【正文】 片機控制直流電機的調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速進行了大量的研究，使MSP430單片機的直流調速系統(tǒng)的綜合設計能力得到迅速提升，產生質的飛躍。 主要內容及方法手段 主要內容該系統(tǒng)利用MSP430單片機實現(xiàn)直流電機的單閉環(huán)調速系統(tǒng)，通過單片機的片內設計和外圍模塊完成整個電路設計。其中通過MSP430F149的TimerA模式產生PWM輸出以生成控制信號，外圍模塊主要是光耦隔離、驅動、鍵盤、LED、霍爾傳感器的設計。 方法手段 介紹了一種基于MSP430單片機實現(xiàn)的單閉環(huán)直流電機的調速系統(tǒng)，該單片機利用MSP430F149的TimerA模式產生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，經過功率驅動芯片L298放大后控制直流電機的電樞電壓進行平滑調速并由霍爾元件檢測直流電機轉速構成的速度反饋，通過四個獨立性鍵盤分別控制電機的正轉、反轉、加速和減速，最后通過LED動態(tài)顯示出電機的轉速和正反轉狀態(tài)。下圖11為系統(tǒng)硬件結構簡圖。MSP430顯示電源鍵盤電氣隔離電氣隔離驅動M測速元件接口電路圖11 系統(tǒng)硬件結構簡圖 預期達到的結果該調速系統(tǒng)通過改變PWM的占空比能使直流電機能夠進行平滑調速，并通過LED動態(tài)顯示出直流電機的轉速、正轉和反轉狀態(tài)，構成一個實用的單片機實時控制調速系統(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)軟件設計、超低功耗外圍電路設計、人機交互界面設計、嵌入式軟件工程基礎等基礎知識和實踐經驗，MSP430的16位定時器中斷可用于時間計數、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，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系列單片機設計系統(tǒng)時，除了要考慮外圍電路采用低功耗設計以外，還要根據系統(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、實際應用廣；MSP430F3xx是TI推出的最早產品，片內外設豐富，但未使用FLASH存儲技術，價格較高，性價比低；MSP430F4xx既具有段式液晶的驅動能力，片內外設豐富，又使用FLASH存儲技術，雖然它的性價比高但是它的價格較貴?；诒鞠到y(tǒng)所設計的外圍電路對于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，這遠遠不夠；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據轉換器、接口和乘法器，所以本設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轉換器，自帶采樣保持，多種轉換方式，多達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，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；液晶驅動多達160筆段；~14位高速、高精度轉換，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轉換器，自帶采樣保持，多種轉換方式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〝底諭/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?！胀〝底諭/O引腳/定義DOC標稱頻率的外部電阻輸入。RST/NMI 復位輸入，非屏蔽中斷輸入端口，或引導裝載程序啟動（FLASH器件）。XIN 晶體振蕩器XT1的輸入端口，可以連接標準晶體。XOUT 晶體振蕩器XT1的輸出端口。XT2IN 晶體振蕩器XT2的輸入端口，只能連接標準晶體。XT2OUT XT2的輸出端口。Vcc 電源正端。Vss 電源負端。3．MSP430F149的存儲器MSP430F149的存儲器主要有程序存儲器、數據存儲器和外圍模塊寄存器。表22為存儲器組織結構圖。程序存儲器可存放系統(tǒng)程序、應用程序以及數據表格等，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。數據存儲器一般用于堆棧和數據的保存，如存放運算中間結果，用于緩存和數據暫存，同時也是數據運算的場所。外圍模塊經MAB、MDB、中斷服務以及請求線與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 存儲器組織結構圖存儲器存儲空間程序存儲器跳轉控制表數據表等0200H~0FFDFH引導存儲器（ROM）0200H~0FFDFH數據存儲器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置成中斷，并且都可以單獨設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置。2) 輸入、輸出可以任意結合使用。3) P1和P2口的中斷功能位可以單獨設置。4) 有獨立的輸入/輸出寄存器?；贛SP430F149的I/O口有以上的特征，在此主要介紹了MSP430F149有關引腳的應用。圖23為MSP430F149有關引腳的電路圖。圖23 MSP430F149有關引腳電路圖VCC —單片機的電源輸入端。RST/NMI 單片機的復位信號輸入端，接受復位電路提供的復位信號。 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。，驅動L298的IN1端口有效從而驅動電機正轉。，驅動L298的IN2端口有效從而驅動電機反轉。，用于TimerA產生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。、 、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換為光信號，再把光信號轉換為單片機系統(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用于將控制電機轉向信號的隔離，需要兩個引腳并將兩個信號傳遞給驅動的轉速控制引腳，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)設備。它用于電路之間的信號傳輸，使之前端與負載完全隔離，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（光敏半導體管）封裝在同一管殼內。當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生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電光電”轉換。普通光電耦合器只能傳輸數字（開關）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，使其應用領域大為拓寬。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）經常轉移的比例：50%（最?。└綦x電壓：2500Vrms(最小)經常轉移的比例： 50 ％（最?。?23567841234圖24（a） TLP5211引腳圖 圖24 (b) TLP5212引腳圖使用連續(xù)負載很重的情況下（如高溫/電流/溫度/電壓和重大變化等），可能會導致本產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生光電流，從輸出端引腳4流出，從而實現(xiàn)了“電光電”轉換。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生光電流，從輸出端引腳8流出，從而實現(xiàn)了“電光電”轉換。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。它廣泛應用于電平轉換、信號隔離、級間隔離、開關電路、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器、儀器儀表、通信設備及微機接口電路。在單片機開關電源中，利用線性光電耦合器可構成光耦反饋電路，通過調節(jié)控制端的電流來改變占空比，達到精密穩(wěn)壓的目的。 驅動模塊 驅動芯片的選擇該系統(tǒng)核心就是對小型直流電機進行PWM調速控制。要實現(xiàn)此功能應用較廣泛但是為了簡化電路，在設計中使用的集成有橋式電路的電機專用芯片。在應用領域，L298的使用比較廣泛，所以本設計選用L298作為電機的驅動芯片。 L298的介紹L298為SGSTHOMSON Microelectronics所出產的雙全橋步進電機專用驅動芯片，內部包含4信道邏輯驅動電路，是一種二相和四相步進電機的專用驅動器，可同時驅動2