到了广泛的应用 而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准 确度高 采样速度快 测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点 具有广阔 的应用前景 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 4 页 共 31 页 2 2 系统系统的工作原理及组成的工作原理及组成 2 12 1 超声波电机的工作原理及特点超声波电机的工作原理及特点 超声波电动机 Ultrasonic Motor 缩写 USM 是以超声频域的机械振动为驱 动源的驱动器 由于激振元件为压电陶瓷 所以也称为压电马达 2 1 1 工作原理 超声波电机与传统的电机不同 超声波电机无绕组和磁极 无需通过电磁 作用产生运动力 一般由振动体 相当于传统电机中的定子 由压电陶瓷和金 属弹性材料制成 和移动体 相当于传统电机中的转子 由弹性体和摩擦材料及 塑料等制成 组成 在振动体的压电陶瓷振子上加高频交流电压时 利用逆压电 效应或电致伸缩效应使定子在超声频段 频率为 20KHZ 以上 产生微观机械振 动 并将这种振动通过共振放大和摩擦耦合变换成旋转或直线型运动 可清楚理解 实现超声波驱动有两个前提条件 首先 需在定子表面激励 出稳态的质点椭圆运动轨迹 其次 将定子表面质点水平方向的微观运动转 换成转子的宏观运动或平动 2 1 2 工作特点及应用 由于超声波电机与传统电机的巨大区别 使得超声波电机结构简单 紧凑 扭矩 重量比大 低速大扭矩 直接驱动 无需齿轮箱 动态响应好 毫秒级 超 声电机控制性能好 断电自锁 超声电机能获得较大的自锁力矩 不产生磁场 亦不 受外界磁场的干扰 低噪声运行 在 10cm 之内 可小于 45dB 同时电机的形状设 计可以多样化 环状 杆状 圆的 方的 空心的等 超声电机可广泛应用于航空航天 国防 医疗 精密微动机构 工业控制 对磁干扰敏感的设备 机器人工业 高档汽车等不连续工作领域 2 2 2 2 系系统统原原理理及及组组成成 整个转速测量系统的目的就是 通过对超声波电机移动体的机械振动进行 观测 用 MSP430 单片机达到测量转速的目标 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 5 页 共 31 页 2 2 1 方案的提出 超声波电机的机械振动要能和单片机联系起来 中间必须接入传感器 通 过传感器把机械振动的周期或频率 转换为单片机可以识别的脉冲信号 传感 器的选型见第三章 脉冲信号的幅值如果不足够大还需要接入放大电路 单片 机通过定时计数来测量一定时间内的脉冲个数 通过程序的控制在数码管显示 出来 2 2 2 系统原理及组成 系统主要原理是 超声波电机转子运动 利用光电传感器经过放大整形电路 将频率信号转变为脉冲信号 MSP430 单片机接收传感器传来的脉冲信号 根据 外部中断 以及内部定时器进行记数计算出电机转速送到数码管显示 组成及框图 系统由传感器 放大 整形电路 MSP430 单片机 LED 显示几部分组 传 感器用来对信号的采样 放大 整形电路是对传感器送过来的信号进行放大和整 形 在送入单片机进行数据的处理转换 单片机用来对处理过的信号进行转换成 转速的实际值 送入 LED 对所测量到的转速进行显示 图 2 1 系统原理图 2 2 3 系统方案设计 将光电传感器产生的脉冲信号输入到单片机内 单片机定时器 计数器开始 工作 在一定时间内测量出脉冲个数 对周期信号进行内部记数 调用计算公式 算出转速 调用显示程序显示在数码管上 1 光电传感器将转子频率信号转换成脉冲信号 2 单片机部分主要完成电机转速的测量 3 数码管部分主要是把转速显示出来 显示范围 60 36000r min 传感器 放大整形电 路 MSP430 单 片机 数码管显示 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 6 页 共 31 页 3 3 转速测量的方法及传感器选型转速测量的方法及传感器选型 3 13 1 转速测量的方法转速测量的方法 转速的测量方法很多 根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有T法 测周 法 M法 测频法 MPT法 频率周期法 该系统采用了测周法 1 测周法 T法是测量两个脉冲之间的时间换算成周期 从而得到频率 测出产生N个脉冲内所需要的时间t 则信号的周期为f N t 测量频率误差 f N t t2 相对误差 f f t t 误差主要来自采样的时间误差 低频脉冲 情况下误差较小 测量精度高 2 测频法 M法是测量单位时间内的脉数换算成频率 在设定t时间内 测 量产生N个脉冲 则信号的周期为f N t 测量频率误差 f N t 相对误差 f f N N 误差主要来自脉冲个数 l计数误差 高频脉冲情况下误差较小 测量精度高 3 频率周期法 在被测信号 m1 个周期内 计数时钟脉冲数 m2 从而 得到被测信号频率 fx 则 fx 可以表示为 fx m1 fcm2 m1 由测量准确度确定 fc 为时钟脉冲信号频率 它适用于高 低频信号 高 低转速信号 的测量 但随 着精度和频率的提高 采样周期将大大延长 并且判断 m1 也要延长采样周期 不适合实时测量 根据以上的讨论 考虑到实际应用中需要测量的转速范围很宽 上述的转速 测量方法难以满足要求 因此 研究高精度的转速测量方法 以同时适用于高 低转速信号的测量 不仅具有重要的理论意义 也是实际生产中的需要 3 23 2 转速测量的原理转速测量的原理 一般的转速长期测量系统是预先在轴上安装一个有 60 齿的测速齿盘 用变 磁阻式或电涡流式传感器获得一转 60 倍转速脉冲 再用测频的办法实现转速测 量 而临时性转速测量系统 多采用光电传感器 从转轴上预先粘贴的一个标志 上获得一转一个转速脉冲 随后利用电子倍频器和测频方法实现转速测量 不论 长期或临时转速测量 都可以在微处理器的参与下 通过测量转轴上预留的一转 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 7 页 共 31 页 一齿的鉴相信号或光电信号的周期 换算出转轴的频率或转速 即通过速度传感 器 将转速信号变为电脉冲 利用微机在单位时间内对脉冲进行计数 再经过软 件计算获得转速数据 即 n N mT 式 3 1 n 转速 单位 转 分钟 N 采样时间内所计脉冲个数 T 采样时间 单位 分钟 m 每旋转一周所产生的脉冲个数 通常指测速码盘的齿数 如果 m 60 那么 1 秒钟内脉冲个数 N 就是转速 n 即 n N mT N 60 1 60 N 式 3 2 3 33 3 传感器选型传感器选型 常用的传感器有霍尔传感器和光电传感器 3 3 1 霍尔传感器 对于霍尔传感器 就是将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿 转盘 随测轴旋转 磁钢也将跟着同步旋转 在转盘下方安装一个霍尔器件 转盘随轴 旋转时 受磁钢所产生的磁场的影响 霍尔器件输出脉冲信号 其频率和转速成 正比 脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系 n 60 PT 霍尔器件是由半导体 材料制成的一种薄片 在垂直于平面方向上施加外磁场 B 在沿平面方向两端加 外电场 则使电子在磁场中运动 结果在器件的两个侧面之间产生霍尔电势 其 大小和外磁场及电流大小成比例 缺点 采用霍尔传感器在信号采样的时候 会出现采样不精确 因为它是靠 磁性感应才采集脉冲的 使用时间长了会出现磁性变小 影响脉冲的采样精度 3 3 2 光电传感器 1 对于光电传感器 转速信号由光电传感器拾取 使用时应先在转子上做 好光电标记 具体办法可以是 将转子表面擦干净后用黑漆 或黑色胶布 全部涂黑 再将一块反光材料贴在其上作为光电标记 然后将光电传感器 光电头 固定在正 对光电标记的某一适当距离处 光电头采用低功耗高亮度 LED 光源为高可靠 性可见红光 无论黑夜还是白天 或是背景光强有大范围改变都不影响接收效果 光电头包含有前置电路 输出 0 5V 的脉冲信号 接到单片机的相应管脚上 通 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 8 页 共 31 页 过内部定时 计时器 T0 T1 及相应的程序设计 组成一个数字式转速测量系统 图 3 1 转速测量示意图 优点 这种方案使用光电转速传感器具有采样精确 采样速度快 范围广的 特点 综上所述 使用光电传感器来作为本设计的最佳选择方案 2 光电传感器有很多种 这里采用 H42B6 光电传感器 它由高输出的红 外光电二极管与高灵敏度光电晶体管组成 其特点 性能可靠 体积小 结构简单 可用于光电控制 光电计量等电路中 可检测物体有无 运动方向 测转速等方面 它的一些参数 见表 3 1 表 3 1 H42B6 参数表 正向电流IF40mA 反向电流VR5V输入 耗散功率P110mW 集 射电压Vceo30V 射 集电压Veco2V输出 集电极功率Pc100mW 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 9 页 共 31 页 4 4 硬件电路设计硬件电路设计 硬件的功能由总体设计所规定 硬件设计的任务是根据总体设计要求 设计 出系统的电路原理图 整个单片机测量转速系统为单片机控制模块 传感器模块 显示模块 各个模块都承担着各自的任务 4 14 1 MSP430MSP430 的基本结构的基本结构 MSP430 系列单片机是美国 德州仪器 TI 1996 年开始推向市场的一种 16 位超低功耗 具有 精简指令集 RISC 的混合信号处理器 Mixed Signal Processor 称之为混合信号处理器 是由于其针对实际应用需求 将多个不 同功能的模拟电路 数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上 以提供 单 片 解决方案 该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中 MSP430 的优点处理能力强 运算速度快 超低功耗 片内资源丰富 方 便高效的开发环境 引脚图 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 10 页 共 31 页 图 4 1 引脚图 表 4 1 引脚说明 引脚名称 编号 I O描 述 AVCC 64模 拟 正 电 源 端 向 SVS brownout oscillator FLL comparator A port 1 and LCD resistive divider 电路供电 上 电不必早于DVCC AVSS 62内部连接于 DVSS DVCC 1 数字正电源端 提供所有部件电源 由 AVCC供电的除外 DVSS 63数字地 所有部件的接地 通过AVCC AVSS 供电的除外 NC 7 10 11空脚 P1 0 TA0 53 I O 通用数字 I O 定时器 A 捕获方式 CCI0A 输入 比较方 式 Out0 输出P1 1 TA0 MCLK 52 I O 通用数字I O 定时器 A 捕获方式 CCI0B 输入 MCLK输出 意 在这个引脚上 TA0只能输入 P1 2 TA1 51 I O 捕获方式 CCI1A 输入 比较方式 Out1 输出 P1 3 SVSOut 50I O 通用数字l I O SVS SVS 比较器的输出端 P1 4 49I O 通用数字 I O P1 5 TACLK ACLK 48 I O 通用数字 I O 定时器A输入时钟 ACLK输出 P1 6 CA0 47 I O 通用数字I O 比较器A输入脚 P1 7 CA1 46 I O 通用数字I O 比较器A输入脚 P2 0 TA2 45 I O 通用数字 I O 定时器 A 捕获方式 CCI2A 输入 比较 方式 Out2 输出P2 1 44I O 通用数字 I O P2 2 S23 35I O 通用数字I O LCD 段23输出脚 P2 3 S22 34I O 通用数字I O LCD 段22输出脚 P2 4 S21 33I O 通用数字I O LCD 段21输出脚 P2 5 S20 32I O 通用数字I O LCD 段20输出脚 P2 6 CAOUT S19 31 I O 通用数字I O 比较器A输出 LCD 段19输出脚 P2 7 S18 30I O 通用数字I O LCD 段18输出脚 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 11 页 共 31 页 P3 0 S17 29I O 通用数字I O LCD 段17输出脚 P3 1 S16 28I O 通用数字I O LCD 段16输出脚 P3 2 S15 27I O 通用数字I O LCD 段15输出脚 P3 3 S14 26I O 通用数字I O LCD 段14输出脚 P3 4 S13 25I O 通用数字I O LCD 段13输出脚 P3 5 S12 24I O 通用数字I O LCD 段12输出脚 P3 6 S11 23I O 通用数字I O LCD 段11输出脚 P3 7 S10 22I O 通用数字I O LCD 段10输出脚 引脚名称 编号I O 描 述 P4 0 S9 21 I O 通用数字I O LCD 段9出脚 P4 1 S8 20 I O 通用数字I O LCD 段8脚 P4 2 S7 19 I O 通用数字I O LCD 段7出脚 P4 3 S6 18I O 通用数字I O LCD 段6出脚 P4 4 S5 17 O通用数字I O LCD 段5出脚 P4 5 S4 16I O 通用数字I O LCD 段4出脚 P4 6 S3 15I O 通用数字I O LCD 段3输出脚 P4 7 S2 14I O 通用数字I O LCD 段2输出脚 P5 0 S1 13I O 通用数字I O LCD 段1输出脚 P5 1 S0 12I O 通用数字I O LCD 段0输出脚 COM0 36OLCD公共输出端COM0 P5 2 COM1 37I O 通用数字I O LCD公共输出端COM1 P5 3 COM2 38I O 通用数字I O LCD公共输出端COM2 P5 4 COM3 39I O 通用数字I O LCD公共输出端COM3 R03 40ILCD 模拟电平第四极输入脚 最低电平V5 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 12 页 共 31 页 P5 5 R13 41I O 通用数字I O LCD 模拟电平第三极输入脚 最低电平V3或V4 P5 6 R23 42I O 通用数字I O LCD 模拟电平第二极输入脚 最低电平V2 P5 7 R33 43I O 通用数字I O LCD 模拟电平第一极输入脚 最低电平V1 P6 0 59I O 通用数字I O脚 P6 1 60I O 通用数字I O脚 P6 2 61I O 通用数字I O脚 P6 3 2I O 通用数字I O脚 P6 4 3I O 通用数字I O脚 P6 5 4I O 通用数字I O脚 P6 6 5I O 通用数字I O脚 P6 7 6I O 通用数字I O脚 RST NMI 58I复位输入脚或非屏蔽终端输入端 TCK 57I测试时钟 TCK 是芯片编程和测试的时钟输入脚 TDI 55I测试数据输入 TDI用作数据输入 芯片的保护熔丝与TDI相连 TDO TDI 54I O 测试数据输出 TDO TDI做为数据输出或编程数据输入端 TMS 56I测试模式选择 TMS在芯片编程和测试时是输入脚 XIN 8I晶体振荡器XT1输入脚 可以连接标准晶体或晶体振荡器 XOUT TCLK 9I O 晶体振荡器XT1输入脚 或测试时钟输入脚 4 4 2 2 电电源源部部分分设设计计 MSP430F149 的电源有模拟和数字电源 采用一点接 数字地和模拟地也一 样采用一点接地 电压接 3 3V 接地端接地 如图 4 2 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 13 页 共 31 页 图 4 2 电源接线图 4 34 3 传感器部分传感器部分 在设计中采用光电传感器采集信号 光电转速传感器是根据光敏二极管工作 原理制造的一种感应接收光强度变化的电子器件 当它发出的光被目标反射或阻 断时 则接收器感应出相应的电信号 它首先把被测量的变化转换成光信号的变 化 然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号 从光源发出的光通过测速 齿盘上的齿槽照射到光电元件上 使光电元件感光 假如测速齿盘上有30个齿槽 当测速齿槽旋转一周 光敏元件就能感受与开孔数相等次数的光次数 对于被测 电机的转速在90 1700r min的来说 每转一周产生30个电脉冲信号 因此 传感 器输出波形的频率的大小为 45Hz f 850Hz 测速齿盘装在发射光源 红外线发光二极管 与接收光源的装置 红外线接收二 极管 之间如图 4 3 1 红外线发光二极管负责发出光信号 红外线接收三极管负责 接收发出的光信号 产生电信号 每转过一个齿 光的明暗变化经历了一个正弦 周期 即产生了正弦脉冲电信号 图4 3 传感器原理图 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 14 页 共 31 页 光电传感器是应用非常广泛的一种器件 有各种各样的形式 如透射式 反 射式等 基本的原理就是当发射管光照射到接收管时 接收管导通 反之关断 以透射式为例如图 4 4 当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时 开关管 关断 否则打开 为此 可以制作一个遮光叶片如图 4 5 安装在转轴上 当扇 叶经过时 产生脉冲信号 当叶片数较多时 旋转一周可以获得多个脉冲信号 图 4 4 光电传感器的原理图 图 4 5 遮光叶片 被测物理量经过传感器变换后 往往成为电阻 电流 电压 电感等某种电 参数的变化值 为了进行信号的分析 处理 显示和记录 须对信号作放大 运 算 分析等处理 这就引入了中间变化电路如图 4 6 图 4 6 信号转换图 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 15 页 共 31 页 其中 R1 R4 起限流作用 R2 起分流作用 R3 为输出电阻 CD4093 是施 密特触发器 当调制盘上的梯形孔旋转至与光电开关的透光位置重合时 触发器 输出高电平 当通光孔被遮住时 触发器输出低电平 4 44 4 复位电路复位电路 复位是一个很重要的操作方式 但单片机本身是不能自动进行复位的 必须 配合相应的外部电路才能实现 MSP430 的复位电路包括一个上电复位 POR 和上电清除信号 PUC POR 是 设备复位信号 它通常在以下三种事件发生时被触发 a 上电 b 复位模式下 RST NMI 脚出现低电平 c 电压监控设备 Brownout 触发 当供电电压 VCC 缓慢上升时 POR 监测器保持 POR 信号有效直到 VCC 超 出 VPOR 水平 当供电电压 VCC 快速上升时 POR 延时 t POR DELAY 提供了足 够长的有效 POR 信号以确保 MSP430 有足够的时间进行初始化 典型的复位电路有一下 3 种 1 在 RST NMI 管脚上接 100K 欧的上拉电阻 2 在 1 的基础上再接 0 1uf 的电容 电容的一端接地 可以使复位更加 可靠 3 在 2 的基础上 再在电阻上并接一个型号为 IN4008 的二极管 可以 可靠的实现系统断电后立即上电 图 4 7 复位电路图 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 16 页 共 31 页 在这里我们采用第二种方式 电路图如图 4 8 图 4 8 复位图 4 54 5 晶振电路晶振电路 晶振是晶体振荡器的简称 在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联 再串联一个电容的二端网络 电工学上这个网络有两个谐振点 以频率的高低分 其中较低的频率是串联谐振 较高的频率是并联谐振 晶振的作用是给单片机正 常工作提供稳定的时钟信号 如 430 使用 8MHZ 外接晶振与 XT2 输入口相连构成 高频振荡器 使用 32 768KHZ 与 XT1 输入口相连构成低频振荡器 MSP430 系列单片机时钟模块包括数控振荡器 DCO 高速晶体振荡器和低速 晶体振荡器等 3 个时钟源 这是为了解决系统的快速处理数据要求和低功耗要求 的矛盾 通过设计多个时钟源或为时钟设计各种不同工作模式 才能解决某些外 围部件实时应用的时钟要求 如低频通信 LCD 显示 定时器 计数器等 数字 控制振荡器 DCO 已经集成在 MSP430 内部 在系统中只需设计高速晶体振荡器和 低速晶体振荡器两部分电路 低速晶体振荡器 LFXTl 满足了低功耗及使用 32 768kHz 晶振的要求 LFXTl 振荡器默认工作在低频模式 即 32 768kHz 也可以通过外接 450kHz 8MHz 的高速晶体振荡器或陶瓷谐振器工作在高频模式 在本电路中我 们使用低频模式 晶振外接 2 个 22pF 的电容经过 XIN 和 XOUT 连接到 MCU 高速晶振也称为第二振荡器 XT2 它为 MSP430F149 工作在高频模式时提供 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 17 页 共 31 页 时钟 XT2 最高可达 8MHz 在系统中 XT2 采用 4MHz 的晶体 XT2 外接 2 个 22pF 的电容经过 XT2IN 和 XT2OUT 连接到 MCU 图 4 9 晶振电路图 图 4 10 晶振图 4 64 6 显示部分设计显示部分设计 显示电路采用数码管动态显示 是一种外加电压从而渡过电流并发出可见光 的器件 LED 是属于电流控制器件 使用时必须加限流电阻 LED 有单个 LED 和八段 LED 之分 也有共阴和共阳两种 把这些发光二极管的正极接到一块 一 般是拼成一个 8 字加一个小数点 而作为一个引脚 就叫共阳的 相反的 就叫 共阴的 那么应用时这个脚就分别的接 VCC 和 GND 再把多个这样的 8 字装在 一起就成了多位的数码管了 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 18 页 共 31 页 图 4 11 数码管 图 4 12 共阳和共阴型 数码管要正常显示 就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码 从而显示出 我们要的数字 因此根据数码管的驱动方式的不同 可以分为静态式和动态式两 类 静态显示驱动 静态驱动也称直流驱动 静态驱动是指每个数码管的每一个 段码都由一个单片机的 I O 端口进行驱动 或者使用如 BCD 码二 十进制译码器 译码进行驱动 静态驱动的优点是编程简单 显示亮度高 缺点是占用 I O 端口 多 如驱动 5 个数码管静态显示则需要 5 8 40 根 I O 端口来驱动 实际应用时 必须增加译码驱动器进行驱动 增加了硬件电路的复杂性 动态显示驱动 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方 式之一 动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划 a b c d e f g dp 的 同名端连在一起 另外为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路 位选 通由各自独立的 I O 线控制 当单片机输出字形码时 所有数码管都接收到相同 的字形码 但究竟是那个数码管会显示出字形 取决于单片机对位选通 COM 端 电路的控制 所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开 该位就显示出 字形 没有选通的数码管就不会亮 通过分时轮流控制各个数码管的的 COM 端 就使各个数码管轮流受控显示 这就是动态驱动 在轮流显示过程中 每位数码 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 19 页 共 31 页 管的点亮时间为 1 2ms 由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应 尽管 实际上各位数码管并非同时点亮 但只要扫描的速度足够快 给人的印象就是一 组稳定的显示数据 不会有闪烁感 动态显示的效果和静态显示是一样的 能够 节省大量的 I O 端口 而且功耗更低 这里采用动态显示 显示的段码表为 表 4 2 段码表 显示字符共阴极段选 码 共阳极段选 码 显示字符共阴极段选 码 共阳极段选 码 0 1 2 3 4 3FH 06H 5BH 4FH 66H C0H F9H A4H B0H 99H 5 6 7 8 9 6DH 7DH 07H 7BH 6FH 92H 82H F8H 80H 90H 由以上分析及图表可得信号输入图为 图 4 13 显示部分图 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 20 页 共 31 页 5 5 超声波电机转速测量系统的软件设计超声波电机转速测量系统的软件设计 硬件电路完成以后 进行系统软件设计 首先要分析系统对软件的要求 然 后进行软件的总体的设计 包括程序的总体设计和对程序的模块化设计 按整体 功能分为多个不同的模块 单独设计 编程 调试 然后将各个模块装配联调 组成完整的软件 根据设计的要求 单片机的任务是 内部进行计数 在计算出速度后显示 软件编程用 C 语言完成的 需要能掌握 C 语言 下面作简单介绍 系统软件主程 序的功能是完成系统的初始化 显示程序 单片机测量转速可以分为若干模块 然后在主程序中调用各个模块 流程图 如下图所示 返回 图 5 1 主程序流程图 5 15 1 定时计数流程图定时计数流程图 开始 单片机初始化 读取计数值 二转十进制 显示程序 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 21 页 共 31 页 开始 开定时器 开计数器 计数 1s 定时1s 读出计数器值并清零 计数 器计时器重新初始化 图 5 2 定时器流程图 430TA 初始化 TACTL TACLR 清零 TAR CCTL0 CCIE 允许定时器中断 CCR0 16384 定时 0 5s TACTL MC0 增计数模式 EINT 使能中断 启动振荡器 BCSCTL1 启动 XT1 XT1 上电后默认是关闭的 do IFG1清除震荡器失效标志 for i 0 i 0 xff i 延时 待稳定 while IFG1 int i m m 0 for i 0 i strlen p i m m p i i return m 把计数值按从低四节到高四节的顺 序一次放入字符串中 m m p i i 计数值m 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 23 页 共 31 页 5 35 3 显示程序显示程序 这里采用动态显示 每个数码管亮 2ms 图 5 3 显示流程图 include define uchar unsigned char define uint unsigned int uint m n 计数器的值 uchar i j uchar code table 0 xc0 0 xF9 0 xA4 0 xB0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xF8 0 x80 0 x90 delay uint n uint i j for i n i 0 i for j 110 j 0 j xian shi uchar bai shi ge 开始 数码管初始化 第一位数码管亮 2ms 后下一个 数码显示 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 24 页 共 31 页 bai m 100 shi m 100 10 ge m 10 P5 0 x04 P4 table bei delay 2 P5 0 P5 0 x02 P4 table shi delay 2 P5 0 P5 0 x01 P0 table ge delay 2 P2 0 综上系统的总程序为 include define uchar unsigned char define uint unsigned int uint m n 计数器的值 uchar i j uchar code table 0 xc0 0 xF9 0 xA4 0 xB0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xF8 0 x80 0 x90 delay uint n uint i j for i n i 0 i for j 110 j 0 j xian shi uchar bai shi ge 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 25 页 共 31 页 bai m 100 shi m 100 10 ge m 10 P5 0 x04 P4 table bei delay 2 P5 0 P5 0 x02 P4 table shi delay 2 P5 0 P5 0 x01 P0 table ge delay 2 P2 0 Zhuan huan char p 字符串 int i m m 0 for i 0 i strlen p i m m p i i return m Timer 定时器初始化 TACTL TACLR MC0 WDTCTL WDTPW WDTHOLD TACTL TAIE 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 26 页 共 31 页 CCTL0 CCIE CCR0 16384 EINT main Timer P4 0 While 1 xian shi delay 2 pragma vector BASICTIMER VECTOR interrupt void basic timer void CCRO 16384 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 27 页 共 31 页 6 6 结论结论 采用单片机技术来实现转速的测量 可以提高转速的测量 可以提高转速测 量的精确度 并且加快了采样的速率 具有较好的实时性 本文介绍的转速方法 使用于高 低转速的测量 测量精确度与转速无关 因而具有较宽的应用范围和 广阔的应用的前景 基于单片机的转速测量系统 具有硬件电路简单 程序简单和运算速度快 测速范围广 抗干扰性能好的特点 在设计的信号处理电路中经过滤波 能够进 一步减少误差 是测速精度得到提高 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 28 页 共 31 页 附录附录 系统原理图系统原理图 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 29 页 共 31 页 参考文献参考文献 1 陈欢 史敬灼 基于遗传神经网络的超声波电机转速控制系统 J 电机与控 制应用 2010 6 2 陈欢 史敬灼 一种基于DSP的超声波电机速度控制系统 J 微电机 2008 4 3 傅平 余作霸 郭吉丰 沈润杰 基于DSP的超声波电机步距角检测机构和步 进定位控制 J 江南大学学报 自然科学版 2008 3 4 周季锋 基于LT3572压电电动机的驱动设计 J 机电产品开发与创新 2008 6 5 张建桃 张铁民 超声电机伺服控制技术研究进展 J 电机与控制学报 2009 6 6 王敏才 基于DSP的超声波电机转速控制特性的研究 D 南京 东南大学 硕士学位论文 2006 7 傅平 郭吉丰 丁敬 周广睿 沈润杰 基于神经元自适应PID的超声波电机速 度位置控制 J 电工技术学报 2007 2 8 吴国祥 黄建明 陈国呈 变速恒频双馈风力发电运行综合控制策略 J 电 机