多功能工业控制平台的设计毕业设计论文.docx
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多功能工业控制平台的设计毕业设计论文
湖南机电职业技术学院
毕业设计说明书
课题名称
院、系
学生姓名
专业
班级
指导老师
评阅老师
年月日
毕业设计任务书
题目:
多功能工业控制平台的设计
任务与要求:
将低功耗单片机和VB7.0软件结合起来，设计一套多功能工业控制平台，主要涉及低功耗单片机的使用及VB7.0软件的上位机显示、步进电机控制、直流电机控制、传感器控、信息采集等。
为使操作者操作方便，在PC机上用VB7.0软件设计一套安装程序，该软件的安装平台是XP系统，它主要作用是显示，工业控制平台的一些数据信息。
主要包括以下方面：
1．传感器工作状态
2．电机工作状态
3．继电器工作状态
4．电机转速
5．电机方向
6．数据记录
7．数据采集分析
下位机的核心控制芯片采用MSP430系列低功耗单片机中的MSP430F149，主要是用MSP430单片机与上位机通信，控制步进电机、直流电机、继电器等工业设备。
设计任务:
本设计任务的来源于工程实践中，主要是利用工业控制与上位机软件结合控制多元化、低功耗、智能化、网络化、集成化的优点，实现一种多功能工业控制平台的设计。
要求:
1.电源电压+12V，+5V，+3.3V
2.直流电机控制主要芯片LMD18200
3.步进电机控制主要芯片L297和L298
4.继电器HUIKE-DC12-SHG
5.传感器是JX-359-043红外线反射式传感器
6.计数采用激光对射传感器
7.串口通信波特率9600
8.电脑XP系统
毕业设计进度计划表
时间
内容
执行情况
指导教师签字
9月15日—9月30日
初拟设计题目，提交毕业设计任务书纸质和电子文稿，确定指导教师，填写任务书及进度计划表，撰写开题报告。
完成
10月1日—10月31日
查阅资料，按学院毕业设计工作规范要求认真撰写毕业设计及毕业设计说明书，并准时上交毕业设计给知道老师进行检阅。
完成
11月1日—11月6日
上报本次毕业设计所有答辩资料，参与论文答辩工作。
完成
11月6日—11月7日
提交毕业设计的电子稿并上传空间，以及设计文档的装订稿（一式三份），并将毕业设计所有材料需整理规范，归档。
完成
指导教师对进度计划实施情况总评
签名:
年月日
摘要
在未来，工业控制软件将继续向标准化、网络化、智能化和开放性发展方向。
单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
而现代工业控制与上位机软件控制、多元化、低功耗、智能化、网络化、集成化是现代工业的发展趋势。
绪论
20世纪80年代初期诞生至今，工业控制软件已有20年的发展历史。
工业控制与上位机软件相结合，是随着PC机的兴起而不断发展的。
工业控制与上位机软件控制、多元化、低功耗、智能化、网络化、集成化是现代工业的发展趋势。
目前，我国已开发出一批具有自主知识产权的实时监控软件平台、先进控制软件、过程优化控制软件等成套应用软件，工程化、产品化有了一定突破，打破了国外同类应用软件的垄断格局。
通过在化工、石化、造纸等行业的数百个企业（装置）中应用，促进了企业的技术改造，提高了生产过程控制水平和产品质量，为企业创造了明显的经济效益。
2000年“九五”国家科技攻关计划项目“大型骨干石化生产系统控制及计算机应用技术”通过了验收。
作为工控软件的一个重要组成部分，国内人机界面组态软件研制方面近几年取得了较大进展，软件和硬件相结合，为企业测、控、管一体化提供了比较完整的解决方案。
在此基础上，工业控制软件将从人机界面和基本策略组态向先进控制方向发展。
由于先进控制和优化软件可以创造巨大的经济效益，因此这些软件也身价倍增。
在世界范围内形成了一个强大的流程工业应用软件产业。
因此，开发我国具有自主知识产权的先进控制和优化软件，打破外国产品的垄断，替代进口，具有十分重要的意义。
在未来，工业控制软件将继续向标准化、网络化、智能化和开放性发展方向。
第一章系统设计
1.1设计要求
1.步进电机的正反转，加减速控制
2.直流电机的正反转，加减速控制
3.继电器的闭合与断开控制
4.传感器的输入检测
5.上位机进行数据采集与显示
6.电脑控制电路
7.常用的工业控制演示
1.2 开发设计思路
根据工业控制的现状和电控技术，智能控制技术，基于单片机控制的试验技术，设计完成简单的工业控制电路。
系统硬件平台搭建本着为性能可靠，工作稳定，功能强大的总体设计原则，采用高性能低功耗的MPS430单片机为核心。
由传感器、驱动器、继电器等常用工业控制设备作为主体。
然后，应用VB程序设计完成数据采集分析，同时使用VB程序自带串口设计控件，完成向单片机串口发送指令的设计。
并应用C语言程序设计写出单片机控制程序，实现单片机对步进电机、直流电机的加减速、状态显示、电路继电器开路与断路的控制。
最后，模拟工业控制的方式进行调试和演示。
1.3 系统方框图
第二章单片机
2.1单片机的简介
单片机是一种集成电路芯片，它采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器（CPU）、存储器（含程序存储器ROM和数据存储器RAM）、输入、输出接口电路（I/O接口）集成在同一块芯片上，构成一个既小巧有很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。
所以说，一片单片机芯片就具有了组成计算机的全部功能。
由此看来，单片机有着一般微处理器（CPU）芯片所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。
然而单片机油不同于单板机（一种将微处理器芯片、存储芯片、输入输出接口芯片安装在同一块印制电路板上的微型计算机），单片机芯片在没有开发前，他只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果对它进行应用开发，它便是一个小型的微型计算机控制系统，但它与单板机或个人电脑（PC机）有着本质的区别。
单片机的应用属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其他集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。
不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。
这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要我们从生产厂商的技术手册中得到。
软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。
开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件及硬件资源。
要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。
单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，列如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制盒专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。
2.2单片机的发展概述
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机也被称微微控制器（Microcontroller），由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统集成于同一硅片的器件。
单片机用于控制有利于实现系统控制的最小化和单片化，简化一些专用接口电路，如编程计数器、锁相环（PLL）、模拟开关、A/D和D/A变换器、电压比较器等组成的专用控制处理功能的单板式微系统。
单片机是所有微处理机中性价比最高的一种，随着种类的不断全面，功能不断完善，其应用领域也迅速扩大。
单片机在智能仪表、实时控制、机电一体化、办公机械、家用电器等方面都有相当的应用领域。
当前，8位单片机主要用于工业控制，如温度、压力、流量、计量和机械加工的测量和控制场合；高效能的16位单片机（如MCS-96、MK-68200）可用在更复杂的计算机网络。
可以说，微机测控技术的应用已渗透到国民经济的各个部门，微机测控技术的应用是产品提高档次和推陈出新的有效途径。
纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：
1．低功耗CMOS化
MCS-51系列的80C51推出时的功耗达120mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。
CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。
所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
2．微型单片化
常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。
甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。
3．主流与多品种共存
单片机的园地里，单片机品种溢彩纷呈，争奇斗艳。
有8位、16位甚至是32位机，但8位单片机仍以他的价格低廉、品种齐全、应用软件丰富、支持环境充分、开发方便等特点而占着主导地位。
而INTEL公司凭着其雄厚的技术、性能优越的机型和良好的基础，目前仍是单片机的主流产品。
2.3MSP430F149简介
MSP430F149核心芯片
MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。
称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。
MSP430 单片机目前主要以 FLASH 型为主。
1.适应工业级运行环境 MSP430 系列器件均为工业级的，运行环境温度为 -40~+ 85 摄氏度 ，所设计的产品适合用于工业环境下。
2.同其它微控制器相比 MSP430系列可以大大延长电池的使用寿命。
3.6us的启动时间可以使启动更加迅速。
4.ESD保护，抗干扰力强。
5.低电压供电。
6.多达64KB寻址空间，包含 ROM、RAM 闪存 RAM和外围模块。
将来计划扩大至 1MB。
7.通过堆栈处理，中断和子程序调用层次无限制。
8.仅3种子令格式，全部为正交结构。
9.尽可能做到1字/指令。
10.源操作数有7种寻址模式，目的操作数有 4种寻址模式。
11.外部中断引脚：
I/O口具有中断能力。
12.中断优先级：
对同时发生的中断按优先级别处理。
13.嵌套中断结构：
可以在中断服务过程中再次响应其它中断。
14.外围模块地址为存储器分配：
全部寄存器不占用 RAM空间，均在模块内。
定时器中断可用于事件计数、时序发生、PWM等。
15.看门狗功能。
16.A/D转换器（10位或更高精度）。
17.正交指令简化了程序的开发：
所有指令可以用任意寻址模式。
18.已开发了C-编译器。
19.模块设计思想：
所有模块采用存储器分配。
20.MSP430 全部为工业级 16 位 RISC MCU。
MSP430F149单片机具有可靠性高、功耗低、扩展灵活、体积小、价格低和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表、专用设备智能化管理及过程控制等领域，有效地提高了控制质量与经济效益。
本设计选用TI公司的16位超低功耗混合型微处理器MSP430F149（见图3）作为核心控制器，它的主要特点是：
（1）低电压、超低功耗
该单片机的电源电压采用1.8V~3.6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅0.1μA，在2.2V、1MHz主频的活动模式时工作电流为280μA，I/O输入端口的漏电流最大仅50nA。
（2）强大的处理能力
该单片机为16位的精简指令集（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方法及较高的处理速度，一个时钟周期可以执行一条指令，使单片机在8MHz晶振工作时，指令速度可达8MIPS。
（3）丰富的片上外围模块
该单片机集成了较丰富的片内外设：
模拟比较器A、定时器A、定时器B、串行通信接口USART0和USART1、硬件乘法器、12位ADC、端口1~6、看门狗等。
（4）系统工作稳定
该单片机在上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，保证程序从正确的位置开始执行，同时也保证了晶体振荡器有足够的起振和稳定时间;之后通过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。
在CPU运行中，如果MCLK发生故障，DCO会自动启动，以确保系统正常工作。
如果程序跑飞，可以用看门狗将其复位。
（5）方便高效的开发环境
MSP430F149片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先通过JTAG接口下载程序到FLASH内，再由JTAG接口控制程序运行、读取片内CPU状态，以及存储器内容等信息供设计者调试。
由于单片机可支持串行在线编程，使开发变得更加简便，并且开发的仿真器价格低廉，不需要昂贵的编程器。
2.4MSP430F149单片机的功能介绍
2.4.1MSP430F149输入输出口
MSP430F149有6个8位的P口，其中P1、P2口占两个中断向量，共可以接16个中断源，还可以直接利用P口的输入输出寄存器，直接对外进行通信。
因为所有的P口都是和其他外设复用的，因此在用端口之前都要用功能选择寄存器选定所用的功能是外设还是P口，选定之后还要在方向寄存器中确定是是输出还是输入，我实验了一个程序，前部分是实现中断功能的程序，后部分为中断程序是实现直接用P口对外提供一个短脉冲的程序，在我们设计的开发板中，专门利用了P口的输入输出功能对外存24WCXX和实时时钟芯片8563的数据通过的存取I2C总线的读取和写入。
还利用了P口向电池充电的开启电路。
2.4.2时钟模块
MSP430F149的时钟可以自由选择,它包括一个内部DCO时钟和另外两个外部时钟,内部时钟的参数见参考资料,其中最高可达到1042KHZ;外部可以接两个时钟,一个可接钟表晶振或标准晶振,另一个接最高时钟频率为8MHZ的晶振,8M是单片机的最高工作频率,对于晶振的选择,在参考资料一上介绍的很清楚,在此不在重复,对基础时钟的控制,只需要对相应的控制寄存器写入相应的控制位就可以产生需要的时钟,还可以从相应的端口测的时钟频率,我们做了一个实验,是控制内部时钟的,可以从149的端口上测的相应的频率,只要开启时钟频率之后,时钟就继续存在到写入停止为止。
2.4.3定时器及数模转换
MSP430中有两个16位定时器，还可以利用看门狗定时器。
由于定时器的是16位的，则可以在秒数量级上定时，且具有2个中断向量，便于处理各种定时中断。
定时器的应用在F149中具有举足轻重的作用，可以利用MSP430F149中的定时器的比较模式产生PWM（数字脉冲调制）波形，再经过低通滤波器产生任意函数的波形，也就是说，可以通过定时器的比较模式实现数模转换功能。
另外，定时器还具有捕获模式，我们可以通过定时器的捕获功能实现各种测量，比如脉冲宽度测量，如果和比较器结合，还可以测量电阻、电容、电压、电流、温度等，可以这样说，只要能通过传感转换为时间长度的，都可以通过定时器的捕获定时功能实现值的测量。
在开发板中，利用定时器，我们设计了一个PWM滤波输出的函数发生器。
另外，我们还利用定时器的捕获功能和比较器的比较功能测电阻和电容。
比较器测电阻的实验程序和时序：
程序和设计流图为 如下图；
定时器及数模转换
2.4.4USART通信模块
用串行同步异步通信模块是为了使MSP430F149多机通信用的,通过USART口连接RS202和RS485的驱动芯片可以实现单片机与计算机及其他的工作电平的匹配串行通信,由MSP430F149具有两个通信口,因此可以分别用于RS202和RS485的串行通信。
MSP430有同步和异步两种方式,每一种方式都有独立的帧格式和控制寄存器,只需要按照需要和帧格式写入相应的寄存器就可以实现多机通信。
由于MSP430的波特率产生比较自由,因此异步通信模式用的比较多,在毕业设计中,我们只实验了异步通信模式,在异步通信模式中,MSP430的波特率的产生有很独特的方式,可以实现多种波特率的产生,可以克服其他单片机的波特率受限的缺点。
另外,在异步模式中,又根据需要分为线路空闲多机模式和地址位多机模式,如果只是两机通信,线路空闲比较多,用线路空闲多机模式比较好,在开发板中有一个测试程序是实现通过RS202与计算机超级终端串行口相连的测试程序,在此,不用多说,由于MSP430的波特率发生器比较特别,在此,我们着重讨论一下波特率发生器。
波特率发生器是用波特率选择寄存器和调整控制寄存器来产生串行数据位定时. 波特率=BRCLK/（UBR+（M7+M6+M5+M4+M3+M2+M1+M0））,其中BRCLK为晶振频率,UBR为分频因子的整数,即晶振频率除以波特率的整数部分,而M7,M6,M5,M4,M3,M2,M1,M0分别为调整位,是分别写在UMCTL中的,如果置位,则对应的时序时间只能波特率分频器的输入时钟扩展一个时钟周期,每接受或发送一位,在调整控制寄存器的下一位被用来决定当前位的定时时间。
协议的第一位的定时由URB加上M0决定,下一位由UBR加上M1决定,以后类推.而调整位取“0”还是“1”，取决于当前的分频因子与需要的分频因子的差距，如果大于0.5取“1”，如果小于0.5取“0”，具体实例可见参考资料1。
2.4.5比较器模块
比较器的应用在MSP430中很广,可以做为可转换为电压的量的测量,如果加上定时器的捕获功能,比较器的用途会更广,由于比较器的应用在定时器一章已有实验证明,在此不在多述,但有几点必须说明。
1.比较器属于硬件型的,虽然很准确,但由于有软件的控制,造成的时间误差可能很大。
因此存在一段时间的振荡,这造成测量的误差大，不能很精确。
2.比较器的参考电平很方便,可以都自由加,但不能超过片子的最高电压3.3V ,否则不能正常工作。
3.比较器的应用还很多,可以很放心的用,在我们的开发板中,有比较器的输入端口,还加了电阻和稳压和嵌位的二极管对在高压和负压时的芯片保护。
2.4.6模数转换模块
MSP430F149单片机中集成了14路12位A/D转换,其中8路属于外部的信号转换,3路是对内部参考电压的检测转换,1路是接温控的传感电压转换,每一路转换都有一个可控制的转换存储器,而且,参考电平和时钟源都是可选择的,可以外部提供的。
这给使用上带来了很大的灵活性。
原理上不同于一般积分和逐次比较等A/D转换原理,它的输入信号是加在A/D的电容网络上的,通过电容的充电来采样信号进行A/D转换的。
其时序可以归纳为如下图：
模数转换模块
A/D转换的时序和具体的一些注意事项和参数,但有几点必须注意的地方:
1.由于MSP430F149是采用加载信号到电容上充电的采样,因此必须要给一定的采样时间以能到达一定的精度和时间的不溢出,否则会出现时间溢出的中断。
据测定其采样开始之后需要13个ADC12CLK周期延时。
在实验时是采用的单步才能比较精确的测量，在全速时需要延时才能测量，否则采样结果为0。
2.在采样结束和转换的开始需要一个控制过程,这就是将ADC12CTL0的ENC和ADC12SC同时置“1”，则表明采样结束和转换开始，在我们的测试中，是将ADC12CTL0的控制位重复了一次以达到开始转换。
3.用外部参考电压时，转换公式为NADC=4095*（Vin—Vr-）/（Vr+—Vr-）。
4.由于低三位是电阻性的，因此精度上需要多次测量取平均值。
5.如果采用外参考电压，则不能认为悬空为0V，而必须要加一个电压，即使是0v也必须要加地，否则不能转换。
具体的A/D采样程序和结果在PCB测试中有比较详细的结果。
在这次毕业设计中，我们的主要任务是设计一个芯片的开发板，以能够供以后使用，考虑到F149的资源，我们的设计外围模块功能图为：
外围模块功能图
下面将分模块介绍各模块原理（标示见原理图）及调试程序和结果：
外存和实时
考虑到单片机有时需要实时时钟和外存,因此本设计加了一个8563实时时钟芯片和24WCxx的片外存储,采用I2C 总线结构传送数据和时钟,通过P4.6传送SCL时钟信号,P4.5传送地址、控制、应答和数据信号。
8563接一个32767HZ的晶振产生实时时钟，R32、R31是提拉电阻，以从8563和24WCxx中输出数据。
由于本设计中只有一个片外存储，因此其芯片地址为1010000，8563的读的芯片地址为1010011，写地址为1010010，关于I2C总线的帧结图构为：
帧结构图
调试程序流图和帧结构的顺序一样，在这儿就不在重复，调试程序见设计程序。
调试结果为：
往外存中的10000000地址写入10101010字节数据后读出仍然为10101010，表明对外存的读写正确。
对8563的读写一样。
对I2C 总线的使用最重要的是时序的正确。
这是编程最重要的一点。
另外，对读信号时，要注意是启动后，先写片选地址，再送写信号，等应答后送要读的地址，然后才是启动，之后是送片选地址，再送读信号，等应答之后才是地址上的数据。
这与写时序是不一样的。
2.4.7通讯模块
单片机通讯时需要转换电平，这就要485和232电平驱动，在开发板中，我们用了MAX202E和MAX485芯片作为驱动，MAX202芯片可以实现短距离的通信，是属于单端驱动方式，能将-15V~+15V 的电压转换为0~5V的电压,速率能达到20K,输出电流可达到500mA,实现了TTL—EIA电平的转换,由于MAX202芯片是全双工的,因此其使能引脚是全使能的,又由于MAX202芯片输出是 5v的电压,而430芯片是3V电压,因此需要一个由RM3和RM4组成的分压电路,由于受430内阻和MAX202输出电流的影响,当RM3和RM4分别取2千欧和3千欧时分压之后的电压刚好能达到的电压3V,因此取RM3和RM4为2千欧和3千欧。
注:
RS—232 电平规定为-3V— -15V为“1”，+3V—+15V为“0”。
而RS—485电平属于平衡电平，是通过两路的比较决定正负的，RU4起连接两路的作用，但由于是半双工电路，因此需要使能端口，又由于 启动电平为大于5V，因此需要加CM1和RC7的微分电路产生一个比较大的驱动使能信号，当要使能时，P1.0口发出一个“
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