【正文】 片機控制直流電機的調(diào)速更加完善國外的更多研究工作者對MSP430單片機的直流電機調(diào)速進(jìn)行了大量的研究，使MSP430單片機的直流調(diào)速系統(tǒng)的綜合設(shè)計能力得到迅速提升，產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。 主要內(nèi)容及方法手段 主要內(nèi)容該系統(tǒng)利用MSP430單片機實現(xiàn)直流電機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，通過單片機的片內(nèi)設(shè)計和外圍模塊完成整個電路設(shè)計。其中通過MSP430F149的TimerA模式產(chǎn)生PWM輸出以生成控制信號，外圍模塊主要是光耦隔離、驅(qū)動、鍵盤、LED、霍爾傳感器的設(shè)計。 方法手段 介紹了一種基于MSP430單片機實現(xiàn)的單閉環(huán)直流電機的調(diào)速系統(tǒng)，該單片機利用MSP430F149的TimerA模式產(chǎn)生PWM輸出以生成控制信號，將PWM波通過光耦TLP521實現(xiàn)單片機與外部電路之間的電氣隔離，經(jīng)過功率驅(qū)動芯片L298放大后控制直流電機的電樞電壓進(jìn)行平滑調(diào)速并由霍爾元件檢測直流電機轉(zhuǎn)速構(gòu)成的速度反饋，通過四個獨立性鍵盤分別控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速和減速，最后通過LED動態(tài)顯示出電機的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)狀態(tài)。下圖11為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡圖。MSP430顯示電源鍵盤電氣隔離電氣隔離驅(qū)動M測速元件接口電路圖11 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡圖 預(yù)期達(dá)到的結(jié)果該調(diào)速系統(tǒng)通過改變PWM的占空比能使直流電機能夠進(jìn)行平滑調(diào)速，并通過LED動態(tài)顯示出直流電機的轉(zhuǎn)速、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)狀態(tài)，構(gòu)成一個實用的單片機實時控制調(diào)速系統(tǒng)。第二章 器件的選用 單片機MSP430MSP430是美國 德州儀器公司TI生產(chǎn)的一種16位的超低功耗高性能的微處理器，它介紹了超低功耗單片機系統(tǒng)軟件設(shè)計、超低功耗外圍電路設(shè)計、人機交互界面設(shè)計、嵌入式軟件工程基礎(chǔ)等基礎(chǔ)知識和實踐經(jīng)驗，MSP430的16位定時器中斷可用于時間計數(shù)、時序發(fā)生、PWM等。 MSP430的特點MSP430 系列單片機的迅速發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴大，主要取決于以下的特點。 1) 功耗低。典型功耗是：， MA，且具有5種節(jié)能方式。2) 高效16位 RISCCPU，27條指令，8MHZ時鐘頻率時，指令周期時間125ns,絕大多數(shù)指令一個時鐘周期完成；32KHZ時鐘頻率時，16位MSP430單片機的執(zhí)行速度高于典型的8位單片機20MHZ時鐘頻率時的執(zhí)行速度。3) 低電壓供電、寬工作電壓范圍：。4) 靈活的時鐘系統(tǒng)（兩個外部時鐘和一個內(nèi)部時鐘）。5) 低時鐘頻率可實現(xiàn)高速通信。6) 具有串行在線編程能力。7) 強大的中斷能力。8) 喚醒時間短。9) ESD保護(hù)，抗干擾能力強。 MSP430型號的選擇MSP430系列單片機的主要特點是超低功耗，所以在選用MSP430系列單片機設(shè)計系統(tǒng)時，除了要考慮外圍電路采用低功耗設(shè)計以外，還要根據(jù)系統(tǒng)要求選擇合適的MSP430系列單片機型號，選擇原則為夠用即可。MSP430有多種型號：MSP430F1xx，MSP430F2xx，MSP430F3xx，MSP430F4xx。其中MSP430F1xx和MSP430F2xx使用方式靈活、控制簡單、性價比較高、實際應(yīng)用廣；MSP430F3xx是TI推出的最早產(chǎn)品，片內(nèi)外設(shè)豐富，但未使用FLASH存儲技術(shù)，價格較高，性價比低；MSP430F4xx既具有段式液晶的驅(qū)動能力，片內(nèi)外設(shè)豐富，又使用FLASH存儲技術(shù)，雖然它的性價比高但是它的價格較貴?；诒鞠到y(tǒng)所設(shè)計的外圍電路對于MSP430的端口問題:MSP430F2xx只有四個端口，顯然這是不夠的；MSP430F3xx在本電路只有P1口可以用，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠；MSP430F4xx的端口較多對于MSP430單片機的選擇原則是夠用即可，并且MSP430F1xx系列單片機具有豐富的功能，既能作為帶有比較器的簡便低功耗控制器，又能作為完整的片上系統(tǒng)用，其中包括多個高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口和乘法器，所以本設(shè)計單片機型號的選擇MSP430F1xx。MSP430F1xx系列又可具體分為以下幾個子系列：MSP430F11x，MSP430F12x，MSP430F13x，MSP430F14x相比之下MSP430F14x的功耗最低，,高速晶振為8MHZ，具有12位200kb/s的A/D轉(zhuǎn)換器，自帶采樣保持，多種轉(zhuǎn)換方式，多達(dá)60KB FLASH ROM 和2KB RAM。故選用MSP430F14x。MSP430F14x中的x代表著存儲器容量，從0~9對應(yīng)的存儲器容量越大，故本系統(tǒng)所采用的MSP430型號為MSP430F149。MSP430F149其中F代表FLASH，14代表具有ADC1硬件乘法器等外圍模塊，9代表存儲器容量為60KB。 MSP430F149MSP430F149主要包含以下模塊：基礎(chǔ)時鐘、看門狗、定時器、Timer_A與Timer_B、6個8位并行端口（其中PP2具有中斷功能）、模擬比較器、12位A\D轉(zhuǎn)換器、2通道串行通信接口（通過軟件選擇UART/SPI模式）、1個硬件乘法器、1個FLASH以及2KB的RAM。在整合方面，MSP430系列單片機方面的CPU外圍模塊集成在了片內(nèi)，有如下一些模塊：看門狗(WTD),定時器A(TimerA), 定時器B(TimerB),模擬比較器，串口0,硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、10位/12位ADC、端口0~基本定時器，其中定時器A與B均帶有多個捕獲/比較寄存器，同時可實現(xiàn)多路PWM輸出。模擬比較器與定時器配合，可方便的實現(xiàn)ADC；液晶驅(qū)動多達(dá)160筆段；~14位高速、高精度轉(zhuǎn)換，同時提供采樣/保持與參考電壓；端口1,2能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入。1．MSP430F149的特性1) 超低功耗2) 五種節(jié)電模式3) 基本時鐘模塊配置4) 具有捕獲/比較寄存器的16位定時器Timer_A與Timer_B5) 具有溫度傳感器6) 12位200kb/s的A/D轉(zhuǎn)換器，自帶采樣保持，多種轉(zhuǎn)換方式7) 串行通信接口可用于異步或同步8) 硬件乘法器9) 多達(dá)60KB FLASH ROM和2KB RAM2．MSP430F149引腳如圖21為MSP430F149的引腳圖。圖21 MSP430F149的引腳圖因為MSP430F149的引腳較多所以在此只將用到的引腳做以下說明?！胀〝?shù)字I/O引腳/TimerA,時鐘信號TACLK輸入。,捕獲；CCI0輸入，比較：OUT0輸出。,捕獲；CCI1輸入，比較：OUT1輸出。,捕獲；CCI2輸入，比較：OUT2輸出。,比較：OUT0輸出。,比較：OUT1輸出。,比較：OUT2輸出。,時鐘信號TAINCLK：捕獲：CCI0B輸入/比較器A輸出。:比較：OUT1輸出/比較器A輸出。:比較：OUT2輸出/比較器A輸出。—普通數(shù)字I/O引腳/定義DOC標(biāo)稱頻率的外部電阻輸入。RST/NMI 復(fù)位輸入，非屏蔽中斷輸入端口，或引導(dǎo)裝載程序啟動（FLASH器件）。XIN 晶體振蕩器XT1的輸入端口，可以連接標(biāo)準(zhǔn)晶體。XOUT 晶體振蕩器XT1的輸出端口。XT2IN 晶體振蕩器XT2的輸入端口，只能連接標(biāo)準(zhǔn)晶體。XT2OUT XT2的輸出端口。Vcc 電源正端。Vss 電源負(fù)端。3．MSP430F149的存儲器MSP430F149的存儲器主要有程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和外圍模塊寄存器。表22為存儲器組織結(jié)構(gòu)圖。程序存儲器可存放系統(tǒng)程序、應(yīng)用程序以及數(shù)據(jù)表格等，它在斷電情況下信息不會丟失。對程序存儲器的訪問是以字形式訪問。數(shù)據(jù)存儲器一般用于堆棧和數(shù)據(jù)的保存，如存放運算中間結(jié)果，用于緩存和數(shù)據(jù)暫存，同時也是數(shù)據(jù)運算的場所。外圍模塊經(jīng)MAB、MDB、中斷服務(wù)以及請求線與CPU相連，可以用軟件訪問和控制，與外圍模塊相關(guān)的控制寄存器和狀態(tài)寄存器被安排在0000H~01FFH范圍的RAM中。表22 存儲器組織結(jié)構(gòu)圖存儲器存儲空間程序存儲器跳轉(zhuǎn)控制表數(shù)據(jù)表等0200H~0FFDFH引導(dǎo)存儲器（ROM）0200H~0FFDFH數(shù)據(jù)存儲器0200H~0FFDFH16位外圍模塊0100H~0FFH8位外圍模塊010H~0FFH特殊功能存儲器00H~0FH4．MSP430F149的I/O口在單片機MSP430F149中有6組I/O口：P1~P6。每個I/O口都有8個可以獨立編程的引腳。單片機MSP430F149每個引腳都有第二功能，并且每個引腳可以獨立設(shè)置成輸入、輸出或者第二功能。同時，P1和P2口的每個引腳都可以單獨設(shè)置成中斷，并且都可以單獨設(shè)置成上升沿或者下降沿觸發(fā)中斷。P1口的所有引腳共用一個中斷向量，P2口的所有引腳也共用一個中斷向量，但它們的優(yōu)先級和向量地址不一樣。單片機MSP430F149的I/O口主要有以下的特征：1) 每個I/O口可以位獨立編程設(shè)置。2) 輸入、輸出可以任意結(jié)合使用。3) P1和P2口的中斷功能位可以單獨設(shè)置。4) 有獨立的輸入/輸出寄存器。基于MSP430F149的I/O口有以上的特征，在此主要介紹了MSP430F149有關(guān)引腳的應(yīng)用。圖23為MSP430F149有關(guān)引腳的電路圖。圖23 MSP430F149有關(guān)引腳電路圖VCC —單片機的電源輸入端。RST/NMI 單片機的復(fù)位信號輸入端，接受復(fù)位電路提供的復(fù)位信號。 XIN 晶體振蕩器XT1的輸入端口，連接32KHZ晶體。XOUT 晶體振蕩器XT1的輸出端口, 連接32KHZ晶體。XT2IN 晶體振蕩器XT2的輸入端口，連接8KHZ晶體。XT2OUT XT2的輸出端口，連接8KHZ晶體。，驅(qū)動L298的IN1端口有效從而驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)。，驅(qū)動L298的IN2端口有效從而驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)。，用于TimerA產(chǎn)生PWM波的輸出端口。，主要用于TimerA的捕獲功能，從而記錄脈沖的個數(shù)。、 、分別作為BCD碼的輸出口，分別與74LS47的A、B、C和D引腳相接。、、。、分別作為LED的選通腳。 電氣隔離在單片機系統(tǒng)中為了提高系統(tǒng)的抗干擾性，常用電氣隔離的方法。本文采用光耦隔離的方法，把單片機送給光耦的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，再把光信號轉(zhuǎn)換為單片機系統(tǒng)的電信號，從而實現(xiàn)單片機與外部電路之間的電氣隔離。 光耦的選擇設(shè)計中由于只需要將單片機的PWM信號輸出端接光耦形成電氣隔離，而且輸出只需要與驅(qū)動的使能端相接，所以只需要一個輸入一個引腳一個輸出引腳，故接收PWM波信號的光耦選擇TLP5211。而TLP5212用于將控制電機轉(zhuǎn)向信號的隔離，需要兩個引腳并將兩個信號傳遞給驅(qū)動的轉(zhuǎn)速控制引腳，故隔離元件采用TLP5212。 TLP521簡介TLP521是可控制的光電耦合器件，光電耦合器廣泛用于電腦終端機，可控硅系統(tǒng)設(shè)備。它用于電路之間的信號傳輸，使之前端與負(fù)載完全隔離，目的在于增強安全性，減小電路干擾，簡化電路設(shè)計。光電耦合器亦稱光電隔離器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電光電”轉(zhuǎn)換。普通光電耦合器只能傳輸數(shù)字（開關(guān)）信號，不適合傳輸模擬信號。近年來問世的線性光電耦合器能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或模擬電流信號，使其應(yīng)用領(lǐng)域大為拓寬。如下圖24 (a)、(b)所示，分別是TLP521TLP5212的引腳圖。集電極—發(fā)射極電壓：55V（最小值）經(jīng)常轉(zhuǎn)移的比例：50%（最?。└綦x電壓：2500Vrms(最小)經(jīng)常轉(zhuǎn)移的比例： 50 ％（最小）123567841234圖24（a） TLP5211引腳圖 圖24 (b) TLP5212引腳圖使用連續(xù)負(fù)載很重的情況下（如高溫/電流/溫度/電壓和重大變化等），可能會導(dǎo)致本產(chǎn)品的可靠性下降明顯甚至損壞。TLP5211引腳：引腳1Anode 陽極 引腳2 Cathode陰極 引腳3Emitter發(fā)射級 引腳4Collector集電極當(dāng)輸入端引腳1加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線后就產(chǎn)生光電流，從輸出端引腳4流出，從而實現(xiàn)了“電光電”轉(zhuǎn)換。TLP5212引腳：引腳3Anode 陽極 引腳2 、4Cathode陰極 引腳7Emitter發(fā)射級 引腳8Collector集電極當(dāng)輸入端引腳3加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線后就產(chǎn)生光電流，從輸出端引腳8流出，從而實現(xiàn)了“電光電”轉(zhuǎn)換。光電耦合器的主要優(yōu)點是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命強，傳輸效率高。它廣泛應(yīng)用于電平轉(zhuǎn)換、信號隔離、級間隔離、開關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器、儀器儀表、通信設(shè)備及微機接口電路。在單片機開關(guān)電源中，利用線性光電耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端的電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓的目的。 驅(qū)動模塊 驅(qū)動芯片的選擇該系統(tǒng)核心就是對小型直流電機進(jìn)行PWM調(diào)速控制。要實現(xiàn)此功能應(yīng)用較廣泛但是為了簡化電路，在設(shè)計中使用的集成有橋式電路的電機專用芯片。在應(yīng)用領(lǐng)域，L298的使用比較廣泛，所以本設(shè)計選用L298作為電機的驅(qū)動芯片。 L298的介紹L298為SGSTHOMSON Microelectronics所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機專用驅(qū)動芯片，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動2