MSP430及传感器应用设计报告Word下载.docx

MSP430及传感器应用设计报告Word下载.docx

《MSP430及传感器应用设计报告Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MSP430及传感器应用设计报告Word下载.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

6.2步进电机特点……………………………………………………12

6.3步进电机基本参数……………………………………………………13

6.3.1空载启动频率……………………………………………………14

6.3.2电机的相数……………………………………………………14

6.3.3固有步距角……………………………………………………15

6.3.4保持转矩……………………………………………………16

6.3.5拍数……………………………………………………16

6.3.6定位转矩……………………………………………………16

6.3.7最大静转矩……………………………………………………17

6.4工作原理……………………………………………………18

7.角度传感器……………………………………………………20

7.1ADXL345连接方式……………………………………………………21

7.2I2C总线介绍……………………………………………………21

7.3SPI总线介绍……………………………………………………22

7.4I2C与SPI的区别……………………………………………………23

8.超声波传感器……………………………………………………23

8.1主要参数……………………………………………………24

8.2实物图……………………………………………………24

8.3工作原理……………………………………………………25

8.4超声波传感器测距程序设计……………………………………………………25

9.L298模块及直流电机驱动……………………………………………………26

9.1L298n电路原理图……………………………………………………26

9.2电路优化部分……………………………………………………26

9.3直流电机驱动……………………………………………………27

五．设计总结…………………………………………………………………27

前言

MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（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指令。

这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。

它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-ΔADC、DMA、I/O端口、基本定时器（BasicTimer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。

其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；

模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；

16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；

有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；

具有较多的I/O端口，P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；

10/12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；

能直接驱动液晶多达160段；

实现两路的12位D/A转换；

硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；

以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。

MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

传感器（英文名称：

transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

一．设计任务

单片机最小系统自制及各种传感器模块的调试

二．设计内容

⑴制作MSP430单片机最小系统

⑵光敏二极管模块电路及其调试

⑶红外避障模块电力路及其调试

⑷TCRT5000寻迹模块电路及其调试

⑸热敏传感器模块电路及其调试

⑹声音检测模块电路及其调试

⑺火焰传感器模块及其调试

⑻步进电机模块及其调试

⑼L298N模块及直流电机驱动电路及其调试

三.MSP430最小系统制作

1.1.1MSP430最小系统设计框图

图1.1.1MSP430最小系统设计框图

1.1.2MSP430最小系统设计原理图

图1.1.2MSP430最小系统设计原理图

1.1.3原件清单

晶振2个

电阻10K7个

电阻2K1个

电位器10K1个

电容22pF4个

排针2排

按键6个

开关1个

LCD接口1排

发光二极管1个

MSP430芯片1个

1.1.4MSP430最小系统设计PCB

图1.1.4MSP430最小系统设计PCB

1.2LCD12864液晶显示

1.2.1、液晶显示模块简介

12864A-1汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16

点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。

主要技术参数和显示特性:

电源：

VDD3.3V~+5V（内置升压电路，无需负压）；

显示内容：

128列×

64行

显示颜色：

黄绿

显示角度：

6：

00钟直视

LCD类型：

STN

与MCU接口：

8位或4位并行/3位串行

配置LED背光

多种软件功能：

光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等

1.2.2液晶引脚图

四．传感器模块电路

1.光敏二极管

1.1光敏二极管简介

光敏二极管也叫光电二极管。

光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。

无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。

当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。

当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。

这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。

因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。

常见的有2CU、2DU等系列。

1.2光敏二极管检测

测量光敏二极管时，先用黑纸或黑布遮住光敏二极管的光信号接收窗口，然后用万用表的R×

1k档其正、反向电阻。

正常时，正向电阻值在10~20kΩ之间，反向电阻值为∞（无穷大）。

再去掉黑纸或黑布，使其光信号接收窗口对准光源，正常时正、反向电阻值均会变小，阻值变化越大，说明该光敏二极管的灵敏度越高，光敏二极管工作时加有反向电压，没有光照时，其反向电阻很大，只有很微弱的反向饱和电流。

当有光照时，就会产生很大的反向电流（亮电流），光照越强，该亮电流就越大。

2.红外避障模块

2.1红外避障模块简介

该传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号），可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围2～80cm，工作电压为3.3V-5V。

该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、避障小车、流水线计数及黑白线循迹等众多场合。

2.2模块接口说明（3线制）

⑴、VCC外接3.3V-5V电压（可以直接与5v单片机和3.3v单片机相连）

⑵、GND外接GND

⑶、OUT小板数字量输出接口（0和1）

3.TCRT5000寻迹模块

3.1循迹模块简介

TCRT5000光电传感器模块是基于TCRT5000红外光电传感器设计的一款红外反射式光电开关。

传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，输出信号经施密特电路整形，稳定可靠。

3.2应用场合：

⑴电度表脉冲数据采样

⑵传真机碎纸机纸张检测

⑶障碍检测

⑷黑白线检测

3.3模块原理和应用

图2.3.3TCRT5000传感器模块电路原理图

传感器的红外发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时，光敏三极管一直处于关断状态，此时模块的输出端为低电平，指示二极管一直处于熄灭状态；

被检测物体出现在检测范围内时，红外线被反射回来且强度足够大，光敏三极管饱和，此时模块的输出端为高电平，指示二极管被点亮。

4.热敏传感器

4.1热敏传感器简介

N结电阻在不同温度下有差别的.根据这个阻值的变化就可以测量环境温度的变化.

N型半导体在硅或锗等本征半导体材料中掺入微量的磷、锑、砷等五价元素，就变成了以电子导电为主的半导体，即N型半导体。

P型半导体在硅或锗等本征半导体材料中掺入微量的硼、铟、镓或铝等三价元素，就就成了以空穴导电为主的半导体，即P型半导体。

紧密相连的P型半导体和N型半导体之间会形成一个空间电荷区称PN结。

PN结具有单向导电性,二极管就是利用PN结的这个特性做成的。

PN结的结电阻结电容等参数都是随温度变化的，可以利用这种变化制作温度传感器，即热敏传感器。

4.2

5.声音检测模块

5.1声音传感器的工作原理

传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒。

声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电

容的变化，而产生与之对应变化的微小电压。

这一电压随后被转化成0-5V的电压，经过A/D

转换被数据采集器接受，并传送给计算机。

声音传感器的作用相当于一个话筒（麦克风）。

它用来接收声波，显示声音的振动图象。

但

不能对噪声的强度进行测量。

5.2声音检测框图

6.步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；

同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

6.1步进电机的简介

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

通俗一点讲：

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。

我们可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；

同时我们也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。

使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动机。

6.2步进电机的特点

1.一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。

2.步进电机外表不允许较高的温度，步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；

一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

3.步进电机的力矩会随转速的升高而下降，当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；

频率越高，反向电动势越大。

在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4.步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。

5.由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。

同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。

6.步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。

7.速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。

8.步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。

9.步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的

措施。

10.步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。

伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

6.3步进电机的基本参数

6.3.1.空载启动频率

即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。

在有负载的情况下，启动频率更低。

如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

6.3.2.电机的相数

产生不同对N、S极磁场的激磁线圈对数,即电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。

电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°

/1.8°

、三相的为0.75°

/1.5°

、五相的为0.36°

/0.72°

。

在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。

如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

目前应用最广泛的是两相和四相，四相电机一般用作两相，五相的成本较高。

6.3.3.固有步距角

对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。

θ=360度/（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。

四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

这个步距角称为电机固有步距角，电机出厂时给出了一个步距角的值,它不一定是电机实际工作时的真正步距角，,真正的步距角和驱动器有关。

现在的步进电机都有细分的驱动器，细分数决定步距角,例如两相的步进电机驱动器为5细分步距角为1.8°

/5=0.36°

6.3.4.保持转矩

是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。

由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。

比如，当人们说5N.M的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为5N.m的步进电机。

6.3.5.拍数

完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.

6.3.6.定位转矩

电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的），由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有定位转矩。

6.3.7.最大静转矩

电机在额定静态电作用下（通电），电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩，即定子锁住转子的力矩。

此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。

比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

6.4工作原理

图2.1四相步进电机示意图

如图2.1所示，步进电机分为转子和定子两部分：

定子：

由硅钢片叠成的，定子上有8大磁极，每2个相对的磁极（Ｎ，S）组成一对，共有4对。

定子齿有四个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。

2.转子：

由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿,与定子上的小齿相同，并且小齿的大小相同，间距相同。

如图2.1所示，开始时，开关sb接通电源，sa、sc、sd断开，b相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和c、d相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和d、a相绕组磁极产生错齿。

当开关sc接通电源，sb、sa、sd断开时，由于c相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和c相绕组的磁极对齐。

而0、3号齿和a、b相绕组产生错齿，2、5号齿就和a、d相绕组磁极产生错齿。

依次类推，a、b、c、d四相绕组轮流供电，则转子会沿着a、b、c、d方向转动。

四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。

单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。

八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.2.a、b、c所示：

a.单四拍b.双四拍c八拍

图2.2步进电机工作时序波形图

3.5

对齿和错齿

图2.3步进电机转子展开图

反应式步进电机的动力来源于电磁力，只有电机存在错齿现象才能转动。

在电磁力的作用下，转子被推动到最大磁导率的位置，定子小齿与转子小齿对齐的位置，并处于平衡状态，如图2.3中的A相位置，这种现象被称为对齿。

而对于三相步进电机来说，当某一相得磁极处于最大磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位置，即定子和转子不对齐位置，这种现象被称为错齿。

7.角度传感器

7.1ADXL345连接方式

图7.1.1SPI模式连接图7.1.2I2C模式连接

7.2I2C总线介绍

7.2.1I2C总线特点

I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。

由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。

总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。

I2C总线的另一个优点是，它支持多主控（multimastering），其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。

一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。

当然，在任何时间点上只能有一个主控。

7.2.2I2C总线工作原理

I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。

在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。

各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。

CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；

控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。

这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。

I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：

开始信号、结束信号和应答信号。

开始信号：

SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

结束信号：

SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

应答信号：

接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。

CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。

若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。

目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C接口。

带有I2C接口的单片机有：

CYGNAL的C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。

很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供I2C接口。

3总线基本操作

I2C规程运用主/从双向通讯。

器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。