多功能工業(yè)控制平臺
多功能工業(yè)控制平臺,多功能,工業(yè),控制,節(jié)制,平臺
1 引言
自20世紀80年代初期誕生至今，工業(yè)控制軟件已有20年的發(fā)展歷史。工業(yè)控制與上位機軟件相結(jié)合，是隨著PC機的興起而不斷發(fā)展的。工業(yè)控制與上位機軟件控制、多元化、低功耗、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化是現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展趨勢。
目前，我國已開發(fā)出一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的實時監(jiān)控軟件平臺、先進控制軟件、過程優(yōu)化控制軟件等成套應(yīng)用軟件，工程化、產(chǎn)品化有了一定突破，打破了國外同類應(yīng)用軟件的壟斷格局。通過在化工、石化、造紙等行業(yè)的數(shù)百個企業(yè)（裝置）中應(yīng)用，促進了企業(yè)的技術(shù)改造，提高了生產(chǎn)過程控制水平和產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)創(chuàng)造了明顯的經(jīng)濟效益。2000年“九五”國家科技攻關(guān)計劃項目“大型骨干石化生產(chǎn)系統(tǒng)控制及計算機應(yīng)用技術(shù)”通過了驗收。
作為工控軟件的一個重要組成部分，國內(nèi)人機界面組態(tài)軟件研制方面近幾年取得了較大進展，軟件和硬件相結(jié)合，為企業(yè)測、控、管一體化提供了比較完整的解決方案。在此基礎(chǔ)上，工業(yè)控制軟件將從人機界面和基本策略組態(tài)向先進控制方向發(fā)展。
由于先進控制和優(yōu)化軟件可以創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益，因此這些軟件也身價倍增。在世界范圍內(nèi)形成了一個強大的流程工業(yè)應(yīng)用軟件產(chǎn)業(yè)。因此，開發(fā)我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進控制和優(yōu)化軟件，打破外國產(chǎn)品的壟斷，替代進口，具有十分重要的意義。
在未來，工業(yè)控制軟件將繼續(xù)向標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和開放性發(fā)展方向。
52
2 系統(tǒng)設(shè)計
2.1 設(shè)計要求
1.步進電機的正反轉(zhuǎn)，加減速控制
2.直流電機的正反轉(zhuǎn)，加減速控制
3.繼電器的閉合與斷開控制
4.傳感器的輸入檢測
5.上位機進行數(shù)據(jù)采集與顯示
6.電腦控制電路
7.常用的工業(yè)控制演示
2.2 開發(fā)設(shè)計思路
根據(jù)工業(yè)控制的現(xiàn)狀和電控技術(shù)，智能控制技術(shù)，基于單片機控制的試驗技術(shù)，設(shè)計完成簡單的工業(yè)控制電路。系統(tǒng)硬件平臺搭建本著為性能可靠，工作穩(wěn)定，功能強大的總體設(shè)計原則，采用高性能低功耗的MPS430單片機為核心。由傳感器、驅(qū)動器、繼電器等常用工業(yè)控制設(shè)備作為主體。然后，應(yīng)用VB程序設(shè)計完成數(shù)據(jù)采集分析，同時使用VB程序自帶串口設(shè)計控件，完成向單片機串口發(fā)送指令的設(shè)計。并應(yīng)用C語言程序設(shè)計寫出單片機控制程序，實現(xiàn)單片機對步進電機、直流電機的加減速、狀態(tài)顯示、電路繼電器開路與斷路的控制。最后，模擬工業(yè)控制的方式進行調(diào)試和演示。
2.3 系統(tǒng)方框圖
圖2-1系統(tǒng)方框圖
3 MSP430F149單片機
3.1 MSP430F149核心芯片簡介
圖3-1 MSP430F149核心芯片
MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器(Mixed Signal Processor)。稱之為混合信號處理器，主要是由于其針對實際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。
3.2 MSP430 單片機的發(fā)展
MSP430 系列是一個 16 位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機，在 1996 年問世，由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，已成為眾多單片機系列中一顆耀眼的新星。回憶 MSP430 系列單片機的發(fā)展過程，可以看出有這樣三個階段：
開始階段 從 1996 年推出 MSP430 系列開始到 2000 年初，這個階段首先推出有 33X 、 32X 、 31X 等幾個系列，而后于 2000 年初又推出了 11X 、 11X1 系列。
MSP430 的 33X 、 32X 、 31X 等系列具有 LCD 驅(qū)動模塊，對提高系統(tǒng)的集成度較有利。每一系列有 ROM 型（ C ）、 OTP 型（ P ）、和 EPROM 型（ E ）等芯片。 EPROM 型的價格昂貴，運行環(huán)境溫度范圍窄，主要用于樣機開發(fā)。這也表明了這幾個系列的開發(fā)模式，即：用戶可以用 EPROM 型開發(fā)樣機；用 OTP 型進行小批量生產(chǎn)；而 ROM 型適應(yīng)大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。
2000 年推出了 11X/11X1 系列。這個系列采用 20 腳封裝，內(nèi)存容量、片上功能和 I/O 引腳數(shù)比較少，但是價格比較低廉。
這個時期的 MSP430 已經(jīng)顯露出了它的特低功耗等的一系列技術(shù)特點，但也有不盡如人意之處。它的許多重要特性，如：片內(nèi)串行通信接口、硬件乘法器、足夠的 I/O 引腳等，只有 33X 系列才具備。 33X 系列價格較高，比較適合于較為復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)。當(dāng)用戶設(shè)計需要更多考慮成本時， 33X 并不一定是最適合的。而片內(nèi)高精度A/D 轉(zhuǎn)換器又只有 32X 系列才有。
尋找突破，引入Flash技術(shù) 隨著 Flash 技術(shù)的迅速發(fā)展， TI 公司也將這一技術(shù)引入 MSP430 系列中。在 2000 年 7 月推出 F13X/F14X 系列，在 2001 年 7 月到 2002 年又相繼推出 F41X 、 F43X 、 F44X 這些全部是 Flash 型單片機。
F41X 單片機是目前應(yīng)用比較廣的單片機，它有 48 個 I/O 口， 96 段 LCD 驅(qū)動。 F43X 、 F44X 系列是在 13X 、 14X 的基礎(chǔ)上，增加了液晶驅(qū)動器，將驅(qū)動 LCD 的段數(shù)由 3XX 系列的最多 120 段增加到 160 段。并且相應(yīng)地調(diào)整了顯示存儲器在存儲區(qū)內(nèi)的地址，為以后的發(fā)展拓展了空間。
MSP430 系列由于具有 Flash 存儲器，在系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)調(diào)試及實際應(yīng)用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)點。這是 TI 公司推出具有 Flash 型存儲器及 JTAG 邊界掃描技術(shù)的廉價開發(fā)工具 MSP-FET430X110 ，將國際上先進的 JTAG 技術(shù)和 Flash 在線編程技術(shù)引入 MSP430 。
這種以 Flash 技術(shù)與 FET 開發(fā)工具組合的開發(fā)方式，具有方便、廉價、實用等優(yōu)點，給用戶提供了一個較為理想的樣機開發(fā)方式。
另外， 2001 年 TI 公司又公布了 BOOTSTRAP LOADER技術(shù)，利用它可在燒斷熔絲以后只要幾根線就可更改并運行內(nèi)部的程序。這為系統(tǒng)軟件的升級提供了又一方便的手段。 BOOTSTRAP 具有很高的保密性，口令可達到 32 個字節(jié)的長度。
蓬勃發(fā)展階段 在前一階段，引進新技術(shù)和內(nèi)部進行調(diào)整之后，為 MSP430 的功能擴展打下了良好的基礎(chǔ)。于是 TI 公司在 2002 年底和 2003 年期間又陸續(xù)推出了 F15X 和 F16X 系列的產(chǎn)品。
在這一新的系列中，有了兩個方面的發(fā)展。一是從存儲器方面來說，將 RAM 容量大大增加，如 F1611 的 RAM 容量增加到了 10KB 。這樣一來，希望將實時操作系統(tǒng)（ RTOS ）引入 MSP430 的，就不會因 RAM 不夠而發(fā)愁了。二是從外圍模塊來說，增加了 I 2 C 、 DMA 、 DAC12 和 SVS 等模塊。
在 2003 年中， TI 公司還推出了專門用于電量計量的 MSP430FE42X 和用于水表、氣表、熱表上的具有無磁傳感模塊的 MSP430FW42X 單片機。我們相信由于 MSP430 的開放性的基本架構(gòu)和新技術(shù)的應(yīng)用，新的 MSP430 的產(chǎn)品品種必將會不斷出現(xiàn)。
3.3 MSP430 單片機的特點
MSP430 系列單片機的迅速發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴大，主要取決于以下的特點。
強大的處理能力 MSP430 系列單片機是一個 16 位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅(qū)動下指令周期為 125 ns 。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。
在運算速度方面， MSP430 系列單片機能在 8MHz 晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn) 125ns 的指令周期。 16 位的數(shù)據(jù)寬度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現(xiàn)乘加）相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法（如 FFT 等）。
MSP430 系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時，用中斷請求將它喚醒只用 6us 。
超低功耗 MSP430 單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。
首先， MSP430 系列單片機的電源電壓采用的是 1.8~3.6V 電壓。因而可使其在 1MHz 的時鐘條件下運行時， 芯片的電流會在 200~400uA 左右，時鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有 0.1uA 。
其次，獨特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計。在 MSP430 系列中有兩個不同的系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（ FLL 和 FLL+ ）時鐘系統(tǒng)或 DCO 數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)。有的使用一個晶體振蕩器（ 32768Hz ） , 有的使用兩個晶體振蕩器。由系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時鐘。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。
由于系統(tǒng)運行時打開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動模式（ AM ）和五種低功耗模式（ LPM0~LPM4 ）。在等待方式下，耗電為 0.7uA ，在節(jié)電方式下，最低可達 0.1uA 。
系統(tǒng)工作穩(wěn)定。上電復(fù)位后，首先由 DCOCLK 啟動 CPU ，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用做 CPU 時鐘 MCLK 時發(fā)生故障， DCO 會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。
豐富的片上外圍模塊 MSP430 系列單片機的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗（ WDT ）、模擬比較器 A 、定時器 A （ Timer_A ）、定時器 B （ Timer_B ）、串口 0 、1（ USART0 、1 ）、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、 10 位 /12 位 ADC 、16位Sigma-Delta AD、直接尋址模塊（ DMA ）、端口 O （ P0 ）、端口 1~6 （ P1~P6 ）、基本定時器（ Basic Timer ）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復(fù)位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設(shè)計出 A/D 轉(zhuǎn)換器； 16 位定時器（ Timer_A 和 Timer_B ）具有捕獲 / 比較功能，大量的捕獲 / 比較寄存器，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實現(xiàn)多機通信等應(yīng)用；具有較多的 I/O 端口，最多達 6*8 條 I/O 口線； P0 、 P1 、 P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入； 12/14 位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達 200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動液晶多達 160 段；實現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換；硬件IIC串行總線接口實現(xiàn)存儲器串行擴展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用直接數(shù)據(jù)傳輸（ DMA ）模塊。 MSP430 系列單片機的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。
方便高效的開發(fā)環(huán)境 目前 MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這些器件的開發(fā)手段不同。對于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后在燒寫或掩膜芯片；對于 FLASH 型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因為器件片內(nèi)有 JTAG 調(diào)試接口，還有可電擦寫的 FLASH 存儲器，因此采用先下載程序到 FLASH 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計者調(diào)試使用的方法進行開發(fā)。這種方式只需要一臺 PC 機和一個 JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和 C 語言。
MSP430 單片機目前主要以 FLASH 型為主。
1.適應(yīng)工業(yè)級運行環(huán)境 MSP430 系列器件均為工業(yè)級的，運行環(huán)境溫度為 -40~+ 85 攝氏度 ，所設(shè)計的產(chǎn)品適合用于工業(yè)環(huán)境下。
2.同其它微控制器相比 MSP430系列可以大大延長電池的使用壽命。
3.6us的啟動時間可以使啟動更加迅速。
4.ESD保護，抗干擾力強。
5.低電壓供電。
6.多達64KB尋址空間，包含 ROM、RAM 閃存 RAM和外圍模塊。將來計劃擴大至 1MB。
7.通過堆棧處理，中斷和子程序調(diào)用層次無限制。
8.僅3種子令格式，全部為正交結(jié)構(gòu)。
9.盡可能做到1字/指令。
10.源操作數(shù)有7種尋址模式，目的操作數(shù)有 4種尋址模式。
11.外部中斷引腳：I/O口具有中斷能力。
12.中斷優(yōu)先級：對同時發(fā)生的中斷按優(yōu)先級別處理。
13.嵌套中斷結(jié)構(gòu)：可以在中斷服務(wù)過程中再次響應(yīng)其它中斷。
14.外圍模塊地址為存儲器分配：全部寄存器不占用 RAM空間，均在模塊內(nèi)。
定時器中斷可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、PWM等。
15.看門狗功能。
16.A/D轉(zhuǎn)換器（10位或更高精度）。
17.正交指令簡化了程序的開發(fā)：所有指令可以用任意尋址模式。
18.已開發(fā)了C-編譯器。
19.模塊設(shè)計思想：所有模塊采用存儲器分配。
20.MSP430 全部為工業(yè)級 16 位 RISC MCU。
3.4 MSP430 與89C51系列的比較
我國的多數(shù)讀者對89C51系列的單片機是很熟悉的，為了加深對 MSP430系列單片機的認識，我們不妨將兩者進行一下比較。
首先，89C51單片機是 8 位單片機。其指令是采用的被稱為“ CISC ”的復(fù)雜指令集，共具有 111 條指令。而 MSP430 單片機是 16 位的單片機，采用了精簡指令集（ RISC ）結(jié)構(gòu)，只有簡潔的 27 條指令，大量的指令則是模擬指令，眾多的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算。這些內(nèi)核指令均為單周期指令，功能強，運行的速度快。
其次，89C51單片機本身的電源電壓是5 V，有兩種低功耗方式：待機方式和掉電方式。正常情況下消耗的電流為24mA ，在待機狀態(tài)下，其耗電電流仍為 3mA ；即使在掉電方式下，電源電壓可以下降到2V，但是為了保存內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)，還需要提供約50uA 的電流。而MSP430系列單片機在低功耗方面的優(yōu)越之處，則是89C51系列不可比擬的。正因為如此， MSP430更適合應(yīng)用于使用電池供電的儀器、儀表類產(chǎn)品中。
再者，89C51系列單片機由于其內(nèi)部總線是8位的，其內(nèi)部功能模塊基本上都是 8 位的雖然經(jīng)過各種努力其內(nèi)部功能模塊有了顯著增加，但是受其結(jié)構(gòu)本身的限制很大，尤其模擬功能部件的增加更顯困難。 MSP430系列其基本架構(gòu)是16位的，同時在其內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線經(jīng)過轉(zhuǎn)換還存在8位的總線，在加上本身就是混合型的結(jié)構(gòu)，因而對它這樣的開放型的架構(gòu)來說，無論擴展8位的功能模塊，還是16位的功能模塊，即使擴展模/數(shù)轉(zhuǎn)換或數(shù)/模轉(zhuǎn)換這類的功能模塊也是很方便的。這也就是為什么MSP430系列產(chǎn)品和其中功能部件迅速增加的原因。
最后，就是在開發(fā)工具上面。對于89C51來說，由于它是最早進入中國的單片機，人們對它在熟悉不過了，再加上我國各方人士的努力，創(chuàng)造了不少適合我們使用的開發(fā)工具。但是如何實現(xiàn)在線編程還是一個很大的問題。對于MSP430系列而言，由于引進了Flash型程序存儲器和JTAG技術(shù)，不僅使開發(fā)工具變得簡便，而且價格也相對低廉，并且還可以實現(xiàn)在線編程。
3.5 應(yīng)使用的多種MSP430
使用參數(shù)搜索為您的應(yīng)用找到合適的MSP430產(chǎn)品。MSP430產(chǎn)品系列類型描述。
MSP430F5xx 基于閃存的 MCU 提供 1.2 V至 3.6 V工作電壓、高達 256kB的閃存和最高25MIPS的時鐘系統(tǒng)，內(nèi)置4個USCI模塊。
MSP430F4xx基于閃存的 MCU 提供 1.8 V至 3.6 V工作電壓、高達 60kB 的閃存/ROM和8MIP（帶有 FLL + SVS） 內(nèi)置LCD Driver。
MSP430F2xx基于閃存的 MCU 提供 1.8 V至 3.6 V工作電壓、掉電復(fù)位及 16MIP（帶有基本時鐘）。
MSP430F1xx 基于閃存/ ROM 的 MCU 提供 1.8 V至 3.6 V的工作電壓、高達 60kB和8MIP（帶有基本時鐘）。
MSP430是一類現(xiàn)場16位數(shù)據(jù)線FLASH存儲器的單片機，該單片機以豐富的片上資源，高速和高精度而深受廣大單片機愛好者的青睞。而本設(shè)計充分利用其資源，實現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換、多機通信、外存和實時時鐘、PWM波形的函數(shù)發(fā)生器、比較器測量、定時器的捕獲測量周期、8M方波產(chǎn)生、硬件乘法器等等。通過設(shè)計的PCB板，可以應(yīng)用到大量的工業(yè)自動控制中，實現(xiàn)低功耗、低輻射、低污染的控制。
3.6 開發(fā)環(huán)境及程序下載
開發(fā)環(huán)境:在EW23環(huán)境下進行編程,匯編,連接,在C—SPY環(huán)境下進行調(diào)試,下載是在連接之后,調(diào)試之前,通過計算機的串口下載的。關(guān)于環(huán)境的操作,可以參考有關(guān)資料,其中可能遇到的問題及解決方法有:
1.匯編是對源程序而言的,因此必須打開一個源文件才能匯編,而連接是對一個工程文件而言的,連接是對工程文件的所有源代碼(包括多個源文件)和數(shù)據(jù)的定位,因此連接必須打開一個工程文件才能連接。
2.連接中必須將庫文件的路徑改正確,且必須選定C—SPY的驅(qū)動方式,即在project中的options的xlink的include下修改(先選中)xcl的庫路徑為 $TOOLKIT_DIR$\icc430\msp430F149A。xcl ,選擇C—SPY 的驅(qū)動drive為simulator或FLASH EMULATION TOOL ,當(dāng)沒連接430片子時可以選simulator,當(dāng)連接430片子時,選 FLASH EMULATION TOOL進行在線下載調(diào)試。
3.由于430支持匯編語言和C語言兩種語言,因此可以在一個工程文件 中同時用兩種語言,但建議用匯編語言,因為便于在調(diào)試時尋找邏輯和指令的聯(lián)系及地址的定位正確與否。
4.在在線的C—SPY 的調(diào)試中,單步需要將Control的Reatime前的勾取消才能進行單步測試。
5.在線調(diào)試時,不能將58 管腳（復(fù)位/非屏蔽中斷）外部變高,否則,會強制退出調(diào)試環(huán)境。
程序下載原理及脫機工作原理:程序的在線調(diào)試是通過JATG口和F149片子的 RST、TCK、TDI、TDO、TMS引腳按一定的時序串行的傳遞程序代碼和數(shù)據(jù)的,調(diào)試指令的命令傳遞都是通過這些數(shù)據(jù)線和控制線傳遞的,其中的地址0FFFEH為復(fù)位向量的地址,它是程序遇到非屏蔽中斷和程序啟動的首要地址,地址中存放的是程序段開始的首地址,因此必須把程序段的首地址標(biāo)號表示在中斷向量中或程序偽指令的開頭位置,否則,連接時將會出錯,具體的 表示方法在下一節(jié)中表示。程序的下載和在線調(diào)試的電源是通過計算機在JATG提供的,不須另外給加電源。
3.7 MSP430F149單片機的功能介紹
3.7.1 MSP430F149輸入輸出口
MSP430F149有6個8位的P口，其中P1、P2口占兩個中斷向量，共可以接16個中斷源，還可以直接利用P口的輸入輸出寄存器，直接對外進行通信。因為所有的P口都是和其他外設(shè)復(fù)用的，因此在用端口之前都要用功能選擇寄存器選定所用的功能是外設(shè)還是P口，選定之后還要在方向寄存器中確定是是輸出還是輸入，我實驗了一個程序，前部分是實現(xiàn)中斷功能的程序，后部分為中斷程序是實現(xiàn)直接用P口對外提供一個短脈沖的程序，在我們設(shè)計的開發(fā)板中，專門利用了P口的輸入輸出功能對外存24WCXX和實時時鐘芯片8563的數(shù)據(jù)通過的存取I2C總線的讀取和寫入。還利用了P口向電池充電的開啟電路。
3.7.2 定時器及數(shù)模轉(zhuǎn)換
圖3-2定時器及數(shù)模轉(zhuǎn)換
MSP430中有兩個16位定時器，還可以利用看門狗定時器。由于定時器的是16位的，則可以在秒數(shù)量級上定時，且具有2個中斷向量，便于處理各種定時中斷。定時器的應(yīng)用在F149中具有舉足輕重的作用，可以利用MSP430F149中的定時器的比較模式產(chǎn)生PWM（數(shù)字脈沖調(diào)制）波形，再經(jīng)過低通濾波器產(chǎn)生任意函數(shù)的波形，也就是說，可以通過定時器的比較模式實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。另外，定時器還具有捕獲模式，我們可以通過定時器的捕獲功能實現(xiàn)各種測量，比如脈沖寬度測量，如果和比較器結(jié)合，還可以測量電阻、電容、電壓、電流、溫度等，可以這樣說，只要能通過傳感轉(zhuǎn)換為時間長度的，都可以通過定時器的捕獲定時功能實現(xiàn)值的測量。在開發(fā)板中，利用定時器，我們設(shè)計了一個PWM濾波輸出的函數(shù)發(fā)生器。另外，我們還利用定時器的捕獲功能和比較器的比較功能測電阻和電容。比較器測電阻的實驗程序和時序： 程序和設(shè)計流圖為 如圖3-2：
3.7.3 時鐘模塊
MSP430F149的時鐘可以自由選擇,它包括一個內(nèi)部DCO時鐘和另外兩個外部時鐘,內(nèi)部時鐘的參數(shù)見參考資料,其中最高可達到1042KHZ;外部可以接兩個時鐘,一個可接鐘表晶振或標(biāo)準(zhǔn)晶振,另一個接最高時鐘頻率為8MHZ的晶振,8M是單片機的最高工作頻率,對于晶振的選擇,在參考資料一上介紹的很清楚,在此不在重復(fù),對基礎(chǔ)時鐘的控制,只需要對相應(yīng)的控制寄存器寫入相應(yīng)的控制位就可以產(chǎn)生需要的時鐘,還可以從相應(yīng)的端口測的時鐘頻率,我們做了一個實驗,是控制內(nèi)部時鐘的,可以從149的端口上測的相應(yīng)的頻率,只要開啟時鐘頻率之后,時鐘就繼續(xù)存在到寫入停止為止。
3.7.4 USART通信模塊
通用串行同步異步通信模塊是為了使MSP430F149多機通信用的,通過USART口連接RS202和RS485的驅(qū)動芯片可以實現(xiàn)單片機與計算機及其他的工作電平的匹配串行通信,由于MSP430F149具有兩個通信口,因此可以分別用于RS202和RS485的串行通信。MSP430有同步和異步兩種方式,每一種方式都有獨立的幀格式和控制寄存器,只需要按照需要和幀格式寫入相應(yīng)的寄存器就可以實現(xiàn)多機通信。由于MSP430的波特率產(chǎn)生比較自由,因此異步通信模式用的比較多,在畢業(yè)設(shè)計中,我們只實驗了異步通信模式,在異步通信模式中,MSP430的波特率的產(chǎn)生有很獨特的方式,可以實現(xiàn)多種波特率的產(chǎn)生,可以克服其他單片機的波特率受限的缺點。另外,在異步模式中,又根據(jù)需要分為線路空閑多機模式和地址位多機模式,如果只是兩機通信,線路空閑比較多,用線路空閑多機模式比較好,在開發(fā)板中有一個測試程序是實現(xiàn)通過RS202與計算機超級終端串行口相連的測試程序,在此,不用多說,由于MSP430的波特率發(fā)生器比較特別,在此,我們著重討論一下波特率發(fā)生器。波特率發(fā)生器是用波特率選擇寄存器和調(diào)整控制寄存器來產(chǎn)生串行數(shù)據(jù)位定時。
波特率=BRCLK/(UBR+(M7+M6+M5+M4+M3+M2+M1+M0)),其中BRCLK為晶振頻率,UBR為分頻因子的整數(shù),晶振頻率除以波特率的整數(shù)部分,而調(diào)整位,是分別寫在UMCTL中的,如果置位,則對應(yīng)的時序時間只能波特率分頻器的輸入時鐘擴展一個時鐘周期,每接受或發(fā)送一位,在調(diào)整控制寄存器的下一位被用來決定當(dāng)前位的定時時間。協(xié)議的第一位的定時由URB加上M0決定,下一位由UBR加上M1決定,以后類推。而調(diào)整位取“0”還是“1”，取決于當(dāng)前的分頻因子與需要的分頻因子的差距，如果大于0.5取“1”，如果小于0.5取“0”。
3.7.5 比較器模塊
比較器的應(yīng)用在MSP430中很廣,可以做為可轉(zhuǎn)換為電壓的量的測量,如果加上定時器的捕獲功能,比較器的用途會更廣,由于比較器的應(yīng)用在定時器一章已有實驗證明,在此不在多述,但有幾點必須說明。
1.比較器屬于硬件型的,雖然很準(zhǔn)確,但由于有軟件的控制,造成的時間誤差可能很大。因此存在一段時間的振蕩,這造成測量的誤差大，不能很精確。
2.比較器的參考電平很方便,可以都自由加,但不能超過片子的最高電壓3.3V ,否則不能正常工作。
3.比較器的應(yīng)用還很多,可以很放心的用,在我們的開發(fā)板中,有比較器的輸入端口,還加了電阻和穩(wěn)壓和嵌位的二極管對在高壓和負壓時的芯片保護。
3.7.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊
MSP430F149單片機中集成了14路12位A/D轉(zhuǎn)換,其中8路屬于外部的信號轉(zhuǎn)換,3路是對內(nèi)部參考電壓的檢測轉(zhuǎn)換,1路是接溫控的傳感電壓轉(zhuǎn)換,每一路轉(zhuǎn)換都有一個可控制的轉(zhuǎn)換存儲器,而且,參考電平和時鐘源都是可選擇的,可以外部提供的。這給使用上帶來了很大的靈活性。原理上不同于一般積分和逐次比較等A/D轉(zhuǎn)換原理,它的輸入信號是加在A/D的電容網(wǎng)絡(luò)上的,通過電容的充電來采樣信號進行A/D轉(zhuǎn)換的。其時序可以歸納為如圖3-3：
A/D轉(zhuǎn)換的時序和具體的一些注意事項和參數(shù),但有幾點必須注意的地方:
1.由于MSP430F149是采用加載信號到電容上充電的采樣,因此必須要給一定的采樣時間以能到達一定的精度和時間的不溢出,否則會出現(xiàn)時間溢出的中斷。據(jù)測定其采樣開始之后需要13個ADC12CLK周期延時。在實驗時是采用的單步才能比較精確的測量，在全速時需要延時才能測量，否則采樣結(jié)果為0。
2.在采樣結(jié)束和轉(zhuǎn)換的開始需要一個控制過程,這就是將ADC12CTL0的ENC和ADC12SC同時置“1”，則表明采樣結(jié)束和轉(zhuǎn)換開始，在我們的測試中，是將ADC12CTL0的控制位重復(fù)了一次以達到開始轉(zhuǎn)換。
3.用外部參考電壓時，轉(zhuǎn)換公式為NADC=4095*（Vin—Vr-）/（Vr+—Vr-）。
圖3-3模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊
4.由于低三位是電阻性的，因此精度上需要多次測量取平均值。
5.如果采用外參考電壓，則不能認為懸空為0V，而必須要加一個電壓，即使是0v也必須要加地，否則不能轉(zhuǎn)換。 具體的A/D采樣程序和結(jié)果在PCB測試中有比較詳細的結(jié)果。
在這次畢業(yè)設(shè)計中，我們的主要任務(wù)是設(shè)計一個芯片的開發(fā)板，以能夠供以后使用，考慮到F149的資源，我們的設(shè)計外圍模塊功能圖為：
圖3-4 外圍模塊功能圖
下面將分模塊介紹各模塊原理（標(biāo)示見原理圖）及調(diào)試程序和結(jié)果：外存和實時
考慮到單片機有時需要實時時鐘和外存,因此本設(shè)計加了一個8563實時時鐘芯片和24WCxx的片外存儲,采用I2C 總線結(jié)構(gòu)傳送數(shù)據(jù)和時鐘,通過P4.6傳送SCL時鐘信號,P4.5傳送地址、控制、應(yīng)答和數(shù)據(jù)信號。8563接一個32767HZ的晶振產(chǎn)生實時時鐘，R32、R31是提拉電阻，以從8563和24WCxx中輸出數(shù)據(jù)。由于本設(shè)計中只有一個片外存儲，因此其芯片地址為1010000，8563的讀的芯片地址為1010011，寫地址為1010010，關(guān)于I2C 總線的幀結(jié)構(gòu)為：
圖3-5 幀結(jié)構(gòu)圖
調(diào)試程序流圖和幀結(jié)構(gòu)的順序一樣，在這兒就不在重復(fù)，調(diào)試程序見設(shè)計程序。調(diào)試結(jié)果為：往外存中的10000000地址寫入10101010字節(jié)數(shù)據(jù)后讀出仍然為10101010，表明對外存的讀寫正確。對8563的讀寫一樣。對I2C 總線的使用最重要的是時序的正確。這是編程最重要的一點。另外，對讀信號時，要注意是啟動后，先寫片選地址，再送寫信號，等應(yīng)答后送要讀的地址，然后才是啟動，之后是送片選地址，再送讀信號，等應(yīng)答之后才是地址上的數(shù)據(jù)。這與寫時序是不一樣的。
3.7.7 485和232通訊模塊
單片機通訊時需要轉(zhuǎn)換電平，這就要485和232電平驅(qū)動，在開發(fā)板中，我們用了MAX202E和MAX485芯片作為驅(qū)動，MAX202芯片可以實現(xiàn)短距離的通信，是屬于單端驅(qū)動方式，能將-15V~+15V 的電壓轉(zhuǎn)換為0~5V的電壓,速率能達到20K,輸出電流可達到500mA,實現(xiàn)了TTL—EIA電平的轉(zhuǎn)換,由于MAX202芯片是全雙工的,因此其使能引腳是全使能的,又由于MAX202芯片輸出是 5v的電壓,而430芯片是3V電壓,因此需要一個由RM3和RM4組成的分壓電路,由于受430內(nèi)阻和MAX202輸出電流的影響,當(dāng)RM3和RM4分別取2千歐和3千歐時分壓之后的電壓剛好能達到的電壓3V,因此取RM3和RM4為2千歐和3千歐。注:RS—232 電平規(guī)定為-3V— -15V為“1”，+3V—+15V為“0”。而RS—485電平屬于平衡電平，是通過兩路的比較決定正負的，RU4起連接兩路的作用，但由于是半雙工電路，因此需要使能端口，又由于 啟動電平為大于5V，因此需要加CM1和RC7的微分電路產(chǎn)生一個比較大的驅(qū)動使能信號，當(dāng)要使能時，P1.0口發(fā)出一個“1”電平，則CM1和RC7的微分使輸出到MAX485上的電平為一個尖峰信號，從而驅(qū)動。RM1，RM2的分壓電路和RM3，RM4的分壓原理一樣。MAX232和MAX485分別接到430的USART1和USART0上，實現(xiàn)了多機通信。在調(diào)試中，我們是將430和計算機的超級終端相連實現(xiàn)的測試，原理為：
圖3-6 通訊接口連接圖
圖3-7 調(diào)試程序流圖
調(diào)試結(jié)果可以看出發(fā)送的正確性,也可以看出用430可以達到的波特率的任意性,很靈活實用。但調(diào)試中的注意為:
1.發(fā)送的字符最好為熟悉是字符,否則可能認為不正確而實際是正確的,開始我們發(fā)送的是FFH字符,收到的是一個符號,我們還以為發(fā)錯了,而當(dāng)改為31H時,收到1才知道發(fā)送正確。
2.在超級終端需要將流量控制改為“無”。
3.只有當(dāng)波特率合適時才可能發(fā)生中斷請求。
4.由于接收控制寄存器中沒有時鐘源的選定,因此需要在發(fā)送控制寄存器中確定時鐘源。
3.8 MSP430F149單片機控制部分原理圖
見（附錄四）
4 控制部分介紹
4.1 直流電機的控制部分
4.1.1 恒壓恒流橋式2A驅(qū)動芯片L298N
L298N芯片腳圖：
圖4-1 L298N芯片腳圖
L298是SGS(通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司)公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機。其引腳排列如上圖中所示。
L298N的引腳9為LOGIC SUPPLY VOLTAGE Vss，即邏輯供應(yīng)電壓。引腳4為SUPPLYVOLTAGE Vs，即驅(qū)動部分輸入電壓。Vss電壓要求輸入最小電壓為4.5V，最大可達36V；Vs電壓最大值也是36V，但經(jīng)過我的實驗，Vs電壓應(yīng)該比Vss電壓高，否則有時會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。
它的引腳2，3，13，14為L298N芯片輸入到電動機的輸出端，其中引腳2和3能控制兩相電機，對于直流電動機，即可控制一個電動機。同理，引腳13和14也可控制一個直流電動機。引腳6和11腳為電動機的使能接線腳。引腳5，7，10，12為單片機輸入到L298N芯片的輸入引腳。下表是其使能、輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系如表4-1。
表4-1 輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系
EN A（B）
IN1（IN3）
IN2（IN4）
電機運行情況
H
H
L
正轉(zhuǎn)
H
L
H
反轉(zhuǎn)
H
同IN2（IN4）
同IN1（IN3）
快速停止
L
X
X
停止
控制使能引腳ENA或者ENB就可以實現(xiàn)PWM脈寬速度調(diào)整。
1腳和15腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號，也可以直接接地。在可設(shè)計中就將它們直接接地。
引腳8為芯片的接地引腳，它與L298N芯片的散熱片連接在一起。由于本芯片的工作電流比較大，發(fā)熱量也比較大，所以在本芯片的散熱片上又連接了一塊鋁合金，以增大它的散熱面積。
該芯片的一些參數(shù)如下：
1.邏輯部分輸入電壓：6～7V
2.驅(qū)動部分輸入電壓Vs：4.8～46V
3.邏輯部分工作電流Iss：≤36mA
4.驅(qū)動部分工作電流Io：≤2A
5.最大耗散功率：25W（T=75℃）
6.控制信號輸入電平：高電平：2.3V≤Vin≤Vss，低電平：-0.3V≤Vin≤1.5V
7.工作溫度：-25℃～＋130℃
8.驅(qū)動形式：雙路大功率H橋驅(qū)動
L298是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動電路?？梢苑奖愕尿?qū)動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接4．5～7 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為＋2．5V～46 V。輸出電流可達2．5 A，可驅(qū)動電感性負載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動2個電動機，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機，本實驗裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。
4.1.2 直流電機驅(qū)動電路原理
圖4-2直流電機驅(qū)動電路原理圖
由主控程序控制這幾個腳就可以達到控制電機正反轉(zhuǎn)的目的。
為了提高機器人的循線成功系數(shù)，我們采用了PWM進行機器人運轉(zhuǎn)速度控制，當(dāng)兩個傳感器感知到引導(dǎo)線條，點亮指示燈并準(zhǔn)備做出改變機器人行進方向的響應(yīng)時，靠程序的PWM控制降低電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)平滑的轉(zhuǎn)向過程。
PWM調(diào)速的基本原理和思想即使通過反復(fù)循環(huán)改變ON/OFF的時間分配。但機器人無法借助循環(huán)處理實現(xiàn)PWM，需要通過中斷處理方式實現(xiàn)。設(shè)計靠的是89S51的兩個定時器實現(xiàn)的，需要對定時器設(shè)定中斷周期，也就是PWM的頻率。請注意，PWM的頻率即時達到數(shù)十千赫茲也能滿足平滑控制的要求，當(dāng)產(chǎn)生一個很大的弊端，就是中斷次數(shù)過多，導(dǎo)致CPU大部分時間都在處理中斷，實時檢測和控制不能很快的響應(yīng)和處理。而且電機也存在一個變化速率匹配的問題，所以不妨通過不斷的嘗試，適當(dāng)?shù)馗淖兩鲜鲈O(shè)定值以便得到最佳的效果。
4.1.3 直流電機的PWM調(diào)速電路
1、 PWM控制芯片SG3525功能簡介
隨著電能變換技術(shù)的發(fā)展，功率MOSFET在開關(guān)變換器中開始廣泛使用，為此美國硅通用半導(dǎo)體公司（Silicon General）推出SG3525。SG3525是用于驅(qū)動N溝道功率MOSFET。其產(chǎn)品一推出就受到廣泛好評。SG3525系列PWM控制器分軍品、工業(yè)品、民品三個等級。下面我們對SG3525特點、引腳功能、電氣參數(shù)、工作原理以及典型應(yīng)用進行介紹。SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使
圖4-3 PWM信號輸出電路
輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。SG3525引腳功能及特點簡介其原理圖如圖下：
圖4-4 PWM控制芯片SG3525
1.Inv.input(引腳1)：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補償信號輸入端（引腳9）相連，可構(gòu)成跟隨器。
2.Noninv.input(引腳2)：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號。根據(jù)需要，在該端與補償信號輸入端（引腳9）之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型的調(diào)節(jié)器。
3.Sync(引腳3)：振蕩器外接同步信號輸入端。該端接外部同步脈沖信號可實現(xiàn)與外電路同步。
4.OSC.Output(引腳4)：振蕩器輸出端。
5.CT(引腳5)：振蕩器定時電容接入端。
6.RT（引腳6）：振蕩器定時電阻接入端。
圖4-5 SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
7.Discharge(引腳7)：振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻，構(gòu)成放電回路。
8.Soft-Start(引腳8)：軟啟動電容接入端。該端通常接一只5 的軟啟動電容。
9.Compensation(引腳9)：PWM比較器補償信號輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。
10.Shutdown(引腳10)：外部關(guān)斷信號輸入端。該端接高電平時控制器輸出被禁止。該端可與保護電路相連，以實現(xiàn)故障保護。
11.Output A（引腳11）：輸出端A。引腳11和引腳14是兩路互補輸出端。
12.Ground(引腳12)：信號地。
13.Vc(引腳13)：輸出級偏置電壓接入端。
14.Output B（引腳14）：輸出端B。引腳14和引腳11是兩路互補輸出端。
15.Vcc（引腳15）：偏置電源接入端。
16.Vref(引腳16)：基準(zhǔn)電源輸出端。該端可輸出一溫度穩(wěn)定性極好的基準(zhǔn)電壓。
特點如下：
（1）工作電壓范圍寬：8V—35V。
（2）5.1（1 1.0%）V微調(diào)基準(zhǔn)電源。
（3）振蕩器工作頻率范圍寬：100Hz—400KHz。
（4）具有振蕩器外部同步功能。
（5）死區(qū)時間可調(diào)。
（6）內(nèi)置軟啟動電路。
（7）具有輸入欠電壓鎖定功能。
（8）具有PWM瑣存功能，禁止多脈沖。
（9）逐個脈沖關(guān)斷。
（10）雙路輸出（灌電流/拉電流）： mA(峰值)。
SG3525的工作原理
SG3525內(nèi)置了5.1V精密基準(zhǔn)電源，微調(diào)至 1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時鐘信號同步，為設(shè)計提供了極大的靈活性。在CT引腳和Discharge引腳之間加入一個電阻就可以實現(xiàn)對死區(qū)時間的調(diào)節(jié)功能。由于SG3525內(nèi)部集成了軟啟動電路，因此只需要一個外接定時電容。SG3525的軟啟動接入端（引腳8）上通常接一個5 的軟啟動電容。上電過程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動電容接入端相連的PWM比較器反向輸入端處于低電平，PWM比較器輸出高電平。此時，PWM瑣存器的輸出也為高電平，該高電平通過兩個或非門加到輸出晶體管上，使之無法導(dǎo)通。只有軟啟動電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時，SG3525才開始工作。由于實際中，基準(zhǔn)電壓通常是接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負載的變化而升高時，誤差放大器的輸出將減小，這將導(dǎo)致PWM比較器輸出為正的時間變長，PWM瑣存器輸出高電平的時間也變長，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。外接關(guān)斷信號對輸出級和軟啟動電路都起作用。當(dāng)Shutdown（引腳10）上的信號為高電平時，PWM瑣存器將立即動作，禁止SG3525的輸出，同時，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進入軟啟動過程。注意，Shutdown引腳不能懸空，應(yīng)通過接地電阻可靠接地，以防止外部干擾信號耦合而影SG3525的正常工作。欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級和軟啟動電路。如果輸入電壓過低，在SG3525的輸出被關(guān)斷同時，軟啟動電容將開始放電。此外，SG3525還具有以下功能，即無論因為什么原因造成PWM脈沖中止，輸出都將被中止，直到下一個時鐘信號到來，PWM瑣存器才被復(fù)位。
4.1.4 控制直流電機程序設(shè)計流程
圖4-5控制直流電機程序設(shè)計流程
4.2 步進電機的控制部分
4.2.1 進電機的驅(qū)動電路原理
圖4-6 步進電機驅(qū)動電路原理
步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為反應(yīng)式步進電機（簡稱VR）、永磁式步進電機（簡稱PM）和混合式步進電機（簡稱HB）。
1.步進電機最大特點是：
(1)它是通過輸入脈沖信號來進行控制的。
(2)電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定。
(3)電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。
2．步進電機的驅(qū)動電路
根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。(或者其他信號源)
3．基本原理作用如下表：
表4-2兩相四拍工作模式時序表
步進電機
信號輸入
第一步
第二步
第三步
第四步
返回第一步
正轉(zhuǎn)
IN1
0
1
1
1
返回
IN2
1
0
1
1
返回
IN3
1
1
0
1
返回
IN4
1
1
1
0
返回
反轉(zhuǎn)
IN1
1
1
1
0
返回
IN2
1
1
0
1
返回
IN3
1
0
1
1
返回
IN4
0
1
1
1
返回
4．控制換相順序
(1)通電換相這一過程稱為脈沖分配。
例如：
(2)兩相四線步進電機的四拍工作方式，其各相通電順序為(A-B-A’－B’)依次循環(huán)。 (通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B相的通斷。)
5．兩相四線步進電機的四拍工作方式，其各相通電順序為:
(A－AB－B－BA’－A’－A’B’-B’－B’A)依次循環(huán)。(出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用八拍工作方式)
(1)控制步進電機的轉(zhuǎn)向
如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。如：正轉(zhuǎn)通電順序是：（A-B-A’－B’ 依次循環(huán)。）則反轉(zhuǎn)的通電順序是：（B‘-A’-B－A依次循環(huán)。）
(2)控制步進電機的速度
如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。（注意：如果脈沖頻率的速度大于了電機的反應(yīng)速度，那么步進電機將會出現(xiàn)失步現(xiàn)象）。
4.2.2 NE555脈沖產(chǎn)生器電路
圖4-7 NE555脈沖產(chǎn)生器電路
555定時器（又稱時基電路）是一個模擬與數(shù)字混合型的集成電路。按其工藝分雙極型和CMOS型兩類，其應(yīng)用非常廣泛。
555定時器的組成和功能
下圖是555定時器內(nèi)部組成框圖。它主要由兩個高精度電壓比較器A1、A2，一個RS觸發(fā)器，一個放電三極管和三個5KΩ電阻的分壓器而構(gòu)成。
555定時器組成框圖
它的各個引腳功能如下：
1腳：外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。
8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5 ~ 16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 ~ 18V，一般用5V。
3腳：輸出端Vo。
2腳：低觸發(fā)端。
6腳：TH高觸發(fā)端
圖4-8 555定時器組成框圖
4腳：是直接清零端。當(dāng)端接低電平，則時基電路不工作，此時不論、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應(yīng)接高電平。
5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時，應(yīng)將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干擾。
7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。
在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個比較器A1、A2基準(zhǔn)電壓分別為1/3VCC,2/3VCC的情況下，555時基電路的功能表如表4—3所示。
表4-3 555定時器的功能表
清零端
高觸發(fā)端TH
低觸發(fā)端
Qn+1
放電管T
0
0
導(dǎo)通
1
0
導(dǎo)通
1
1
截止
1
Qn
不變
555定時器的應(yīng)用
1.構(gòu)成多諧振蕩器
用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器的電路和工作波形如圖4-9所示
圖4-9 多諧振蕩器的電路和工作波形
2.多諧振蕩器電路和工作波形
接通電源后，假定Vo截止，電容C充電。充電回路是VCC—R1—R2—C—地，Vo按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)Vc到2/3VCC端電平大于2/3VCC），輸出Vo翻轉(zhuǎn)為低電平。Vo是低電平，T導(dǎo)通，C放電，放電回路為C—R2—T—地，Vc按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)Vc下降到1/3VCC平小于1/3VCC轉(zhuǎn)為高電平，放電管T截止，電容再次充電，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩，經(jīng)分析可得：
輸出高電平時間
輸出低電平時間
振蕩周期
輸出方波的占空比
4.2.3 控制步進電機的程序設(shè)計流程
圖4-10控制步進電機程序設(shè)計流程
4.3 繼電器控制部分
4.3.1 繼電器控制部分電路原理
圖4-11繼電器控制部分電路原理圖
電路原理
此電路是四路繼電器控制原理圖，繼電器由光耦直接驅(qū)動，繼電器可控制直流24V交流110V電流10你內(nèi)的負載。當(dāng)單片機輸出低電平信號時，光耦及發(fā)光二極管正向?qū)ǎl(fā)光二極管亮，做信號輸出指示，光耦3、4兩管腳，導(dǎo)通，驅(qū)動繼電器線圈吸合，帶動繼電器觸點，常開點閉合，常閉點斷開。圖中整流二極管的作用是需流保護，主要是保護繼電器線圈。反正，當(dāng)單片機輸出高電平信號是光耦及其發(fā)光二極管截止，光耦3、4管腳截止，從而繼電器線圈不得電，而保持常態(tài)。
天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)2010屆本科生畢業(yè)設(shè)計
5 VB軟件設(shè)計
5.1 VB6.0軟件的介紹
Visual basic 是在Basic語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此它有Basic語言簡單而又不貧乏的優(yōu)點。
1.Basic語言的發(fā)展歷史
Basic相對于其他的計算機編程語言來說，可以成為古老的編程語言了。它最初由美國計算機科學(xué)家John kemeny和Thomas Kurtz設(shè)計，誕生于1964年，迄今為止經(jīng)歷了40多年。其間經(jīng)歷了GW-Basic、True Basic、Turbo Basic、Quick Basic C等很多版本。隨著Windows 的流行，微軟的工程師們著眼于未來在改進Quick Basic的基礎(chǔ)上開發(fā)了Visual Basic的第一個版本。其后，Visual Basic 一發(fā)不可收拾，被世界各地的許多程序員所愛。微軟在1991年推出Visual Basic 1.0以后，于1992年、1993年、1995年、1997年、1998年接連發(fā)布了Visual Basic 2.0 、3.0、 4.0、5.0、6.0版本。
2.Visual Basic的特點
Visual Basic是一種可視化的、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動方式的結(jié)構(gòu)化高級程序設(shè)計語言，可用于開發(fā)Windows環(huán)境下的各類應(yīng)用程序。
(1)可視化編程
與傳統(tǒng)程序化設(shè)計語言相比，Visual Basic提供了可視化設(shè)計工具，程序員再也不用為編寫大量的界面代碼而犯愁，取而代之的是只需要按屏幕布局的設(shè)計要求，用系統(tǒng)提供的工具，在屏幕上面畫出各種圖形對象，并設(shè)置這些圖形對象的屬性之后，Visual Basic會自動產(chǎn)生界面代碼，從而大大提高程序設(shè)計的效果。
(2)面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計
Visual Basic 4.0 以后的版本都支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計，但它與一般的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言，入C++又完全不一樣。在設(shè)計對象時，不必編寫建立和描述每個對象的程序代碼，而是用工具把它們畫在界面上，由Visual Basic自動生成對象的程序代碼并封裝起來。每個對象以圖形方式顯示在界面上，都是可視的。
(3)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言
Visual Basic由于是在Quick Basic的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，所以具有高級程序設(shè)計語言的語句結(jié)構(gòu)，接近于自然語言和人類的邏輯思維方式，其語言簡單易懂。
收藏