基于MSP430单片机的壁挂式空调风门运动控制系统设计本科毕业设计论文.docx

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基于MSP430单片机的壁挂式空调风门运动控制系统设计本科毕业设计论文

摘要

步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高，体积小，控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用。

本系统的主要工作是应用低功耗MSP430单片机控制步进电机的旋转方向和启停，以实现壁挂式空调风门出风风向的控制。

通过分析步进电机的工作原理:

电脉冲数决定电机的转动圈数；电脉冲的频率决定电机转动的速度。

利用MSP430单片机的四个普通I/O口对步进电机的通电顺序及通电时间进行编程控制，以实现电机的转速和转向调整。

本系统由硬件电路设计和软件编程两部分组成。

此项设计看似简单，但有机的将步进电机和430单片机的相关知识结合了起来，同时将微机原理和电机学等课程从理论学习上升为实践，因此具有很强的现实意义。

此项设计研究将应用于壁挂式空调风门运动的调整，合理地调整将方便于人们的生活，满足人们的各种需求。

关键词：

msp430单片机；步进电机；空调

Abstract

Steppermotorisamechanicalandelectricalactuators,iscommonlyusedindigitalcontrolsystembecauseofitshighprecision,smallvolume,convenientcontrolandflexible,sotheintelligentinstrumentsandhasbeenwidelyusedinpositioncontrol.

ThemainworkofthissystemistheapplicationoflowpowerconsumptionMSP430singlechipmicrocomputertocontrolsteppingmotordirectionofrotationandrev.Stop,soastorealizethecontrolofwall-mountedair-conditionerairdooroutofthewinddirection.Byanalyzingtheworkingprincipleofsteppermotor,electricalimpulsestothemotorrotationlaps;Thefrequencyoftheelectricalmotorrotationalspeed.UsingMSP430singlechipmicrocomputeroffourcommonI/Oportfortheelectricityorderofsteppermotorandthepolarizationtimeprogrammingcontrol,inordertorealizethespeedofthemotorandsteeringadjustments.Thissystemconsistsoftwoparts,hardwarecircuitdesignandsoftwareprogramming.

Thedesignlooksbelikesimple,butorganicwillstepmotorand430singlechipmicrocomputerisacombinationofrelevantknowledge,atthesametime,themicrocomputerprincipleandmotorlearningcoursefromtheoreticalstudytopractice,thushasastrongpracticalsignificance.Willapplytothedesignstudywall-mountedair-conditionerairdoormovementadjustment,reasonableadjustmentwillbeconvenienttothelifeofpeople,meetpeople'svariousneeds.

Keywords:

MSP430MicroChip；Steppermotor；air-conditioner

第一章绪论

1.1课题研究的目的和意义

现今社会，电动机在工业农业生产、人们的日常生活中起着十分重要的作用。

步进电机是目前最常见的一种控制电机，因此在各个领域中得到广泛应用。

步进电机作为执行元件，成为机电一体化的关键产品之一,大量应用在各种自动化控制系统中。

随着微电子和计算机技术行业的发展，对步进电机的需求与日俱增，在各个国民经济领域都有广泛应用。

步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。

当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按照设定的方向旋转一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转按照固定的角度一步一步运行。

我们可以通过控制脉冲个数来控制旋转角位移量，从而达到准确定位的目的；同时我们可以通过控制脉冲频率来控制步进电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

此电机可以作为一种控制用的特种电机，其特点是结构简单、运行可靠、控制方便。

特别是步距值不受电压、温度的变化而变化、误差不会长期积累等特点，给实际的应用带来了巨大的方便。

它大量用于消费类产品（打印机、照相机、雕刻机）、工业控制（数控机床、工业机器人）、医疗器械等机电产品中。

对步进电机的控制和测量方法的研究，对提高控制精度和响应速度、节约能源都具有重要意义。

整个控制的核心采用MSP430单片机，它以其独特的低耗能，强大的中断控制，特别是其易编程也是不可多得的优点。

为此，本文设计了一个单片机控制步进电机的控制系统，从而可以实现对步进电机转动速度和转动方向的高效控制。

1.2国内外发展状况

我国步进电机的研究及设计制造起开始于本世界50年代后期，从50年代后到60年代后，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而应用或研发少量产品。

我国在文化大革命时期开始大量生产和使用步进电机，比如江苏、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生产，而且都在各行各业使用，其中的驱动电路和所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。

中等耐压的大功率半导体器件等也完全实现国产化。

70年代初期，步进电机的生产和研制都有重大突破，除反映在驱动器设计方面的巨大进步以外，对反应式步进电机本体的设计研究开发等已经到了一个较高的水平。

70年代中期至80年代中期为成品开发阶段，新品种高性能的电动机不断被开发。

到80年代中期以来，由于步进电机精确模型做了大量研究工作，因此各种混合式步进电机及驱动器作为产品得到广泛利用。

国外在大功率的工业设备驱动上，目前已经基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩来比较，较为不划算，还是用直流电机和电动机编码器整体技术和经济指标高。

一些少数高级的应用，就使用空心转杯电机，交流电机。

国外在小功率的地方，还是使用步进电机，比如一些工业器材，工业生产设备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。

国内过去是用大力矩步进电机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。

1.3本课题设计的主要任务

本设计是采用MSP430G2553单片机对步进电机的控制，通过I/O口输出的时序方波作为步进电机的输入控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机；同时，用2个按键来对电机的状态进行控制,系统由硬件电路设计和软件程序编程两部分组成。

其中，硬件设计包括MSP430G2553单片机的电源模块、键盘控制模块、步进电机驱动（集成达林顿ULN2003）模块、等3个功能模块的设计，以及各模块的有机结合而实现。

软件设计包括键盘控制、步进电机脉冲的控制程序，最终要实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，软件采用在CCS软件环境下编辑的C语言。

本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。

第二章步进电机及其工作原理的介绍

步进电机由于其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。

尤其是步距值不受电压、温度等的变化的影响、误差不会长期积累的特点，给实际的应用带来了很大的方便，因此我在这次设计中选用工作方式为四相八拍的永磁式步进电机，下面对它进行详细地介绍。

2.1步进电机概述

2.1.1步进电机的基本介绍

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。

单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，再经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组中。

每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生改变，转子会转过一定的角（称为步距角）。

一般情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数量成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转动速度与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不被电压波动和负载变化而影响。

因为步进电动机能直接接收数字量的输入，因此特别适合于微机控制。

2.1.2步进电机的主要分类

步进电机在构造上有三种主要类型：

反应式、永磁式和混合式。

反应式：

定子上有绕组、转子由软磁材料组成。

结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

永磁式：

永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。

其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角（一般为7.5°或15°）。

混合式：

混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。

其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。

最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。

该种电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007°/微步）。

由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。

同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。

2.2步进电机的工作原理

步进电机的工作就是步进转动，它的功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个电脉冲信号，电动机转动一个角度或者前进一步。

步进电机的角位移量与脉冲个数成正比，它的转速与脉冲频率成正比，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个数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个电脉冲信号，电机则转过一个步距角。

图2-1为四相步进电机工作原理图。

图2-1四相步进电机工作原理图

开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子和0、3号齿对齐，同时转子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、SC、SD断开时