基于MSP430F6638的直流调速系统设计

南京理工大学毕业设计说明书论文作者姜泽飞学号1010190425学院系自动化学院专业电气工程及其自动化题目基于MSP430F6638的直流调速系统设计指导者评阅者2014年5月徐志良教授讲师朱建良毕业设计说明书（论文）中文摘要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、具有精简指令集的混合信号处理器（MIXEDSIGNALPROCESSOR）。本系统采用MSP430F6638作为主控芯片，使用MSP430定时器的PWM输出功能及MSP430的段式液晶驱动功能，通过编写程序采集AD采样获得电位器所在位置，将电位器所在位置转换为控制直流电机的PWM信号，对直流电机上安装的光电门产生的脉冲进行测量，得到电机转速信息，并将电机转速显示在液晶屏上。在这个过程中，改变电枢电压，升压就升速，降压就降速，实现调速功能。本系统采用CCSCODECOMPOSERSTUDIO为开发环境，它包含适用于每个TI器件系列的编译器、源码编辑器、项目构建环境、调试器、描述器、仿真器、实时操作系统以及多种其他功能。关键词直流电机调速；MSP430F6638；电机测速毕业设计说明书（论文）外文摘要TITLEDESIGNONDCMOTORSPEEDCONTROLBASEDONMSP430F6638ABSTRACTTEXASINSTRUMENTSMSP430MCUISTI1996THEMARKETBEGANTOPUSHA16BITULTRALOWPOWER,MIXEDSIGNALPROCESSORWITHMIXEDSIGNALPROCESSORREDUCEDINSTRUCTIONSETTHESYSTEMUSESMSP430F6638ASTHEMASTERCHIP,USINGMSP430TIMERPWMOUTPUTFUNCTIONANDSEGMENTLCDDRIVERFEATURESTHEMSP430,ADSAMPLINGTOOBTAINTHELOCATIONOFTHEPOTENTIOMETERTHROUGHPROGRAMMINGACQUISITION,THELOCATIONOFPOTENTIALCONVERTSDCMOTORCONTROLPWMSIGNALOPTICALPULSEDCMOTORMOUNTEDONTHEDOORPRODUCEDISMEASUREDTOOBTAININFORMATIONONMOTORSPEEDANDMOTORSPEEDISDISPLAYEDONTHELCDSCREENINTHEPROCESS,CHANGINGTHEARMATUREVOLTAGE,THEBOOSTONACCELERATION,DECELERATIONBUCKONTOACHIEVESPEEDCONTROLFUNCTIONTHESYSTEMUSESCCSCODECOMPOSERSTUDIOISADEVELOPMENTENVIRONMENT,WHICHINCLUDESAPPLICABLETOEACHDEVICEFAMILYTICOMPILER,SOURCECODEEDITOR,PROJECTBUILDENVIRONMENT,DEBUGGER,PROFILER,SIMULATORS,REALTIMEOPERATINGSYSTEMANDAVARIETYOFOTHERFUNCTIONKEYWORDSDCMOTORSPEEDFIELDTYPELCDDRIVERMOTORSPEEDMEASUREMENT本科毕业设计说明书（论文）第页共页目次1绪论111引言112MSP430F6638直流调速系统的应用及意义113课题目的214MSP430F6638直流调速系统的国内外研究现状和发展趋势215课题要求32MSP430F6638直流调速系统的设计421段式液晶显示器622拨盘电位器923直流电机1124光耦测速模块133系统软件设计1431段式液晶显示器关键程序设计与实现1532直流电机关键程序设计与实现1733ADC12与电位器关键程序设计与实现1934直流电机调速主程序设计与实现214系统调试25总结和展望28致谢30参考文献31附录32本科毕业设计说明书（论文）第1页共29页1绪论11引言当今社会1，随着科技的创新与进步，以及人们对电的更多依赖，电机控制系统人们的日常生活与工作起着举足轻重的作用，上至航空航天，下至工业农业，无处不见电机控制系统。因此，就目前看来，人们对电机控制系统的不断完善和开发，有着十分重要的作用。自从19世纪以来，直流电动机调速系统就已经被广泛的应用到各个角落，而且在电机调速领域中占据着半壁江山，它不仅方便可靠，而且在磁场恒定不变的情况下，转速和电压成正比，相对而言更容易控制转矩他的启动性能相比较而言非常好，可以更平缓和经济的调整转速。因此，在大多数情况下，我们如果想得到更好的动态特性的话，就可以用直流电机调速。由于直流电机的启动和制动性能相比其它电机要好一些，而是它的技术更完善，所以长期以来我们都可以在轧钢机，挖土机，金属切削机床，高层电梯等领域看见它的身影。虽然交流驱动系统在近几年发展迅速有赶超的势头，但是毕竟，在理论上和时间上直流控制系统相比较而言更加成熟，况且我们如果换个角度，从反馈回路控制的方面来看直流电机，它也是交流系统的基础。相比较而言，交流调速系统还没有直流调速系统完善，还需要时间研发和推广。因此，直流调速系统比交流调速系统在速度控制系统等领域要占有着更多的市场和更高的地位，但是在不久的将来，交流调速系统可定也会有更多的人信赖它。12MSP430F6638直流调速系统的应用及意义直流电机是最早被研发2，并已被大规模推广的一类电机。各种类型的电机中，直流电机因为具有良好的制动性能，起动性能，高速性能，并能快速响应，并在工业，农业、医疗、航空航天，军事、民用、数字控制和其他一些领域得到了广泛的应用。在当今技术领域，直流电机凭借其独特的优势在众多电机中脱颖而出，至今仍广泛应用于自动控制，电子科技等其他领域。与此同时，直流电动机可以迅速无级变速启动，停止，加速，减速，以及正向和反向运行。随着生产工艺的改进，和对自动控制系统要求的提高，通过改变电枢回路电阻和电压来实现直流电机转速的调整，已经无法满足现代工业科技的要求，因此，PWM调速技术应运而生，并得到本科毕业设计说明书（论文）第2页共29页了更好更快的发展。PWM速度控制系统中需要更少的部件，并且电路结构简单，控制灵活，耐用性好，调速范围广，控制方法多样化，同时又与数字信号兼容通信，因此，在工业领域已被广泛应用，促进产业化的发展。由此可见，学习研究直流电机PWM调速系统为我们今后的工作是非常重要的。本课题采用单片机为控制装置，来实现直流电机调速的目的。通过本次毕业设计，不仅可以加深我们对本科所学知识的理解和专业知识的应用，而且对我们未来的工作和发展有着积极的意义。13课题目的随着科技的进步和社会对生产技术，产品的质量和产量的要求不断提高，需要越来越多的自动化生产设备，以实现自动调速。由于这种调速方法具有很好的的线性调速特点，控制方法简单，效率更高，以及良好的动态特性，当今仍是控制电机速度的最佳选择。因此，直流电机调速的研究具有非常重要的意义。根据目前的趋势，单片机的开发日益完善，TI公司的MSP430系列单片机，能够游刃有余的控制直流电机，它能很轻松的的完成直流电机的平滑调速，换句话说就是可以平缓改变电机电枢电压，实现电机加速，减速，反转和正传功能。14MSP430F6638直流调速系统的国内外研究现状和发展趋势单片机，也称为微控制器或微处理器，通常被统称微处理单元（MICROCONTROLLERUNIT简写MCU）3,4,5。一般来说，微控制器就是在一个单一的硅片上集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、以及多种I/O的完整的数字处理系统。二十世纪，微电子，集成电路产业发展迅猛，单片机由于其功能强大、价格便宜却使用灵活的特点，使其发展受到人们的广泛关注，并在计算机应用领域发挥着极其重要的作用。国内外基于单片机的直流调速系统的设计也比较成熟，然而在基于MSP430F系列单片机的驱动系统设计方面上，国内还是起步比较晚，主要是因该核心芯片在国内还处于学习模仿阶段，人们的接触还是比较少。虽然MSP430系列单片机早在1996年就由西方国家推向了市场，它集成了比较丰富的片内外设，有看门狗、温湿度测量显示、TOM猫语音对话等，具有超低功耗，运算速度快、处理能力强等特点，但也有操作按键多而繁琐等缺陷。但是在国对该芯片的研究起步比西方国家晚，而且MSP430F6638是MSP430系列中最新的芯片，对其的开发和运用更是偏少。本科毕业设计说明书（论文）第3页共29页15课题要求1查阅MSP430F6638单片机及相关文献资料，完成文献综述。要求综合15篇以上文献，符合文献综合撰写规范。2完成开题报告。要求符合开题报告撰写规范；3按直流调速统的技术要求，选择方案，要求阐述方案工作原理；4利用PROTEL99SE设计软件，熟悉系统的硬件电路，并完成相关的驱动程序设计，对硬件电路和相关软件程序加以必要说明；5完成MSP430F6638的上电初始化设计，保证单片机能够正常工作；6完成直流调速系统驱动程序设计，实现电机控制功能；本科毕业设计说明书（论文）第4页共29页2MSP430F6638直流调速系统的设计本系统由MSP430F6638单片机（如图21）、直流电机、驱动、LCD显示器、电位器等元件组成。在这里面，MSP430F6638单片机是整个调速系统的核心。该直流调速系统系统使用MSP430定时器的PWM输出功能及MSP430的段式液晶驱动功能，通过编写程序采集AD采样获得电位器所在位置，将电位器所在位置转换为控制直流电机的PWM信号，对直流电机上安装的光电门产生的脉冲进行测量，得到电机转速信息，并将电机转速显示在液晶屏上。本课题主要侧重驱动程序的设计调试工作，同时要完成整个系统的联调工作。MSP430F66386,7,9,10是微控制器系列产品，配置有一个高性能12位模数（A/D）转换器、比较器、2个通用串行通信接口（USCI）、USB20、硬件乘法器、DMA、4个16位计时器，具有报警功能的实时时钟模块，这些都是别的型号单片机所不具有的。MSP430机箱特性1）MSP430可提供200多种超低功耗微处理器器件；2）每个器件具有灵活的时钟系统，启用了多达7种低功率模式（LPM），可提高优化性能；3）如果配以低于1UM的即时唤醒时间以及各种中断源，MSP430可确保应用仅仅使用手动执行任务时所需的相对时钟和外设；4）灵活电源管理系统电源电压管理、监控和暂时限电；5）各种低功耗工作模式超低功耗工作模式最低120A/MHZ22V；待机模式，具有自我唤醒功能、RAM保持模式LPM3最低07A22V；待机模式，具有自我唤醒功能LPM4最低低于100NA22V；停机模式，具有RAM保持模式LPM35最低低于100NA22V；6）单一时钟系统FLL控制环路用于频率稳定；低功耗/低频内部时钟源VLO；低频修整内部参照源REFO；本科毕业设计说明书（论文）第5页共29页32KHZ晶体XT1；高达32MHZXT2的高频晶体；MSP430机箱特点1）集成度可以在一个单芯片上可以实现一整套设计；2）成本低成本设备；3）时钟频率和其他设备（如微处理器和DSP）比起来，微控制器（MCUS）采用更低的时钟频率MCUS通常可以跑到100MHZ/100MIPS（每秒百万条指令数），具有电源电压备份开关的实时时钟模块；4）功耗低功耗（电池供电）；5）位数4位（老设备）到32位设备，硬件乘法器支持32位运算；5）内存有限的可用内存，通常小于1M字节；6）输入/输出（I/O）8到150个输出引脚。7）低操作电压（从18V到36V）；8）TARGETCONFIGURATIONFILE（如图41所示）；在FILENAME中将配置文件名后缀改为CCXML，如图42所示图41创建目标配置文件本科毕业设计说明书（论文）第20页共29页图42配置目标文件在本课题中是创建F6638开发板的目标配置文件，所以将配置文件命名为MSP430F6638CCXML；单击FINISH，打开目标配置编辑器；将CONNECTION选项保持默认在BOARDORDEVICE菜单中选择单片机的型号，在此选择MSP430F6638，如图43所示图43选择单片机型号配置完成之后，单击SAVE，配置将自动设置为活动模式。把编好的主程序在CCS环境下调试，由于编译只能检查语法是否存在错误，所以还要看是否存在逻辑错误。程序修改好以后，当编译显示0错误，0警告的时候，这表示编译没有错误产生，即可进行下载调试（如图44所示）；但这只能说明程序没有语法错误，而程序是否存本科毕业设计说明书（论文）第21页共29页在逻辑上的错误还要看程序接上实验板通过联调以后，步进电机能否正常旋转，段式液晶是否能正常显示。图44编译本科毕业设计说明书（论文）第22页共29页总结和展望自从大四刚刚放寒假，我就已经开始着手准备我的毕业设计，掐指一算，到现在已经有快半年的时间。如今，我的毕业设计顺利完成，论文也即将截稿。想想这一段历程，从一开始的无从下手，到老师的耐心指导使我找到思路，到最终自己建立起明确的设计构架，整个毕业设计的过程真的不知道如何才能表达。通过本次的毕业设计，我才意识到自己大学四年所学的知识面是多么的狭窄，遇到一些硬件问题都是无从下手，不知道如何解决，只好请教老师和研究生学长，听取了他们的意见后，我才发现有些问题真的是不知道就不懂，知道了就很容易解决。而当我通过自己的努力或者在老师的帮助下解决问题，看着自己的设计逐步成型时，心中的自豪感油然而生。其实写毕业论文也是一个漫长而艰苦的过程，需要大量的阅读和查找资料，然后用自己的话来说出其中的所以然，然后再对论文进行修改和润色，一旦有格式上的问题还要整片调动。通过半个学期的努力，我们的毕业设计也快要落下帷幕了，在没有做毕业设计之前我总觉得毕业设计很简单，弄两下就能完成，但是通过这次的经历来看，我真是太天真了。毕业设计其实是对大学四年所学知识的一种检测，涉及到硬件知识和软件知识，如果你只会搞硬件不会测试和调试程序，那是不可能完成这项任务的。这次的毕业设计使我发现了我们大学所学的知识还很肤浅，很多知识还没有掌握，自己要学的知识还有很多而且不止停留在书本，还有很多经验方面的。没开始弄毕业设计之前觉得自己什么都明白什么都了解一点，拿到任务书后也没太认真看就开始去做，结果就是摸不到头脑，眼高手低一点都不踏实。毕业设计其实和学习一样都是一个从逐渐积累到深入的过程，不能没学会走就开始跑，在以后的学习新知识接触新技术的时候我也会想起这次的经历，脚踏实地的学习，逐步提高自身的综合修养，同时也会注重实践和理论相结合的思想。本科中的毕业设计是每个大学生都要经历的，就像任何专业大一都要学数学一样。但是回想起来，它也是我们毕业前和同学和老师最难忘、最宝贵的一次经历。当我看到自己半年的付出终于有所回报时，心中也是充满了激动。在我看来，任何事情都需要我们按部就班、一个流程一个流程的去做。古话说，良好的态度是成功本科毕业设计说明书（论文）第23页共29页的一半，我们需要严谨的对待毕业设计，它才能给我们回馈一个好的成绩。其实一开始我们对毕业设计都有少许的畏惧之心，觉得它高不可攀，但是通过一条一丝的理清思路，我们最终都按老师的要求完成了毕业设计和论文的书写，其中更少不了老师的谆谆教导，我相信，这种喜悦每个人都能体会到。依我而见，基于MSP430F6638单片机直流电机调速系统的开发和研究是当今科技发展和工业需求必不可少的一个阶段，随着以后工艺的提高和科技的发展，工业、农业、军事、民用将会对直流调速系统的要求不断地提高，它们需要更完善的调速系统来满足它们对产量以及效率的需求。所以在我看来，我们研究直流电机调速系统对我们国家的经济发展和科技的提高有着举足轻重的作用。而MSP430F6638单片机由于问世较晚，功能相对其它单片机要新要全，它能够利用自身运算速度快、集成度高、外部设备丰富、超低功耗等优点，使得我们在设计系统时能适用更少的元件，让设计出来的直流调速系统更加简单易于操作，而且灵活耐用，既使设计成本得到了降低，又很好的改善了系统的功能。本科毕业设计说明书（论文）第24页共29页致谢本次毕业设计让我收获良多，特别是在使用软件编程方面，更是得到了真正的锻炼。在这里，我要感谢我的毕业指导老师，感谢他在此次的毕业设计中给了我莫大的帮助和指导，使我能按照预定的进度进行毕设工作。本次毕设课题虽然难度不大，但由于所用到单片机的型号比较新，编程又是我的弱项，所以对我来说，也不是那么容易解决的。在毕设初期，黄老师给了我很多文献资料，让我很快熟悉了该型号单片机的特性以及功用，在整个的毕设工作中，黄老师以及他所带的研究生学长都非常细心解答我在毕设中遇到的问题，在此，我深表谢意。本科毕业设计说明书（论文）第25页共29页参考文献1茅可心基于MSP430的外部存储器管理系统D沈阳阳航空航天大学北方科技学院，2013452胡祝兵基于单片机控制的直流电机调速系统的设计J承德石油高等专科学校学报,2008,100127293杨靖单片机控制的直流电机调速系统J机床电器,2008,0145474韩新红，华云松，尚亮基于PWM的直流电机调速系统设计J信息通信，2010，（01）33355胡大可MSP430系列单片机C语言程序设计与开发M北京北京航空航天大学出版社，20036魏小龙MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例M北京北京航空航天大学出版社，20027胡大可MSP430系列超低功耗16位单片机M北京北京航空航天大学出版社，20018柯南，非常电路设计PROTEL99之SCHEMATICM，北京，中国铁道出版社，20009TI公司，MSP430技术手册R，200410华清科仪（北京）科技有限公司，TIMSP430F6638教学开发系统实验指导书R，201211王辛之，王雷，翟成，王闪，单片机应用系统抗干扰技术，北京北京航空航天大学出版社M，200012沈建华，杨艳琴，MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践M北京北京航空航天大学出版社，200813华清科仪（北京）科技有限公司，TIMSP430F6638EVM用户手册R，201214孙传友，孙晓斌，测控系统原理与设计M，北京北京航空航天大学出版社，200715谢兴红MSP430单片机基础与实践M北京北京航空航天大学出版社，200816梁春娇基于MSP430的直流电机调速系统D石家庄石家庄铁道大学，201123本科毕业设计说明书（论文）第26页共29页附录MSP430F6638直流电机调速系统实物图本科毕业设计说明书（论文）第27页共29页系统主程序INCLUDEINCLUDEINCLUDE“DR_LCDSEGH“INCLUDE“CLOCK_SETTINGH“INCLUDE“DR_DC_MOTORH“UINT16_TADC0VOIDINITCLOCKWHILEBAKCTLUCSCTL6/启动XT1P7SEL|BIT2BIT3/XT2引脚功能选择UCSCTL6/启动XT2WHILESFRIFG1SFRIFG1UCSCTL4SELA_XT1CLKSELS_XT2CLKSELM_XT2CLK/避免DCO调整中跑飞UCSCTL1DCORSEL_5/6000KHZ237MHZUCSCTL2MCLK_FREQ/XT2_FREQ/16/XT2频率较高，分频后作为基准可获得更高的精度UCSCTL3SELREF_XT2CLKFLLREFDIV_16/XT2进行16分频后作为基准WHILESFRIFG1SFRIFG1本科毕业设计说明书（论文）第