基于MSP430小型直流电机控制系统的设计与实现开题报告

1. 研究目的与意义

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。

2. 课题关键问题和重难点

利用msp430单片机实现直流电机的调速系统的技术难点

1、电气隔离

在单片机系统中为了提高系统的抗干扰性，常用电气隔离的方法。本文采用光耦隔离的方法，把单片机送给光耦的电信号转换为光信号，再把光信号转换为单片机系统的电信号，从而实现单片机与外部电路之间的电气隔离。在单片机开关电源中，利用线性光电耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端的电流来改变占空比，达到精密稳压的目的。

3. 国内外研究现状（文献综述）

1、 概述

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。

2、 单片机MSP430介绍

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。如图3-1为MSP430G2x53的引脚图。

图3-1 MSP430G2x53的引脚图

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0.0001 MA，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。^[1]

3、 L298的逻辑控制

L298内部有2个功能完全相同的驱动模块，每个模块能控制一个直流电机调速。本文设计只用其中一个模块。对于另外一个模块的三个引脚选择悬空。该模块有三个控制输入端口：ENA、IN1、IN2。ENA接PWM波，控制电机的转速；IN1、IN2用来组合控制电机的转向。控制输入端的电平和电机转动状态的对应关系如表3-1所示。其中H表示控制输入端为高电平，L表示低电平，X表示为低电平或者高电平。

表3-1 L298对直流电机控制的逻辑真值表

由上表可以看出，当ENA为高电平，控制芯片使能，IN1控制电机的正转方向，IN2控制电机的反转方向。当IN1、IN2输入状态不同时，电机旋转，且电机旋转方向与高电平控制有关，即当IN1为高电平IN2为低电平时电机正转，当IN2为高电平IN1为低电平时电机反转；当IN1、IN2输入状态相同时电机快速停止。当ENA为低电平时芯片禁止使用，无论 IN1、IN2为任何输入状态，电机都会自由停止。^[10]

4、 显示模块软件设计

用LCD显示一个字符时比较复杂，首先找到显示屏上某个位置所对应的RAM区的8个字节，在有程序分别对这个8个字节置1或置0，1表示点亮，0表示不亮，这样组合起来就能把一个字符点亮。^[9]但是有的控制器内部自带字符发生器，如LCD1602，显示一个字符就非常容易了，把控制器的工作设定在文本方式，再根据字符显示的位置，找到该位置找出显示RAM所对应的地址，设立光标，在把所需要的字符代码送上去就可以了。

5、总结

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^[1], 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，设置独立性键盘分别控制电机的正反转、加速和减速，最后通过LCD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。

参考文献：

[1]任保宏，徐科军. MSP430单片机原理与应用MSP430F5XX/6XX系列单片机入门、提高与开发[M]. 北京：电子工业出版社，2014.

[2]马忠梅等．单片机的C语言应用程序设计[M]（第3版）.北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[3]何立民．单片机高级教程[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2000.

[4]刘川来等. 计算机控制技术[M]．北京：机械工业出版社，2015.

[5]戴先中等.微机硬件应用实践：原理与接口[M].南京：东南大学出版社，2001.

[6]李萍等.AT89S51单片机原理、开发与应用实例[M].北京：中国电力出版社，2008.

[7]朱清慧等.Proteus教程电子线路设计、制版与仿真[M].北京：清华大学出版社，2011.

[8]董燕飞.基于MSP430的直流电机PWM调速双闭环控制系统的设计[J].煤矿机械，2010(6):31.

[9]王鹏飞，王宝强.基于MSP430单片机的直流电机PWM调速系统的研究[J].成都信息工程学院学报，2003(2)，05-19.

[10]左玉兰，马宗龙.直流电机调速系统的单片机控制[J].集成电路应用，1999(4)，03-07.

[11]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社.1991，52-110.

4. 研究方案

要控制直流电机转速，硬件电路要求比较高，它决定直流电机调速的精度。采用PID控制器，因此需要设计一个闭环直流电机控制系统。该系统采用脉宽调速，使电机速度等于设定值，并且实时显示电机的转速值。通过对设计功能分解，设计方案论证可以分为：系统结构方案论证，速度测量方案论证，电机驱动方案论证，键盘显示方案论证，PWM软件实现方案论证。

4.1微处理器的选择

方案一：采用一片单片机（AT89S52）完成系统所有测量、控制运算，并输出PWM控制信号，但是其造成CPU资源紧张，程序的多任务处理难度增大，不利与提高和扩展系统性能，也不利于向其他系统移植。

方案二：采用两片单片机（AT89S52）,其中一片做成PID控制器，专门进行PID运算和PWM控制信号输出；另一片则系统主芯片，完成电机速度的键盘设定、测量、显示，并向PID控制器提供设定值和测量值，设定PID控制器的控制速度等，但硬件比较复杂。

方案三：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。

综上所述采用方案三。

4.2测速传感器的选择

方案一：使用测速发电机，输出电动势E和转速n成线性关系，即E=kn，其中k是常数。改变旋转方向时，输出电动势的极性即相应改变，安装不方便且不常用。

方案二：采用霍尔传感器，霍尔元件是磁敏元件，在被测的旋转体上装一磁体，旋转时，每当磁体经过霍尔元件，霍尔元件就发出一个信号，经放大整形得到脉冲信号，送运算。不需A/D转换，直接可以被单片机接收。

方案三：采用光电传感器，在电机的转轴端安装一个自制码盘（32个黑白相间的扇形弧度），经过红外发射接收管，发射的红外光一直发射，当码盘转到白色的条纹时反射回来被接受管接收，每输出16个脉冲就转过一圈。

在本设计方案中采用两种方法，因此采用方案二和方案三

4.3电机驱动方案论证

方案一：采用专用小型直流电机驱动芯片L298。这个方案的优点是驱动电路简单，几乎不添加其它外围元件就可以实现稳定的控制，使得驱动电路功耗相对较小，而且目前市场上此类芯片种类齐全，价格也比较便宜。

方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。

方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。

通过比较和对市场因素的考虑，本设计采用方案一，使系统的设计核心在PID控制上。图4-1 为L298的引脚图。

图4-1 L298引脚图

4.4显示电路选择与比较

方案一：采用数码管显示电路，该硬件电路简单，编程也比较简单。视角范围大，亮度高，显示是效果好，但是只能显示简单数字字母等有限的字符，不能满足本设计要求。故，不采用数码管显示电路。

方案二：采用1602液晶显示，硬件电路简单，编程容易。可以显示字母和数字，以及一下简单的图像。能满足本设计要求，显示清晰度可以通过调节偏压端电压来改变对比度，从而实现清晰度调整。显示效果较好，还可以滚动显示等，显示灵活。

综上所述，数码管显示电路不能满足本设计的要求；1602显示能显示字母和数字，能满足本设计要求。故采用1602液晶显示电路作为本设计的显示电路模块。

4.5键盘电路选择与比较

方案一：独立式键盘，独立式键盘硬件电路极为简单，程序也非常简单。容易开发，开发周期短，使用方便简单。

方案二：矩阵式键盘，矩阵式键盘硬件电路也比较简单，编程较为复杂。不容易开发，在按键较多的时候，与独立式键盘相比较经济，占用IO端口较少，但编程较独立式键盘难的多，由于本设计要求的键盘按键数量较少，采用独立式键盘较方便，开发难度大大降低，开发周期缩短，也比较经济。

故在本设计中采用独立式键盘。

经上述比较后采用独立式键盘作为本设计的键盘电路模块。在调速时可通过键盘对电机进行正转和反转、加速和减速控制。如图4-2所示，KEY1、KEY2、KEY3、KEY4分别与MSP430的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3相连然后再与地相连，它们分别控制着电机的加速和减速、正转和反转。

图4-2 键盘电路图

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MSP430G2553的Timer-A模式产生PWM输出以生成控制信号，将PWM波通过TIP521光耦实现单片机与外部电路之间的电气隔离，经过L298N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H92B4红外对射管记录码盘转动刻度，检测直流电机转速构成的速度反馈，通过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LCD1602动态显示出电机的转速。下图4-3为系统硬件结构简图。

图4-3 系统硬件结构简图

5. 工作计划

第 1 周 课题调研，接受任务书，领会课题含义，按要求查找相关资料；

第 2 周 阅读单片机相关资料，理解直流电机有关内容，做好开题报告的相关准备；

第 3 周 翻译导师所提供的对的3000字英文资料，提出拟完成本课题的方案，写出相关开题报告一份；