【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 個(gè)二相和1個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含2個(gè)HBridge的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機(jī)的I/O端口來(lái)提供模擬時(shí)序信號(hào)。具有兩個(gè)使能控制端口，分別控制兩個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)和制動(dòng)。它可以外接電阻，把變化量反饋給控制電路。L298有單極性、雙極性兩種工作方式。單極性工作方式指的是一個(gè)PWM周期內(nèi)，電機(jī)的電樞只承受單極性的電壓；雙極性的工作方式是指一個(gè)PWM周期內(nèi)電機(jī)電樞兩端的電壓呈正負(fù)變化。調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是單極性方式。 L298的引腳功能圖25 為L(zhǎng)298的引腳圖圖25 L298引腳圖如上圖25所示，引腳1 OUTPUT1和引腳15 CURRENT SENSING可與電流檢測(cè)用電阻連接來(lái)控制負(fù)載電路；引腳2 OUTPUT2 、引腳3 SUPPLY VOLTAGE VS和引腳13 OUTPUT引腳14 OUTPUT4之間分別接負(fù)載；INPUT1~ INPUT4輸入控制電位來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；Enable則控制電機(jī)停轉(zhuǎn)；Vs為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源輸入端；GND接地端，芯片本身的散熱片與8腳相通；Vss為邏輯控制部分的電源輸入端口。 顯示方式LED顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的輸出器件，它是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二級(jí)管導(dǎo)通時(shí)就能顯示出各種字符。常用的LED顯示器由7段和“米”字段之分。在顯示轉(zhuǎn)速數(shù)值用7段顯示管即可。這種顯示器有共陽(yáng)極和共陰極兩種，圖26為L(zhǎng)ED的共陰極和共陽(yáng)極接法。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此共陰極接地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。相應(yīng)的段被顯示。本設(shè)計(jì)采用了共陽(yáng)極接法。LED數(shù)碼管顯示器有二種工作方式，即動(dòng)態(tài)顯示方式和靜態(tài)顯示方式。在動(dòng)態(tài)顯示方式中，各位數(shù)碼管的各個(gè)端并聯(lián)在一起，與單片機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)I/O相連，從該I/O口輸出顯示代碼。每只數(shù)碼管的共陽(yáng)極或共陰極則與另一I/O相連，控制點(diǎn)被點(diǎn)亮的位。動(dòng)態(tài)顯示的特點(diǎn)是：每一時(shí)刻只能有一位數(shù)碼管被點(diǎn)亮，各位依次輪流放點(diǎn)亮；對(duì)于每一位來(lái)說(shuō)，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。為了每位數(shù)碼管能夠充分被點(diǎn)亮，二極管應(yīng)持續(xù)發(fā)光一段時(shí)間。利用發(fā)光二極管的特性，通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整每位數(shù)碼管被點(diǎn)亮的時(shí)間間隔（一般為1ms），可以觀察到穩(wěn)定的顯示輸出。在靜態(tài)顯示方式下，每位數(shù)碼管的各個(gè)端與一個(gè)8位的I/O口相連。要在某一位數(shù)碼管上顯示字符時(shí)，只要從對(duì)應(yīng)的I/O口輸出并鎖存其顯示代碼即可。其特點(diǎn)為：各數(shù)碼管同時(shí)點(diǎn)亮，數(shù)碼管中的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止，直到顯示字符改變?yōu)橹埂 B C D E F G HAFEDCBG圖26 LED的共陽(yáng)極、共陰極接法相比而言，動(dòng)態(tài)顯示方式更節(jié)省硬件資源和I/O口，一般系統(tǒng)都會(huì)選擇該種顯示方式。故經(jīng)綜合考慮決定選用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示方式。 測(cè)速模塊 測(cè)速元件的選擇現(xiàn)在所用的測(cè)速元件比較多，光電編碼器是一種將測(cè)得的角位移轉(zhuǎn)換為脈沖形式信號(hào)輸出的數(shù)字傳感器，它在測(cè)速的同時(shí)也可以測(cè)得直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)方向，本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)芯片L298可以控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)方向，與此重復(fù)。使用霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關(guān)靠近磁鋼，就有信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)不斷的產(chǎn)生脈沖信號(hào)的輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個(gè)脈沖輸出。這種傳感器不怕油污、灰塵，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛?；魻杺鞲衅魇菍?duì)磁敏感的傳感元件，而CS3020是CS系列霍爾傳感器中比較常用的一個(gè)，故采用CS3020作為測(cè)速元件的選擇。 霍爾效應(yīng)及其原理霍爾效應(yīng)：在一塊半導(dǎo)體薄片上，其長(zhǎng)度為1，寬度為b，厚度為d，當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，如果在它相對(duì)的兩邊通以控制電流I，且磁場(chǎng)方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢(shì)，該電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件?；魻栃?yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)中的洛倫茲力作用的結(jié)果?；魻栯妱?shì)UH可以用下面的公式表示： = (21)式中：RH 材料的霍爾常數(shù)() I 控制電流(A) B磁感應(yīng)強(qiáng)度(T) D霍爾元件的厚度(m)令 = (22) 則得到： =IB (23)由式21可知，霍爾電勢(shì)的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B。稱為霍爾元件的靈敏度，它與元件材料的性質(zhì)、幾何尺寸有關(guān)。 CS3020的特征及應(yīng)用：CS3020工作頻率寬(100KHZ)電源電壓范圍寬，使用非常方便。：CS3020典型應(yīng)用于無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)、位置控制、轉(zhuǎn)速測(cè)量、隔離檢測(cè)、無(wú)刷電機(jī)等方面。 CS3020的引腳說(shuō)明CS3020霍爾傳感器是一個(gè)三端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地即可工作。CS3020外形如圖27。有字面的對(duì)向自己，三根引腳從左向右分別是Vcc,地，輸出。CS3020圖27 CS3020的外形 鍵盤的選擇鍵盤是計(jì)算機(jī)不可缺少的輸入設(shè)備，使實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的紐帶，借助鍵盤可以向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入程序、置數(shù)、送操作命令、控制程序的執(zhí)行走向等。在調(diào)速時(shí)可通過(guò)鍵盤對(duì)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)、加速和減速控制。雖然獨(dú)立式鍵盤和矩陣式鍵盤都要用到4個(gè)I/O口，但是應(yīng)用獨(dú)立式鍵盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且不造成按鍵的浪費(fèi)，故采用獨(dú)立式鍵盤。獨(dú)立式按鍵是指直接用I/O接口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一根I/O接口線，每根I/O接口線的工作狀態(tài)不會(huì)影響其他I/O接口線的工作狀態(tài)。獨(dú)立式按鍵電路配置靈活、軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但每個(gè)按鍵必須占用一根I/O接口線，在案件數(shù)量較多時(shí)，I/O接口線浪費(fèi)較大。故只在按鍵數(shù)量不多時(shí)采用這種按鍵電路。此電路中，按鍵輸入都采用低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開時(shí)，I/O接口線有確定的高電平。當(dāng)I/O口內(nèi)部有上拉電阻時(shí)，外電路可以不配置上拉電阻。第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理系統(tǒng)主要由MSP430單片機(jī)及其最小系統(tǒng)、直流電機(jī)、驅(qū)動(dòng)、鍵盤、LED顯示、霍爾元件等組成。其中，MSP430單片機(jī)是整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的核心。在MSP430單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中，MSP430F149的TimerA可以產(chǎn)生PWM波，通過(guò)設(shè)置的四個(gè)獨(dú)立性鍵盤，其中兩個(gè)用來(lái)改變單片機(jī)產(chǎn)生PWM的占空比， ，控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。另外兩個(gè)鍵盤用來(lái)改變電機(jī)的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，以確定直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)方向；霍爾元件與電機(jī)同軸連接作為電機(jī)的測(cè)速裝置，將脈沖信號(hào)反饋到單片機(jī)，LED實(shí)時(shí)的顯示出脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 單片機(jī)的最小系統(tǒng)單片機(jī)MSP430F149的最小系統(tǒng)包括：電源、復(fù)位電路、晶體。 電源，電機(jī)采用12V供電，又考慮到硬件系統(tǒng)要求電源具有穩(wěn)壓功能和紋波小的特點(diǎn)，另外也考慮到硬件系統(tǒng)的低功耗等特點(diǎn)，因此該硬件系統(tǒng)的電源先用LM7805穩(wěn)壓為5V給外圍模塊電路供電，，用LM7812穩(wěn)壓為12V給電機(jī)供電。如圖31 (a)雙路穩(wěn)壓電源，31 (b)單片機(jī)電源?？刂撇糠值闹绷麟妱?dòng)機(jī)的額定電壓為12V，邏輯元件需要+5V的直流電源。我們采用雙路輸出的直流穩(wěn)壓電源。線性直流穩(wěn)壓電源電路較成熟，穩(wěn)定度高，紋波小，干擾小且電路簡(jiǎn)單，對(duì)于固定式三端穩(wěn)壓器主要有7800系列（輸出正電壓）和7900系列（輸出負(fù)電壓），后兩位數(shù)字通常表示輸出電壓的大小。圖31（a） 雙路穩(wěn)壓電源由上圖可見(jiàn)，這個(gè)雙路輸出的直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，只用了一個(gè)220V變12V的變壓器，一個(gè)整流橋，兩塊穩(wěn)壓集成電路（7812和7805）和4個(gè)電容。圖中C1是一個(gè)大容量的電解電容，起到低頻濾波的作用。由于C1本身的電解比較大，對(duì)高頻交流成分的濾波效果比較差，所以為了改善濾波電路的高頻抑制特性，在C1旁邊并聯(lián)一個(gè)高頻濾波性能較好的小電容C2。而直流穩(wěn)壓電路輸出端的電容C3和C4是用作改善穩(wěn)壓電源電路的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)特性。圖31（b） 單片機(jī)電源SPX1117是一個(gè)低功耗正向電壓調(diào)節(jié)器，它的一個(gè)特性是3端可調(diào)節(jié)（電壓可選：， V， V， V， V，及5 V）；。它可以用在一些高效率，小封裝的低功耗設(shè)計(jì)中。SPX1117有很低的靜態(tài)電流。當(dāng)輸出電流減少時(shí)，靜態(tài)電流隨負(fù)載變化，并提高效率。SPX1117可以提供多種3引腳封裝，一個(gè)10uF的輸出電容可有效的保證穩(wěn)定性。為了確保SPX1117的穩(wěn)定性。其值可以根據(jù)輸出負(fù)載/溫度范圍的要求變動(dòng)。也可以選用一個(gè)更大的輸出電容值（100uF）以增長(zhǎng)負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。為了使電源的輸出紋波較小和降低其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的干擾，在輸入端和輸出端連接兩個(gè)電容以濾除高頻和低頻干擾，在輸出端得到穩(wěn)定的直流工作電壓。 復(fù)位電路為了使系統(tǒng)上電后很好的復(fù)位，使其處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。一般簡(jiǎn)單的復(fù)位電路可以采用RC復(fù)位，但是很不穩(wěn)定，可靠性不高，尤其在高速和龐大的系統(tǒng)中使根本不能采用的，在MSP430系統(tǒng)中，我們都采用專門的復(fù)位芯片來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在這里采用SP708S，該芯片提供可靠的復(fù)位。圖32為復(fù)位電路圖。圖32 復(fù)位電路圖SP708S系列屬于微處理器監(jiān)控器件。其集成有眾多組件，所以它可以有效的增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性及工作效率。手動(dòng)復(fù)位，其輸入為低電平有效。PFI供電失敗信號(hào)輸入如果沒(méi)有使用該引腳可以將PFI連接至地或VCC。NC無(wú)連接。RST高電平有效RST輸出輸出為的補(bǔ)充，一旦RST為高，為低，反之亦然。SP708S僅有一個(gè)復(fù)位輸出。供電失敗信號(hào)輸出。SP708S在上電、下電及掉電情況下復(fù)位輸出；一個(gè)低電平手動(dòng)復(fù)位允許外部按鍵開關(guān)產(chǎn)生RST信號(hào)。由圖32所示，當(dāng)按下RESET時(shí)低電平有效，RST高電平有效RST輸出，為單片機(jī)提供復(fù)位信號(hào)。 晶體單片機(jī)內(nèi)部有時(shí)鐘模塊只需要外接震蕩元件即可工作。外接震蕩元件一般選用晶體振蕩器。單片機(jī)的基礎(chǔ)時(shí)鐘有低頻晶體振蕩器、高頻晶體振蕩器及數(shù)字控制振蕩器。低頻振蕩器支持超低功耗，它在低頻模式下使用一個(gè)32KHZ的晶體，32KHZ的晶體連接在XIN和XOUT引腳上，不需要任何電容，在低頻模式下內(nèi)部集成了電容。低頻振蕩器也支持高頻模式和高速晶體，但連接時(shí)每端必須加電容。電容大小根據(jù)所接晶體頻率的高低來(lái)選擇。高頻振蕩器作為MSP430F149的第二晶體振蕩器，與低頻相比，其功耗更大。它需要外接在XIN2和OUT2兩個(gè)引腳，而且必須外接電容。圖33為高速晶體和低速晶體的連接圖。 圖33 (a) 高速晶體連接圖 圖33（b） 低速晶體連接圖如圖33（a）所示，XIN2和XOUT2連接高速晶體8MHZ, 同時(shí)附有兩個(gè)電容。 圖33（b）所示XIN和XOUT連接12KHZ的低速晶體。 PWM波調(diào)速 直流電機(jī)PWM的調(diào)速原理脈寬調(diào)制控制技術(shù)通常簡(jiǎn)稱為PWM控制技術(shù)，是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的寬度或周期已達(dá)到變壓目的，或控制電壓脈沖的寬度或周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。圖34給出了PWM調(diào)速系統(tǒng)的工作原理電路及其輸出波形。 圖34（a） PWM工作原理圖 圖34（b） PWM輸出波形圖假設(shè)Vi先導(dǎo)通T1秒，然后又關(guān)斷T2秒，如此反復(fù)進(jìn)行，可得到圖34(b)的波形圖?？梢缘玫诫姍C(jī)電樞端的平均電壓Ua，如公式(31)。 = (31)其中 = (32) 可定義為占空比。設(shè)定輸入電壓Ud不變，越大，電機(jī)電樞端的平均電壓Ud越大，反之也成立。故改變值就可以達(dá)到調(diào)壓的目的。改變有三種方法：第一種就是T1保持不變，使T2在0到無(wú)窮之間變化；第二種就是T2不變，使T1在0到無(wú)窮之間變化；第三種就是T保持不變，使T1在0到T變化，在此改變占空比采用的是第三種方法。 TimerA實(shí)現(xiàn)PWM1． MSP430單片機(jī)的TimerA特性1) 具有16位計(jì)數(shù)器，4種工作模式。2) 具有多種可選的計(jì)數(shù)器時(shí)鐘源。3) 具有3個(gè)或者5個(gè)可配置的捕獲/比較寄存器。4) 支持多時(shí)序控制、多個(gè)捕獲/比較功能及多種輸出波形(PWM)。5) 具有異步輸入、輸出鎖存功能。6) 沒(méi)有自動(dòng)重載時(shí)間常數(shù)功能，但產(chǎn)生的定時(shí)脈沖或PWM信號(hào)沒(méi)有軟件帶來(lái)的誤差。7) 能捕獲外部事件發(fā)生的時(shí)間，鎖定其發(fā)生時(shí)的高低電平。8) 具有完善的中斷服務(wù)功能。9) 具有8種輸出方式選擇，3個(gè)可配置輸出單元。2． TimerA結(jié)構(gòu)(1)計(jì)數(shù)器部分計(jì)數(shù)器部分用來(lái)完成時(shí)鐘源的選擇與分頻、模式控制及計(jì)數(shù)等功能。輸入的時(shí)鐘源具有4種選擇，所選定的時(shí)鐘源又可以4或8分頻作為計(jì)數(shù)頻率，TimerA可以通過(guò)選擇4種工作模式靈活的完成定時(shí)/計(jì)數(shù)功能。(2)捕獲/比較寄存器捕獲/比較寄存器用于捕獲事件發(fā)生的時(shí)間或產(chǎn)生的時(shí)間間隔，捕獲比較功能的引