MSP直流电机调速标准系统.docx

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MSP直流电机调速标准系统

石家庄铁道大学毕业设计

基于MSP430的直流电机调速系统

SpeedControlSystemOfDCMotorBasedOnMSP430

2011届电气与电子工程学院

专业电气工程及其自动化

学号20072853

学生姓名梁春娇

指导教师张育军

完成日期2011年6月1日

毕业设计成绩单

学生姓名

梁春娇

学号

20072853

班级

电0701-3

专业

电气工程及其自动化

毕业论文题目

基于MSP430的直流电机调速系统

指导教师姓名

张育军

指导教师职称

副教授

评定成绩

指导教师

得分

评阅人

得分

答辩小组组长

得分

成绩：

院长签字：

年月日

毕业设计任务书

题　目

基于MSP430直流电机调速系统设计

专业

电气工程及自动化

班级

 电0701-3

学生姓名

梁春娇

承担指导任务单位

电气与电子工程分院

导师

姓名

张育军

导师

职称

副教授

一、设计内容

应用MSP430单片机对直流电动机进行调速控制。

要求熟悉MSP430的功能、原理、应用特点，设计出硬件电路，完成系统设计实现调速控制。

二、基本要求

熟练掌握MSP430器件的工作原理、典型应用方法，设计出硬件电路。

掌握资料的收集和整理方法。

掌握计算机软件画图。

其中用PROTEL绘制硬件电路图；一份1万字以上的设计说明书；参考文献不低于15篇，其中外文文献2篇以上。

翻译与课题有关的外文资料，字数不少于3000字符。

三、主要研究方法

1.研究单片机MSP430的特性、应用。

2.选择调速系统所需的电源、显示、驱动、测速等器件，掌握各个器件的原理及使用方法。

3.设计硬件电路。

4.应用PROTEL绘制原理图。

四、应收集的资料及参考文献

1.《MSP430系列超低功耗16位单片机》胡大可编著,北京航空航天大学出版社

2.《MSP430系列超低功耗单片机原理与系统设计》李智奇,白小平编著，西安电子科技大学出版社

3.《MSP430单片机基础与实践》谢兴红编著，北京航空航天大学出版社

4.《单片机应用系统开发综合实例》张萌主编,清华大学出版社

5.《现代电力电子技术基础》赵良炳主编，清华大学出版社

五、进度计划

3月1日——3月31日搜集资料，学习相关知识；

4月1日——4月20日初步了解谐波的一些分析方法，学习FFT算法的原理；

4月21日——5月20日对结果进行误差分析、校正，做出论文初稿；

5月21日——6月10日外文资料的翻译，对论文修正、排版、打印。

教研组主任签字

时　间

年　月日

毕业设计开题报告

题　目

基于MSP430的直流电机调速系统

学生姓名

梁春娇

学号

20072853

班级

电0701-3

专业

电气工程及其自动化

一．研究背景

在现代工业中，直流电机由于具有速度控制容易，起制动性能好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、等工业部门中得到广泛的应用。

随着电力技术的进步，发展了许多新的电枢电压的控制方法，由于MSP430系列的单片机具有处理能力强、运算速度快、集成度高、外部设备丰富、超低功耗等优点，而且有很高的性价比因此在许多领域都得到了广泛的应用。

其中以MSP430系列的单片机控制直流电机调速是尤为突出的一种。

二.国内外研究现状

随着科技的进步，我国科研单位都在致力研究由单片机控制直流电机的调速系统，并通过各种控制算法来多方面研究。

其中提供了全系列MSP430单片机的程序范例，并提供模块化程序库，通过调用模块库内的函数，快速完成对直流电机的调速。

并且MSP430单片机能够利用芯片本身的各种功能能够使调速系统更加简单实用。

根据当前单片机发展的趋势，国外的微电子技术和计算机技术的发展也得到广泛的应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展，随着MSP430单片机的推广此单片机的产品已经遍布电子产品的每一个领域，尤其使MSP430单片机的直流调速系统的综合设计能力得到迅速提升，产生质的飞跃。

三.论文进行的主要工作

该系统利用MSP430单片机实现直流电机的单闭环调速系统，通过单片机的片内设计和外围模块完成整个电路设计。

其中通过MSP430F149的Timer-A模式产生PWM输出以生成控制信号，外围模块主要是光耦隔离、驱动、键盘、LED、霍尔传感器的设计。

四.采用的方法手段

本设计介绍了一种基于MSP430单片机实现的单闭环直流电机的调速系统，该单片机利用MSP430F149的Timer-A模式产生PWM输出以生成控制信号，将PWM波通过光耦TLP521实现单片机与外部电路之间的电气隔离，经过功率驱动芯片L298放大后控制直流电机的电枢电压进行平滑调速并由霍尔元件检测直流电机转速构成的速度反馈，通过四个独立性键盘分别控制电机的正转、反转、加速和减速，最后通过LED动态显示出电机的转速。

五.预期达到的结果

本设计通过改变PWM的占空比能使直流电机能够进行平滑调速，并通过LED动态显示出直流电机的转速、正转和反转状态，构成一个实用的单片机实时控制调速系统。

指导教师签字

时间

年月日

摘要

本设计介绍了一种基于MSP430单片机实现的单闭环直流电机的调速系统，随着我国工业的发展，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。

由于MSP430系列的单片机具有处理能力强、运算速度快、集成度高、外部设备丰富、超低功耗等优点,本设计介绍了一种基于MSP430单片机实现的单闭环直流电机的调速系统，该系统利用MSP430单片机的Timer-A模式产生PWM波，通过改变PWM波的占空比来控制电机的速度，并着重介绍了PWM的调速原理。

其中采用光耦隔离的方法实现单片机与外部电路之间的电气隔离，PWM波经过功率驱动芯片放大后控制直流电机的电枢电压进行平滑调速并由霍尔元件检测出直流电机转速构成的速度反馈，设置四个独立性键盘分别控制电机的正反转、加速和减速，最后通过LED动态显示出直流电机的转速。

采用MSP430单片机控制直流电机的转速取代了以往的模拟控制，使控制精度高，而且方便系统的升级和改进，灵活性和适应性更强。

关键词：

MSP430PWM调速直流电机

Abstract

ThisdesignintroducesaMSP430Microcontrollerbasedsingle-loopDCmotorspeedcontrolsystem,asChineseindustrialdevelopment,moreandmoreproductionmachineryrequiredtoachieveautomaticspeedcontrol.MSP430familyofmicrocontrollershavetheprocessingcapacity,fastspeed,highintegration,theexternaldevicerich,ultra-lowpowerconsumption,etc.ThedesignintroducesaMSP430Microcontrollerbasedsingle-loopDCmotorspeedcontrolsystem.ThesystemusestheMSP430microcontrollerTimer-AmodePWMwavegeneratedbychangingthedutycycleofPWMwavetocontrolmotorspeed,andhighlightsthePWMspeedcontrolprinciple.OnemethodofusingoptoisolationbetweenSCMandelectricalisolationbetweentheexternalcircuit,PWMwaveamplificationthroughthepowerdriverchipcontrolstheDCmotorarmaturevoltageforsmoothspeeddetectedbytheHallelementconstitutesthespeedofDCmotorspeedfeedback.Setoffourindependentkeyboardcontrolmotor,respectively,reversing,accelerationanddeceleration.Finally,dynamicLEDdisplayDCmotorspeed.MSP430MCUcontrolwiththespeedofDCmotorinsteadofaconventionalanalogcontrol,thecontrolofhighprecision,andeasysystemupgradesandimprovements,greaterflexibilityandadaptability.

Keywords:

MSP430PWMspeedcontrolDCmotor

第一章绪论8

1.1课题研究的目的意义8

1.1.1设计目的8

1.1.2设计的意义8

1.2国内外研究现状8

1.3主要内容及方法手段8

1.3.1主要内容8

1.3.2方法手段8

1.3.3预期达到的结果8

第二章器件的选用8

2.1单片机MSP4308

2.1.1MSP430的特点8

2.1.2MSP430型号的选择8

2.1.3MSP430F1498

2.2电气隔离8

2.2.1光耦的选择8

2.2.2TLP521简介8

2.3驱动模块8

2.3.1驱动芯片的选择8

2.3.2L298的介绍8

2.3.3L298的引脚功能8

2.4显示方式8

2.5测速模块8

2.5.1测速元件的选择8

2.5.2霍尔效应及其原理8

2.5.3CS3020的特征及应用8

2.5.4CS3020的引脚说明8

2.6键盘的选择8

第三章硬件电路设计8

3.1系统设计原理8

3.2单片机的最小系统8

3.2.1电源8

3.2.2复位电路8

3.2.3晶体8

3.3PWM波调速8

3.3.1直流电机PWM的调速原理8

3.3.2Timer-A实现PWM8

3.3.3键盘调速8

3.4电机驱动电路8

3.4.1电气隔离电路8

3.4.2驱动电路8

3.5LED显示8

3.6测速电路8

第四章结论与展望8

4.1结论8

4.2展望8

参考文献8

致谢8

附录A8

附录B8

第一章绪论

1.1课题研究的目的意义

1.1.1设计目的

随着我国工业的发展，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。

由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。

因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。

根据当前单片机发展的趋势，以TI公司的MSP430系列单片机，全面的用来控制直流电机，旨在实现直流电动机的平滑调速，即可平滑改变电动机电枢电压，实现电动机升速、降速、正转和反转等功能。

1.1.2设计的意义

直流电动机是最早实现调速的电动机。

长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。

随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高的要求，这就要求大量使用直流调速系统。

由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。

因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。

1.2国内外研究现状

随着科技的进步，我国科研单位都在致力研究由单片机控制直流电机的调速系统，并对调速系统的研究也在不断地发展和完善。

直流电机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点，但是由于具有较大的启动转矩和良好的制动性能以及易于在较宽的范围内实现平滑调速，因此直流调速系统至今仍然是自动调速系统的主要形式。

由于MSP430系列的单片机具有处理能力强、运算速度快、集成度高、外部设备丰富、超低功耗等优点，用单片机来实现直流电机的调速更加方便、简单和灵活。

其中提供了全系列MSP430单片机的程序范例，并提供模块化程序库，通过调用模块库

内的函数，快速完成对直流电机的调速。

所以采用单片机MSP430对直流电机进行调速是我国研究调速系统的重要阶段。

根据当前单片机发展趋势，国外的微电子技术和计算机技术的发展也得到广泛的应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展，而在利尔达公司不遗余力的推广下，MSP430从刚开始的只有寥寥无几的工程师和爱好者使用发展到现在的成千上万的工程师在使用。

MSP430是一款超低功耗的单片机同时也是一款高性能的单片机。

它内部由于有很多的数字模块和模拟模块，使得在设计系统时可以使用较少的外部器件，既降低了成本又提高了系统的性能。

随着MSP430单片机的推广此单片机的产品已经遍布电子产品的每一个领域，为了能够使单片机控制直流电机的调速更加完善国外的更多研究工作者对MSP430单片机的直流电机调速进行了大量的研究，使MSP430单片机的直流调速系统的综合设计能力得到迅速提升，产生质的飞跃。

1.3主要内容及方法手段

1.3.1主要内容

该系统利用MSP430单片机实现直流电机的单闭环调速系统，通过单片机的片内设计和外围模块完成整个电路设计。

其中通过MSP430F149的Timer-A模式产生PWM输出以生成控制信号，外围模块主要是光耦隔离、驱动、键盘、LED、霍尔传感器的设计。

1.3.2方法手段

介绍了一种基于MSP430单片机实现的单闭环直流电机的调速系统，该单片机利用MSP430F149的Timer-A模式产生PWM输出以生成控制信号，将PWM波通过光耦TLP521实现单片机与外部电路之间的电气隔离，经过功率驱动芯片L298放大后控制直流电机的电枢电压进行平滑调速并由霍尔元件检测直流电机转速构成的速度反馈，通过四个独立性键盘分别控制电机的正转、反转、加速和减速，最后通过LED动态显示出电机的转速和正反转状态。

下图1-1为系统硬件结构简图。

MSP430

显示

电源

键盘

电气隔离

电气隔离

驱

动

M

测速元件

接口电路

图1-1系统硬件结构简图

1.3.3预期达到的结果

该调速系统通过改变PWM的占空比能使直流电机能够进行平滑调速，并通过LED动态显示出直流电机的转速、正转和反转状态，构成一个实用的单片机实时控制调速系统。

第二章器件的选用

2.1单片机MSP430

MSP430是美国德州仪器公司TI生产的一种16位的超低功耗高性能的微处理器，它介绍了超低功耗单片机系统软件设计、超低功耗外围电路设计、人机交互界面设计、嵌入式软件工程基础等基础知识和实践经验，MSP430的16位定时器中断可用于时间计数、时序发生、PWM等。

2.1.1MSP430的特点

MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点。

1）功耗低。

典型功耗是：

2.2V时钟频率1MHZ时，活动模式为0.2MA，关闭模式仅为0.0001MA，且具有5种节能方式。

2）高效16位RISC-CPU，27条指令，8MHZ时钟频率时，指令周期时间125ns,绝大多数指令一个时钟周期完成；32KHZ时钟频率时，16位MSP430单片机的执行速度高于典型的8位单片机20MHZ时钟频率时的执行速度。

3）低电压供电、宽工作电压范围：

1.8V-3.6V。

4）灵活的时钟系统（两个外部时钟和一个内部时钟）。

5）低时钟频率可实现高速通信。

6）具有串行在线编程能力。

7）强大的中断能力。

8）唤醒时间短，从低功耗模式下唤醒仅需0.006ms。

9）ESD保护，抗干扰能力强。

2.1.2MSP430型号的选择

MSP430系列单片机的主要特点是超低功耗，所以在选用MSP430系列单片机设计系统时，除了要考虑外围电路采用低功耗设计以外，还要根据系统要求选择合适的MSP430系列单片机型号，选择原则为够用即可。

MSP430有多种型号：

MSP430F1xx，MSP430F2xx，MSP430F3xx，MSP430F4xx。

其中MSP430F1xx和MSP430F2xx使用方式灵活、控制简单、性价比较高、实际应用广；MSP430F3xx是TI推出的最早产品，片内外设丰富，但未使用FLASH存储技术，价格较高，性价比低；MSP430F4xx既具有段式液晶的驱动能力，片内外设丰富，又使用FLASH存储技术，虽然它的性价比高但是它的价格较贵。

基于本系统所设计的外围电路对于MSP430的端口问题:

MSP430F2xx只有四个端口，显然这是不够的；MSP430F3xx在本电路只有P1口可以用，这远远不够；MSP430F4xx的端口较多对于MSP430单片机的选择原则是够用即可，并且MSP430F1xx系列单片机具有丰富的功能，既能作为带有比较器的简便低功耗控制器，又能作为完整的片上系统用，其中包括多个高性能数据转换器、接口和乘法器，所以本设计单片机型号的选择MSP430F1xx。

MSP430F1xx系列又可具体分为以下几个子系列：

MSP430F11x，MSP430F12x，MSP430F13x，MSP430F14x相比之下MSP430F14x的功耗最低，等待方式仅为0.7

A,高速晶振为8MHZ，具有12位200kb/s的A/D转换器，自带采样保持，多种转换方式，多达60KBFLASHROM和2KBRAM。

故选用MSP430F14x。

MSP430F14x中的x代表着存储器容量，从0~9对应的存储器容量越大，故本系统所采用的MSP430型号为MSP430F149。

MSP430F149其中F代表FLASH，14代表具有ADC12、硬件乘法器等外围模块，9代表存储器容量为60KB。

2.1.3MSP430F149

MSP430F149主要包含以下模块：

基础时钟、看门狗、定时器、Timer_A与Timer_B、6个8位并行端口（其中P1、P2具有中断功能）、模拟比较器、12位A\D转换器、2通道串行通信接口（通过软件选择UART/SPI模式）、1个硬件乘法器、1个FLASH以及2KB的RAM。

在整合方面，MSP430系列单片机方面的CPU外围模块集成在了片内，有如下一些模块：

看门狗（WTD）,定时器A（Timer-A）,定时器B（Timer-B）,模拟比较器，串口0,1、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、端口0~6、基本定时器，其中定时器A与B均带有多个捕获/比较寄存器，同时可实现多路PWM输出。

模拟比较器与定时器配合，可方便的实现ADC；液晶驱动多达160笔段；硬件ADC模块在小于0.01ms的速率下实现10位~14位高速、高精度转换，同时提供采样/保持与参考电压；端口1,2能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入。

1．MSP430F149的特性

1）超低功耗

2）五种节电模式

3）基本时钟模块配置

4）具有捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_A与Timer_B

5）具有温度传感器

6）12位200kb/s的A/D转换器，自带采样保持，多种转换方式

7）串行通信接口可用于异步或同步

8）硬件乘法器

9）多达60KBFLASHROM和2KBRAM

2．MSP430F149引脚

如图2-1为MSP430F149的引脚图。

图2-1MSP430F149的引脚图

因为MSP430F149的引脚较多所以在此只将用到的引脚做以下说明。

P1.0/TACLK—普通数字I/O引脚/Timer-A,时钟信号TACLK输入。

P1.1/TA0--普通数字I/O引脚/Timer-A,捕获；CCI0输入，比较：

OUT0输出。

P1.2/TA1--普通数字I/O引脚/Timer-A,捕获；CCI1输入，比较：

OUT1输出。

P1.3/TA2--普通数字I/O引脚/Timer-A,捕获；CCI2输入，比较：

OUT2输出。

P1.4/SMCLK--普通数字I/O引脚/SMCLK信号输入。

P1.5/TA0--普通数字I/O引脚/Timer-A,比较：

OUT0输出。

P1.6/TA1--普通数字I/O引脚/Timer-A,比较：

OUT1输出。

P1.7/TA2--普通数字I/O引脚/Timer-A,比较：

OUT2输出。

P2.0/ACLK--普通数字I/O引脚/ACLK输出。

P2.1/TAINCLK--普通数字I/O引脚/Timer-A,时钟信号TAINCLK

P2.2/CAOUT/TA0--普通数字I/O引脚/Timer-A：

捕获：

CCI0B输入/比较器-A输出。

P2.3/CA0/TA1--普通数字I/O引脚/Timer-A:

比较：

OUT1输出/比较器-A输出。

P2.4/CA1/TA2--普通数字I/O引脚/Timer-A:

比较：

OUT2输出/比较器-A输出。

P2.5/Rosc—普通数字I/O引脚/定义DOC标称频率的外部电阻输入。

P2.6/ADC12CLK--普通数字I/O引脚/转换时钟-12位ADC。

P3.0/SET0--普通数字I/O引脚/从发送使能-USART0/SPI方式。

P3.1/SIMO0--普通数字I/O引脚/从输入/主输出-USART0/SPI方式。

P3.2/SOMI0--普通数字I/O引脚/从输出/主输入-USART0/SPI方式。

P3.3/UCLK0--普通数字I/O引脚/外部时钟输入-USART0/UART/SPI方式。

P3.4/UTXD0--普通数字I/O引脚/发送数据输出-USART0/UART方式。

P3.5/URXD0--普通数字I/O引脚/接收数据输出-USART0/UART方式。

RST/NMI--复位输入，非屏蔽中断输入端口，或引导装载程序启动（FLASH器件）。

XIN--晶体振荡器XT1的输入端口，可以连接标准晶体。

XOUT--晶体振荡器XT1的输出端口。

XT2IN--晶体振荡器XT2的输入端口，只能连接标准晶体。

XT2OUT--XT2的输出端口。

Vcc--电源正端。

Vss--电源负端。

3．MSP430F149的存储器

MSP430F149的存储器主要有程序存储器、数据存储器和外围模块寄存器。

表2-2为存储器组织结构图。

程序存储器可存放系统程序、应用程序以及数据表格等，它在断电情况下信息不会丢失。

对程序存储器的访问是以字形式访问。

数据存储器一般用于堆栈和数据的保存，如存放运算中间结果，用于缓存和数据暂存，同时也是数据运算的场所。

外围模块经MAB、MDB、中断服务以及请求线与CPU相连