1、石家庄铁道大学毕业设计 基于 MSP430 的直流电机调速系统 Speed Control System Of DC Motor Based On MSP430 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
2、 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
3、 ；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. MSP
4、430 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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、 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：
10、 MSP430 PWM 调速 直流电机 Abstract This design introduces a MSP430 Microcontroller based single-loop DC motor speed control system, as Chinese industrial development, more and more production machinery required to achieve automatic speed control. MSP430 family of microcontrollers have the processing capac
11、ity, fast speed, high integration, the external device rich, ultra-low power consumption, etc.The design introduces a MSP430 Microcontroller based single-loop DC motor speed control system.The system uses the MSP430 microcontroller Timer-A mode PWM wave generated by changing the duty cycle of PWM wa
12、ve to control motor speed, and highlights the PWM speed control principle. One method of using opto isolation between SCM and electrical isolation between the external circuit, PWM wave amplification through the power driver chip controls the DC motor armature voltage for smooth speed detected by th
13、e Hall element constitutes the speed of DC motor speed feedback. Set of four independent keyboard control motor, respectively, reversing, acceleration and deceleration. Finally, dynamic LED display DC motor speed. MSP430 MCU control with the speed of DC motor instead of a conventional analog control
14、, the control of high precision, and easy system upgrades and improvements, greater flexibility and adaptability. Keywords: MSP430 PWM speed control DC motor 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题研究的目的意义 . 1 1.1.1 设计目的 . 1 1.1.2 设计的意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.3 主要内容及方法手段 . 2 1.3.1 主要内容 . 2 1.3.2 方法手段 . 2 1.3.3 预期达到的结果 .
15、 3 第二章 器件的选用 . 4 2.1 单片机 MSP430 . 4 2.1.1 MSP430 的特点 . 4 2.1.2 MSP430 型号的选择 . 4 2.1.3 MSP430F149 . 5 2.2 电气隔离 . 9 2.2.1 光耦的选择 . 9 2.2.2 TLP521 简介 . 9 2.3 驱动模块 . 11 2.3.1 驱动芯片的选择 . 11 2.3.2 L298 的介绍 . 11 2.3.3 L298 的引脚功能 . 11 2.4 显示方式 . 12 2.5 测速模块 . 13 2.5.1 测速元件的选择 . 13 2.5.2 霍尔效应及其原理 . 13 2.5.3 CS
16、3020 的特征及应用 . 14 2.5.4 CS3020 的引脚说明 . 14 2.6 键盘的选择 . 15 第三章 硬件电路设计 . 16 3.1 系统设计原理 . 16 3.2 单片机的最小系统 . 16 3.2.1 电源 . 16 3.2.2 复位电路 . 18 3.2.3 晶体 . 18 3.3 PWM 波调速 . 19 3.3.1 直流电机 PWM 的调速原理 . 19 3.3.2 Timer-A 实现 PWM . 20 3.3.3 键盘调速 . 23 3.4 电机驱动电路 . 24 3.4.1 电气隔离电路 . 24 3.4.2 驱动电路 . 25 3.5 LED 显示 . 27
17、 3.6 测速电路 . 28 第四章 结论与展望 . 30 4.1 结论 . 30 4.2 展望 . 30 参考文献 . 31 致谢 . 32 附录 A . 33 附录 B . 41 石家庄铁道大学毕业设计 1 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
18、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
19、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
20、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。 石家庄铁道大学毕业设计 2 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
21、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。
