MSP430原理与应用

1“MSP430原理与应用”课程结业论文——题目：浅谈MSP430单片机在电机控制中的应用——选修“MSP430原理与应用”课程有感姓名：贺钊学号：201440420班级：电信5141班系部：机电与信息工程系成绩：批阅教师：长江大学文理学院2016年5月17日1摘要MSP430单片机对步进电机的控制系统具有成本低、使用灵活的特点，广泛应用于数控机床、机器人，定量进给、工业自动控制以及各种可控的有定位要求的机械工具等应用领域。步进电机是数字控制电机，将脉冲信号转换成角位移，电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，非超载状态下，根据上述线性关系，再加上步进电机只有周期性误差而无累积误差，因此步进电机适用于单片机控制。步进电机通过输入脉冲信号进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲总数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路是根据单片机产生的控制信号进行工作。因此，单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现对步进电机的控制。关键词：步进电机MSP430单片机角位移转速控制前言随着步进电机在工业控制和检测系统中的应用不断增强，对步进电机的控制系统提出越来越高的要求，MSP430单片机具有优良的性能而成为首选的中央处理器，实现对步进电机驱动位移和速度的高精准显示和控制。MSP430系列超低功耗单片机是TI公司与1996年开始推出的超低功耗16位单片机，凭借其自身优良的性能、方便灵活的开发方式、丰富的技术资料和应用案例，使得MSP430在国内得到非常广泛的应用。PID调节是连续系统中技术最成熟、应用最为广泛的一个调节方式。其实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可灵活的改变PID结构，以允许发挥计算机的作用。MSP430系列单片机简介近几年来，随着微电子技术的日新月异，世界上的许多芯片制造商纷纷推出自己的新产品，品种极为丰富。由于竞争激烈，其中串行接口多、低功耗、本身具有液晶显示驱动器与看门狗定时器的多功能芯片将成为主流器件。全球著名DSP制造商—美国德州仪器(TI)公司所生产的新型芯片MSP430系列，以其独特的性能和丰富的片内外设成为电子技术设计开发人员的新宠。2MSP430系列单片机功能特性：TI公司MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其中包括一系列器件，它们针对不同的应用而由各种不同模块组成。它们具有16位RISC结构，CPU的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率。灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗。数字控制的振荡器(DCO)可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在小于6μs的时间内被激活到正常的工作方式。MSP430系列单片机的16位定时器是应用于工业控制如纹波计数器、数字化电机控制、电表、水表和手持式仪表等的理想配置，其内置的硬件乘法器大大加强了其功能并提供了软硬件相兼容的范围，提高了数据处理能力。MSP430单片机具有如下特点：(1)低电压、超低功耗MSP430系列单片机，在1.8～3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，工作电流(在0.1～400μA之间)因不同的工作模式而不同；具有16个可以任意嵌套的中断源，使用灵活方便：将CPU置于省电模式时，用中断方式可唤醒程序，其过度响应时间小于6us，编制出的源代码程序实时性较高。(2)强大的处理能力MSP430系列单片机为16位RISC结构，具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理方法；有较高的处理速度，在晶振频率为8MHz驱动时，其指令周期为125μs。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。(3)系统工作稳定上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时问。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可以用看门狗将其复位。(4)丰富的片内外设MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是以下一些外围模块的不同组合：看门狗(WDT)、定时器A(Timer_A)、定时器B(Timer_B)、比较器、串口0、1(USARTO、1)、硬件乘法器、液晶驱动器、l0/12位ADC、48个I/O端口、基本定时器(BasicTimer)，可在线仿真的FLASH内存，7路PWM输出，以及内嵌的LCD驱动等。本设计所选用的主控芯片MSP430F1493就包含了：FLL+(频率锁相环)时钟系统，看门狗，精密模拟比较器(Comparator)，带有3个捕获／比较寄存器的16位定时器(Timer_A)串口、0，1，48个I/O通用引脚、并且端口Pl、P2有中断能力。(5)高效的开发方式MSP430支持在线仿真和编程，所配编译器功能强大。具有FLASH存储器型的单片机，利用其本身具有JTAG接口，可以在一台PC机及一个JTAG控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序的在线调试，实时修改片内寄存器和存储器的内容，对开发人员来说将大大提高程序的调试效率。MSP430系列器件均为工业级的，运行环境温度为．-40℃～+85℃。步进电动机的工作原理步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移（或直线位移）的机电执行元件，它转动的角度（或直线距离）和输入脉冲的个数成正比。步进电机的转子为多级分布，定子上嵌有多相星行连接的控制绕组，有专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电机的转子就前进一步，步进电机的种类多，按结构可分为反应式和激励式两种，按相数分期可分为单相；两相和多相三种。步进电机的驱动步进电机不同于一般的电机，所以它的驱动需要一个专门的驱动器，该驱动器可以进行256细分，可以完成步进距离的毫米精度的控制，中央处理器采用MSP430F135单片机，通过TIMER_A定时器产生脉冲信号，通过对脉冲信号的控制完成对步进电机的控制。步进电机的驱动图如图1所示，其中PUL表示步进脉冲输入端，DIR表示步进电机旋转方向的正反选择位，COM表示+5V电源。图1步进电机驱动图步进电机单片机控制信号PUL+24VDIRGNDCOMA+ENAA-RSTB+B-4步进电机控制系统本系统的软件开发平台选用美国的“LAREmbeddedWorkbenchforMSP430”作为开发工具。LARC430编译器除提供C语言的标准特性，还增加了许多为利用MSP430专门工具而设计的扩展功能，提供了友好的用户界面和强大的调试系统，十分便于开发MSP430系列单片机的应用程序。通过综合利用MSP430F135单片机的TIMER_A中断模块，串行异步通信模块，键盘以及LED的接口以及配套的相应设备，可以建立步进电机控制系统模型。它具有通过串口和按键两种控制方式控制步进电机的转速，旋转方向以及启动和停止步进电机，并且在LED上显示当前电机运行状态信息的功能，包括运行速度，当前运行的距离等信息。系统的工作流程图如图2所示：否是图2步进电机控制流程图开始系统初始化（包括系统时钟初始化，TIMER_A定时器中断设置，开中断，键盘以及显示模块初始化），设置步进电机的默认转速，旋转方向检查是否按下键执行案件处理子程序，步进电机的启动/停止，设定转速和旋转方向，完成步进电机转速和转动距离的变化把运动状态发送到LED显示并通过串口发送到上位机相应的程序处理完毕5该系统的控制程序包括系统初始化模块，LED显示模块，以及定时器和串口两个中断服务程序（如图3，图4所示）。每个程序块的原理和方法不做详细分析，下面只对本系统控制程序的一些细节做一些说明。（1）脉冲信号的产生。（2）在本系统中，脉冲信号的产生靠定时器TIMER_A定时器的响应中断对P5.1取反而产生的，并在中断服务程序中实现对步进电机和圈数的精准计数，达到系统所要达到的精准要求。虽然在MSP430系列单片机中TIMER_A具有PWM功能，但是采用PWM功能将使对脉冲个数的控制复杂化，加大了系统的设计难度。图3定时器中断服务程序流程图（3）电动机的停止要使电动机停止，可以使用向步进电动机Pul端发送恒定的高电压。由于输入的控制信号不再是脉冲信号，而是一个恒定的电压，因此电动机停止转动。在本系统中通过键盘或者串口操作，是TIMER_A中断关闭，是P5.1恒为高电压，从而达到使电机停止的功能。而且在电机停止时，电动机的电源电压并没有断开，实现了步进电机处于保持状态，达到了系统的稳定性。电动机旋转方向的控制在本系统中，P5.2和驱动的DIR口相连，通过设置P5.2口的状态可控制电机的转动方向。当P5.2为高电平时，电机顺时针方向转动，当P5.2为低电平时，电机逆时针方向转动从而避免由于来自驱动的大电流冲击对CPU带来的损坏。电动机转速的控制电动机转速的控制可以通过改变定时器中断的时间的长短的方法来实现。通过串口或者键盘向CCRO写入新的计数值，以获得新的脉冲信号周期。由于CCRO为定时器中断入口实现脉冲信号的产生，并根据脉冲信号对步进电机运行的步数和围数进行比较结束616位寄存器。所以该方式可以实现步进电机脉冲信号的精准控制，从而实现对步进电机速度的精准控制。图4串口中断服务程序流程图MSP430实物图串口中断服务程序入口完成串口的收发工作，根据串口接受的数据对步进电机进行控制，并把状态参数发送到上位机返回7单片机控制电机的Proteus仿真图结论与感想通过为期十周的学习，我对MSP430单片机有了一个初步了解和认识，相对于普通的单片机，MSP430单片机具有优越的性能，应用的领域广泛，成为很多产品的首选中央处理器。单片机是一门应用性和综合性很强的学科，它综合了电子技术中的模拟电路和数字电路方面的知识，特别是数字电路，因为数字电路在里面的应用很多。学习单片机最好先从汇编语言入手，虽然汇编语言是低级语言，编程效率低，但它比C语言占用内存小，执行速度快等优点，在刚接触单片机时更容易学习。由于单片机涉及的知识很多，所以我们只能循序渐进的学习，逐步的积累，没有什么捷径可循。针对MSP430教学，我认为单单的课堂教学太过于单调，课堂要是能够用MSP40系列单片机的实体作品结合来讲，不仅会激发学生的学习兴趣也可以提高课堂的教学效率，学生更容易接受，有必要时可以指导学生亲身体验学习单片机进行一些简单的操作，活跃课堂的氛围。作为一个电子信息工程专业的学生，单片机的基本运用使我们的必备技能，学习MSP430系列单片机不仅可以提高我们的专业技能，也可以提高我们把单片机运用到实体产品的能力，电子行业的更新换代的速度很快，只有不断学习接受8市面上最新的电子信息知识，拥有过硬的专业技能和扎实的专业基础，才能在电子信息（硬件）学习领域崭露头角。参考文献[1]王新颖.单片机原理及应用设计.北京：北京大学出版社，2008[2]王晓明、胡晓柏，电动机的单片机控制[M].北京航空航天大学出版社,2002[3]刘国永,陈杰平.单片机控制步进电机系统设计.安徽:安徽技术师范学院学报,2002[4].胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机.北京航空航天大学出版社，2001.[5].MSP430Assembler,Linker,andLibrarianProgrammingGuide，TexasInstrumentscorportation[6]刘国永,陈杰平,单片机控制步进电机系统设计.安徽:安徽技术师范学院学报,2002,16(4)61-63.[7]徐益民.步进电机的单片机控制系统的设计[D].哈尔滨:黑龙江科技学院.2005：45-65