基于MSP430实现的步进电机控制

1、作品概述第一节根本情况MSP430G2列Launchpad是TI推出的一款低本钱的开发平台. 它适用于适 用于TI最新MSP430G2xxK列产品,具基于USB的集成型仿真器可提供为全系 列MSP430G2xXS件开发应用所必需的所有软、硬件.本作品选择MSP430G2231为Launchpad核心板的单片机,采用Launchpad核心板加底板的形式,实现了对 步进电机的四相四拍和四相八拍限制,并实现了转动方向和转动速度的限制,并 且用数码管显示转动方向和转动速度的百分比.第二节软硬件总体设计方案本作品选择 MSP430G2231 Launchpad核心板的单片机,采用 Launchpad 核

2、心板加底板的形式,对步进电机进行限制.滑变,即滑动变阻器,用来限制电 机的转速,本系统共有两个拨动按键,一个拨动按键用来选择步进电机的模式, 如四相八拍或四相四拍,另一个拨动按键用来限制转动方向.数码管可用来显示 模式和方向,以及转速的百分比.系统总体设计框图如下图1.2.1系统总体设计框图在硬件设计时,只需设计外围电路,留出与 Launchpad核心板的接口即可,既节约了设计时间,又节省了本钱,而且无需额外购置仿真器,从而使设计本钱 到达最低.在软件设计方面,可充分利用G2系列单片机的各个功能模块,如时钟系统、TA定时器、ADC1瞅数转换器,看门狗,以及IO 口中断等资源,设计出高效率、 低

3、功耗、结构紧凑而又功能强大的产品.第一章 作品硬件系统设计第一节MSP430G2歹U Launchpad开发板组成及硬件资源情况介绍MSP430G2列Launchpad是TI推出的一款低本钱的开发平台. 它适用于适 用于TI最新MSP430G2xxK列产品,具基于USB的集成型仿真器可提供为全系 列MSP430G2xXS件开发应用所必需的所有软、硬件.LaunchPad具有集成的DIP 目标插座,可支持多达20个引脚,从而使MSP43(Value Line器件能够简便地 插入LaunchPad电路板中.此外,其还可提供板上 Flash仿真工具,以直接连 接至PC轻松进行编程、调试和评估.Lau

4、nchPad试验板还能够对eZ430-RF2500T 目标板、eZ430-Chronos手表模块eZ430-F2021T/F2021T目标板进行编程.止匕 外,它还提供了从MSP430G2xXS件至IJ主机PC或相连目标板的9600波特UART 串行连接.其实物图如图2,1所示.USB CornoctionDebugging wnd progrsmnijng int9rfceTwo LEDsSpy-Si-Wire and MSP43Q AQplFcationi UART图2.1.1 MSP430G2系列Launchpad开发板实物图Valuer Line dev icePush Bulions

5、MSP430Gg歹U LaunchpacFF发板硬件资源：? USB调试与编程接口无需驱动即可安装使用,且具备高达9600波特的UART串行通信速度?支持所有采用PDIP14或PDIP20封装的MSP430G2x*口MSP430F20X燔件?分别连接至绿光和红光LED的两个通用数字I/O引脚可提供视觉反应?两个按钮可实现用户反应和芯片复位?器件引脚可通过插座引出,既可以方便的用于调试,也可用来添加定制的扩展板?高质量的20引脚DIP插座,可轻松简便地插入目标器件或将其移除第二节关键器件选型以及性能指标参数一、步进电机本作品选用的是常州市德利来电器生产的35BY48BH1圆步进电机,其技术数据、

6、接线图、外形图和实物图如下所示1.技术数据型号步矩角相数电压电流电阻电感(400Hz)最大静 转矩定位转距转动惯量引线规格35BY48BH107.54120.2864225400907.9UL1095 AWG282.接线图&外形图&实物图图二.1接线图图二.2外形图图二.3实物图二、L298N 作为电机驱动的核心器件,电机驱动芯片的选型对整个系统的可靠性和性能都起着至关重要的作用.本作品中选用了意法半导体ST生产的L298N电机驱动芯片.其关键指标如下:图2.2.1 L298N实物图1 .供电电压可高达46V,直流电流可达4A.完全满足步进电机的驱动要求.2 .低饱和电压.3

7、.过热保护.4 .逻辑0输入电压可达1.5V,可有效抑制噪声；逻辑1输入电压可低至2.3V,所以可以用430单片机直接驱动.综上可见,L298N电机驱动芯片可以完全满足本作品的要求.三、Max7219由于IO引脚有限,所以采用串行方式限制数码管,数码管驱动芯片选择 Max7219它最多能驱动8位数码管,能独立完成刷新扫描而不需要单片机的参 与,每位独立限制,内部有解码器,可选择解码和不解码两种方式,亮度可以通 过数字或模拟方式限制.从各个方面来讲,它都是本例的最正确选择.第三节 系统原理图和单元电路介绍系统主要由单片机,电机驱动电路,限制电路,电源电路以及数码管显示电路组成,系统原理图如图2,

8、3,1所示4O0图2.3.1 系统原理图下面是各个模块的具体介绍：1 .电机驱动模块由于L298N逻辑1输入电压可低至2.3V,所以可以用430单片机直接驱动, IN1、IN2、IN3和IN4接到单片机管脚上.Vss接供电电压,Vs接输入逻辑电压, 可接3.3V,本例为了走线方便,直接接 5V.EN A和EN B接高电平,I SEN A、 I SEN B通过一个小电阻接地,目的是限制负载电流过大, OUT1 OUT2 OUT3 和OUT4ft接接步进电机,由于电机的感性器件,电流不能突变,所以接上 8个 二极管以保护电源.另外在 Vss和Vs附近必须接一个100uF的电容,当这个大 电容离器件

9、太远时,必须在近处再接一个小电容.'llC-4L2W2 口：-i图2.3.2电机驱动模块DJ *sin口131111匚匚丁 OLT；国;1A 西川B亍.4JL由cDcwj2 .电机限制模块如下图,滑变用来限制电机的速度,Speed接到单片机的A7脚上,通过 测量电压值,计算出恰当的延时时间,到达限制速度的目的.转动方向和Mode用来改变电机的转向和模式,即选择四相四拍或四相八拍模式.vcc|R4 10KR5WKPailSpeedS2ModeA io deoDirection图2.3.3电机驱动模块3 .数码管显示模块由于IO引脚有限,所以采用串行方式限制数码管,数码管驱动芯片选择Max

10、7219它最多能驱动8位数码管,能独立完成刷新扫描而不需要单片机的参与,每位独立限制,内部有解码器,可选择解码和不解码两种方式,亮度可以通过数字或模拟方式限制.从各个方面来讲,它都是本例的最正确选择D2 DIXD3 CLKdTToad9TGND ,1阮 ID 2D 3D 4D 5D 6D P SD GNDVCCIQ4Q >Q 6Q Q SQ LE15C31041 14 D©:二 TT1VCCFHC5 门图2.3.4电平转换模块14 SEG A T9-CLX-SEGDSEGDP21 SEGESEGCk4DINDQUTDIG 0SIG DDTGJSEGDPGDSEGEDIGSSEG

11、CDIG 2V)DIG 3ISETDIG ?SEG GGNDS£GBDIG 5SEGFDIG 1SfG ALOADCLKITTsSEGGSEGBSEGF 4 K-5图 2.3.5数码管驱动模块SMGlLtL& XIVI禀 L-Bu S必附ss注意在使用时必须在该芯片监近接一个大电容,比方4.7uF.由于它是5V逻辑电平,而 MSP43Q1 3.3V电平,所以用74HC5731行电平转换.数码管用的是共阴极四位数码管,这是由驱动芯片Max7219决定的第四节PC琳与系统元器件清单1 . PCB 板:ft5g w<? if n f" Inooooooo<?o

12、 00尹-i.j_ .o0PoooQoacselJ Llr0凸口门凸CCJ口口口图2.4.1 PCB板正面公部<-:.器*# O:图2.4.2 PCB板反面2 .系统兀件清单如表2.4.1所小表2.4.1元件清单CommentDescriptionLibRefQuantitySpeed'Potention MeterPOT_Control1104CapacitorCAP310KResistorRes2447KResistorRes2150RResistorRes22LED8_X4四位数码管LED8_X4174HC573电平转换芯片74HC5731Max7219Digital LE

13、D DriverMax72191IN4007二极管IN40078MSP430G2231DIP-14MSP430G2X311Heat sink-298散热片Heat sink-2981On/Off带自锁的按键KEY_LOCK1L298NDual Full BridgeDriverL298N15VHeader, 2-PinHeader 21100uFCapacitorCAPACITOR POL14.7uFCapacitorCAPACITOR POL1Stepping Moter步进电机Stepping Moter1Direction转向SW SPDT1Mode模式SW SPDT1第五节PC琳设计要

14、求和考前须知由于是大功率器件,所以100uF电容必须离芯片越近越好,否那么应再在L298N附近加上一个小电容,此外二极管也必须离芯片输出引脚越近越好.Max7219的电容也应该离芯片越近越好.第六节安装调试考前须知由于是大功率器件,所以要加散热片,安装时就先焊散热片,再插入L298N用螺丝固定到散热片上后,再焊 L298N的各个管脚.安装好的实验板、插上Laundrypad核心板后的实验板,以及连接上步进电机的实验板如下列图所示.图六.1 安装好的板子图 六.2插上Laundrypad核心板后的实验板图六.3连接上步进电机的实验板第二章 作品软件系统设计第一节程序流程图介绍本作品软件程序通过单

15、片机 P1.0、P1.1、P1.2和P1.3依次输出高或低产生 一定的相序来驱动电机驱动芯片,进而驱动步进电机；而转向和模式是通过重复 扫描相应按键,判断其相应的上下从而对电机的转向和模式进行限制.系统流程 图如图3.1.1所示.:开始图3.1.1 系统流程图通过AD对滑变的电压值的采样来决定转动速度的快慢,这局部是在AD中断中进行的.AD中断效劳子程序如图3.1.2所示.图3.1.2中断效劳子程序程序流程说明：处理数据和显示转速百分比是放在主循环里的,但是为了逻辑上了连续,把它们放到后面和中断效劳子程序一起介绍.第二节子程序介绍1.初始化函数初始化函数用于设置系统的时钟、IO的配置,各个模块

16、的配置,以及各个 功能模块的初始化,只在系统初始化执行一遍,正面仅出几个重要的初始化函数 的源代码,其余的读者可以自己根据需要编写：(1)函数名：void Init_CLK();输入输出变量：无功能：时钟配置(2) 函数名：void Init_IO();输入输出变量：无功能：IO配置(3) 函数名：void ConfigI_ADC();输入输出变量：无功能：ADCS已置void ConfigI_ADC()(/* Configure ADC Channel 7 */ADC10CTL1 = INCH_7 + ADC10DIV_3; / ADC10CLK/4ADC10CTL0 = SREF_1 +

17、ADC10SHT_3 + REFON + ADC10ON + ADC10IE;_delay_cycles(100);/Wait for ADCRef to settle(4) 函数名：void ADC_Sample();输入输出变量：无功能：开始AD采样void ADC_Sample() (ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC; / Sampling and conversion start (5) 函数名：函数名：void Init_Max7219();输入输出变量：无功能：配置Max7219的工作模式void Init_Max7219(void)(Write_Max7219

18、(SHUT_DOWN,0x01);Write_Max7219(DISPLAY_TEST,0x00);Write_Max7219(DECODE_MODE,0x00);/Write_Max7219(SCAN_LIMIT,0x03);Write_Max7219(INTENSITY,0x01);/4/开启正常工作模式(0xX1)选择工作模式(0xX0)选用全译码模式只LED设置初始亮度2.功能子函数功能子函数用来实现电机转速的限制,通过对按键的扫描实现电机模式和转向的切换,电机的驱动,以及相关参数在数码管上的显示(1)函数名：void SpeedCtrl( void );输入输出变量：无功能：计算延时

19、系数,进而限制转速void SpeedCtrl() (SpeedPercent = ADC_Result*121>>10;delay =50000L-SpeedPercent*500L;/数字后面的L声明这是一个长整型的数,不加的话系统会认为是一个 整型数(2) 函数名：void Key();输入输出变量：无功能：按键扫描,判断电机的转向和模式(3) 函数名：void Moter_Driver();输入输出变量：无功能：电机驱动void Moter_Driver() ( char j;if(SpeedPercent = 0) Step=8; / Stop the Moter els

20、e (State+=Direction;if(Mode=2) && (State<0)State=3;else if(Mode=2) && (State>3)State=0;else if(State<0)State=7;else if(State>7)State=0;Step = State * Mode;for(j=0;j<8;j+)/ 加速曲线( STEP_ALL_OFF;Delay(delay-delay>>j);switch (Step)(case 0: STEP_A_ON;break;case 1: STEP

21、_A_ON;STEP_B_ON;break;case 2: STEP_B_ON; break;case 3: STEP_B_ON;STEP_C_ON;break;case 4: STEP_C_ON; break;case 5: STEP_C_ON;STEP_D_ON;break;case 6: STEP_D_ON; break;case 7: STEP_D_ON;STEP_A_ON;break;case 8: STEP_ALL_OFF; break;default: Step = State >>1;Delay(delay>>j); (4) 函数名：void Displ

22、ay( char Num);输入变量：待显示数功能：显示一个二位数void Display(char Num) (char Dgt1,Dgt2;Dgt1 = Num/10;Dgt2 = Num%10;Write_Max7219(2,DigitTabDgt1);Write_Max7219(1,DigitTabDgt2);(5) 函数名：void WOWjgned char Pace,signed char Mode);输入变量：当前电机位置,模式四拍、八拍功能：显示电机当前的位置和模式3,中断效劳子程序本作品中只用到了 AD中断,在中断中读取AD采样结果后退出,在主循环中进行数据处理,以到达限制

23、转速的效果.AD中断效劳子程序如下：#pragma vector=ADC10_VECTOR_interrupt void ADC10_ISR (void) (ADC_Result = ADC10MEM;ADC_Sample();/I1始下一次#®)第三节程序调试1.在CCSF编写完程序后,执行编译(Build )图3.3.1 编译、调试、下载窗口2.编译通过,执行Debug 小崎厢 标加i (44日?3>EFk Edt y«w lEMMI MAC TSfWE r»t .MM附 H. ' ; 电也 电 9W 口M口 H* ：,勺_；.*'t 弓

24、,jpr/ktadi 工Wi闻 TLW步司 ul£iL?M£P4 W*ad 4的山弓zn常-R rkfflS Lnw 11|母皿用 O * <4vi i lb 也=1 c_rfiH>_nMiM it Hkcu口E2 £m!hc. TJ MSH» OWLMJHMi 口髀帽切a参Dtibu. nLM 1：1文C:i K 修4工5、口M /忙岛丁： bfTriiiUUe*TfP*Feri i- 01 torumWEpiprW wiiH|h的.£echarvanvald二座工廿¥工作&甘d&iay) ?raid m

25、aln()DT?W - WDTttOLD?mi Juki ; ?tu.it._lO ()； CGJiIigI_AMtl ;AXQSZ*皿 J, Init_MaK7219O jEiuin；wtni*1n iKfcVO；大I 一刑Hl潞益武呼.k黑瑞I舄瑞X "零"学或"震器我 d 4 1-1 1- 1 L D 1 1 1 4 1 .4 1iWWC；TUlfj 二 I i:MH I zxlCi: f£UWl kEAUE.:日Cmm旗nPBSMJDuSEn *SH3Dr：7.Lfrti BfC9u-afl ifcei iVSMTn- rir* ri图3,3.2

26、调试窗口3.调试过程中,可在线查看变量和存放器的值Debug窗口下,自左向右依次是去掉断点、全速运行、暂停、停止、进入、 单步、汇编进入、汇编单步、返回、同步时钟、复位.在程序运行后,暂停时可以翻开 Watch和Reges让er窗口内观察存放器和变量的 变化.Local atch (13 算RegE：erE 1 ：*殖(畲岭岛 ADDJSHamsValueAddressTypeForg= delay10000OXOZObuntried longDecg= Step80x0203charDec色卜5t3teQ0x0202charDecoo: Direction1OX皿口charDecMode1D

27、ec<ll明二-1>图3.3.3 查看变量、存放器值4,设置断点,然后全速运行,被断点断下来,观察相应的变量的值,看是否正确,如不正确那么进行相应的改正Fki Edi yw4a州TuhwM£m h*&%昂喙曲h|flk/0邛 中33口 *- a -* *鲁 # t:小闻 UH印菜*LTEAi闻声小武.的3弓yn：芾 X"*.-,Ttvratl mf r. J SyjnEE. LU杷1AA Ifl-=1 mtrO x rai.cAB OxfiL2里 2 <_reKi_Wi« Ht bW.elM MwcFIKE'IU L&al(i *i 禺eJ M Eawe 1日苴看 jA gT-七Im3小读T>p«工30加1 小SI (STEPMiSOFF?Zm 1 ay f ds 1 ay-d>= 1 ay»j 卜 j