MSP4步进电机控制器的设计.docx

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MSP4步进电机控制器的设计

封面

作者：

PanHongliang

仅供个人学习

基于MSP430步进电机控制器的设计

摘要

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。

研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。

本设计是采用MSP430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控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机；同时，用4个按键来对电机的状态进行控制，并用数码管动态显示电机的转速。

系统由硬件设计和软件设计两部分组成。

其中，硬件设计包括MSP430单片机的电源模块、键盘控制模块、测速模块、步进电机驱动（集成达林顿ULN2003）模块、数码显示（SM420361K数码管）模块6个功能模块的设计，以及各模块在电路板上的有机结合而实现。

软件设计包括键盘控制、步进电机脉冲、数码管动态显示以及转速信号采集模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上，对速度进行实时监控显示。

软件采用在IARforMSP430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。

关键词：

步进电机MSP430单片机角位移转速控制方向控制

Abstract

Withthedevelopmentofmicroelectronicsandcomputertechnology,increasingdemandforsteppermotor,whichiswidelyusedinprinters,electronictoysandconsumerproductssuchasCNCmachinetools,industrialrobots,medicalequipmentandelectricalproducts,anditsvariousnationalfieldsareapplied.Ofsteppermotorcontrolsystemtoimprovethecontrolaccuracyandresponsespeed,energyconservationandsoimportant.

ThisdesignisusedMSP430ofSteppingmotorcontrol,throughtheIOportasasquarewaveoutputofthetimingofstepmotorcontrolsignal,thesignalthroughtheULN2003driverchipsteppermotor;thesametime,withfourbuttonstothestatusofthemotorcontrol,anddynamicdisplaywithdigitalcontrolmotorspeed.

Systemconsistsofhardwareandsoftwaredesignoftwoparts.Amongthem,thehardwaredesign,includingminimumsystemMSP430microcontroller,powersupplymodule,keyboardcontrolmodule,steppermotordrive（integratedDarlingtonULN2003）module,digitaldisplay（SM420361Kdigitalcontrol）module,speedmodules（includingtheHallprobeUGN3020）sixfunctionmodules,andeachmoduleinthecircuitboardtoachievetheorganiccombination.Softwaredesign,includingkeyboardcontrol,steppingmotorpulse,thedigitaldynamicdisplayandspeedsignalacquisitionmodule,controlprocedures,andultimatelytothesteppermotorrotationdirectionandrotationspeedcontrolofsteppermotorrotationspeedanddynamicdisplayintheLEDdigitaltube,real-timemonitoringofthespeeddisplay.SoftwareusedinthesoftwareenvironmenttoeditIARforMSP430Clanguage.Thissystemhastheintelligence,practicalityandreliabilityfeatures.

KeyWords：

SteppingmotorMSP430AngulardisplacementSpeedcontrolDirectioncontrol

第一章绪论

1.1课题背景

当今社会，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。

步进电机是最常见的一种控制电机，在各领域中得到广泛应用。

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

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

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。

步进电机可以作为一种控制用的特种电机，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。

它广泛用于消费类产品（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。

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

控制核心采用MSP430单片机，它以其独特的低耗能，强大的中断控制，当然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，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国内外发展现状

步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作用，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。

随着经济的发展，技术的进步和电子技术的发展，步进电机的应用领域更加广阔，同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。

步进电机的原始模型起源于1830年至1860年，1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。

1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。

到20世纪60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生。

步进电机往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。

在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。

图1.1步进电机的外观图

我国步进电机的研究及制造起始于本世界50年代后期，从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。

我国在文化大革命中开始大量生产和应用步进电机，例如江苏、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生产，而且都在各行业使用，其中的驱动电路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也完全国产化。

70年代初期，步进电机的生产和研究都有所突破，除反映在驱动器设计方面的长足进步以外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高的水平。

70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。

至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，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。

国外在大功率的工业设备驱动上，目前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比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加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，就用空心转杯电机，交流电机。

国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，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动机实现机床数控，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。

目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。

仅仅处于一种盲目的仿制阶段。

这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

1.3本文设计的任务

本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。

本系统采用MSP430作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。

设计的步进电机控制器应具有以下功能：

1.步进电机的启停控制

2．步进电机的正反转控制

3.步进电机的加速控制

4.步进电机的减速控制

5.步进电机转速的动态显示

第二章系统概述

2.1系统的总体框架

2.1.1系统的组成

系统由硬件设计和软件设计两部分组成。

软件采用在IARforMSP430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。

系统的总体框架图如下

图2-1总体设计框图

2.1.2系统的工作原理

本设计是以单片机为核心的步进电机的控制系统。

本系统采用MSP430作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示

2.2系统的主要功能

2.2.1步进电机的主要功能

设计的步进电机控制器应具有以下功能：

1.步进电机的启停控制

2．步进电机的正反转控制

3.步进电机的加速控制

4.步进电机的减速控制

5.步进电机转速的动态显示

2.2.2系统的特点

由MSP430系列单片机设计的步进电机控制器具有如下几个特点

1低功耗由于MSP430单片机的低功耗特性决定了系统的低功耗

2可移植性C语言的开发环境决定了系统的可移植性

3易操作性：

图形化、语音化、让信息大多可自动生成，便于操作。

4安全性：

系统具有较完善的安全防范措施。

5实用性：

系统具有强大的中断功能、功能实际等特点，使整个系统有很强的实用性

第3章控制系统硬件的设计

3.1MSP430系列单片机简介

近几年来，随着微电子技术的日新月异，世界上的许多芯片制造商纷纷推出自己的新产品，品种极为丰富。

由于竞争激烈，其中串行接口多、低功耗、本身具有液晶显示驱动器与看门狗定时器的多功能芯片将成为主流器件。

全球著名DSP制造商—美国德州仪器（TI）公司所生产的新型芯片MSP430系列，以其独特的性能和丰富的片内外设成为电子技术设计开发人员的新宠。

3.1.1MSP430系列单片机功能特性

TI公司MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其中包括一系列器件，它们针对不同的应用而由各种不同模块组成。

它们具有16位RISC结构，CPU的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率。

灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗。

数字控制的振荡器（DCO）可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在小于6μs的时间内被激活到正常的工作方式。

MSP430系列单片机的16位定时器是应用于工业控制如纹波计数器、数字化电机控制、电表、水表和手持式仪表等的理想配置，其内置的硬件乘法器大大加强了其功能并提供了软硬件相兼容的范围，提高了数据处理能力．

MSP430单片机具有如下特点：

（1）低电压、超低功耗

MSP430系列单片机，在1.8～3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，工作电流（在0.1～400μA之间）因不同的工作模式而不同；具有16个可以任意嵌套的中断源，使用灵活方便：

将CPU置于省电模式时，用中断方式可唤醒程序，其过度响应时间小于6us，编制出的源代码程序实时性较高。

（2）强大的处理能力

MSP430系列单片机为16位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；有较高的处理速度，在晶振频率为8MHz驱动时，其指令周期为125μs。

这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

（3）系统工作稳定

上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时问。

然后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。

如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可以用看门狗将其复位。

（4）丰富的片内外设

MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。

它们分别是以下一些外围模块的不同组合：

看门狗（WDT）、定时器A（Timer_A）、定时器B（Timer_B）、比较器、串口0、1（USARTO、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、l0/12位ADC、48个I/O端口、基本定时器（BasicTimer），可在线仿真的FLASH内存，7路PWM输出，以及内嵌的LCD驱动等。

本设计所选用的主控芯片MSP430F149就包含了：

FLL+（频率锁相环）时钟系统，看门狗，精密模拟比较器（Comparator），带有3个捕获／比较寄存器的16位定时器（Timer_A）串口、0，1，48个I/O通用引脚、并且端口Pl、P2有中断能力。

（5）高效的开发方式

MSP430支持在线仿真和编程，所配编译器功能强大。

具有FLASH存储器型的单片机，利用其本身具有JTAG接口，可以在一台PC机及一个JTAG控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序的在线调试，实时修改片内寄存器和存储器的内容，对开发人员来说将大大提高程序的调试效率。

MSP430系列器件均为工业级的，运行环境温度为．-40℃～+85℃。

图3-1MSP430F14X单片机的内部结构

由图3-1MSP430F14X系列单片机内部结构图可以看出，MSP430系列单片机由很多模块组成。

在MSP430系列单片机中，与其它的单片机最大的区别就是系统各个模块完全是独立运行的，定时器（Timer）、输～输出口（I/OPort）、A/D转换（以芯片型号的不同而有无）、看门狗（WOT）、液晶显示器（LCD）等都可以在主CPU休眠的状态下独立运行。

当需要主CPU工作时任何一个模块都可以通过中断唤醒CPU，从而使系统运行在最低功耗上。

这一点是MSP430系列单片机突出的优点。

此外由于MSP430系列单片机具有LCD驱动、A/D转换、模拟比较器、多路中断和定时器、多组串行通信口，因而其用途极广。

3.1.2MSP430系列单片机的应用

MSP430系列单片机有如此独特的性能，因而一问世便受到广大用户的欢迎，有了MSP430系列单片机，人们再也不用为那些使用干电池的仪器仪表耗电太快而犯愁了，用户可以设计出只用一节3V电池便能工作数年的智能工业仪表，也可以设计出从设备端口（如计算机并口或串口）信号线直接获取电能的无源智能仪器等等。

总之，MSP430系列单片机可用于工业及民用的诸多领域：

如在工业控制中可以用于各种机床控制、电机控制、航天导航系统控制等；在智能化仪器仪表中用于包括温度、湿度、流量、电压、频率等各类仪器仪表中，使仪器仪表数字化、智能化，功能大大提高；在日常生活中使用的电器产品中可用于电子秤、彩电、冰箱、洗衣机、智能玩具等，还可以用于如火警智能探头、便携仪器仪表、保险柜、汽车单元控制器等方面。

本文就是利用MSP430F149型单片机做

为主控制器设计的机车通信系统。

3.2MSP430F149型单片机

3.2.1MSP430F149的引脚图

MSP430F149的引脚图如图3-2所示：

图3-2MSP430F149的引脚图

3.2.2MSP430F149的微处理器CPU

MSP430F149型单片机CPU具有一个16位的RISC精简指令计算机结构，对应用是高度透明的。

所有的操作，除了程序流程指令，都是通过源操作数的7种寻址模式和目标操作数的四种寻址模式的组合对寄存器进行的。

CPU集成了16个寄存器，减少了指令执行时间。

寄存器到寄存器操作的执行时间是一个CPU周期。

4个寄存器（程序计数器、堆栈指针、状态寄存器、常数发生器）用作特殊用途，其余的都可以用作通用寄存器。

外围模块通过数据、地址、和控制总线与CPU相连。

通过所有存储器操作指令可以很容易的对它们进行控制。

3.2.3工作方式

通过对不同模块操作模式和CPU状态的智能化管理，MSP430芯片的工作方式可以适应多种超低功耗的需求，即便在中断处理期间也是一样。

MSP430单片机的各个模块运行是完全独立的，定时器、输入/输出端口、A/D转换、看门狗、液晶显示等都可以在CPU休眠的状态下独立运行。

当需要CPU工作时，任何一个模块都可以通过中断唤醒CPU，从而使系统以最低功耗运行。

这一特点是MSP430单片机最突出的优点，也是与其它的单片机的最大区别。

一个中断事件可以把系统从各种低功耗方式唤醒并且通过RETI指令返回到中断以前的工作状态。

系统适用的时钟信号有三种ACLK（晶振的频率信号）、MCLK和SMCLK（ACLK的倍频信号）。

具体有以下六种运行模式：

1）活动模式AM：

可由软件设定，所有的时钟都是活动的。

2）低功耗模式0（LPMO）：

CPU关闭，

ACLK和SMCLK信号保持活动，

MCLK可以用于模块，，FLL+锁相环保持活动；

3）低功耗模式l（LPM1）

CPU关闭，

MCLK可用于模块，FLL+锁相环关闭；

4）低功耗模式2（LPM2）

CPU关闭，

ACLK保持活动，

MCLK和FLL+锁相环、DCO被禁止；

5）功耗模式3（LPM3）

CPU关闭，

ACLK保持活动，

MCLK和FLL+锁相环、DCO、DCOCLK被关闭；

6）低功耗模式4（LPM4）

CPU关闭，

ACLK信号关闭，

MCLK和FLL+锁相环、和DCOCLK被禁止，DCO的DC发生器被禁止；

系统处于何种工作模式下主要取决于状态寄存器SR中的4位用于控制CPU和系统时钟发生器的控制位，即CPUOff,OSCOff,SCG0和SCG1。

如果用软件将4位控制位全部复位，这时系统进入活动模式（AM），CPU、时钟处于活动状态。

不同的运行模式由软件控制内部时钟系统来控制。

表3.1是各种低功耗工作模式的控制位一览表。

时钟系统通过硬件和软件的大量组合达到应用的最低功耗和成本最优化。

由下表可见，在低功率方式下，CPU均停止了工作。

表3.1各种低功耗工作模式的控制位

SCG1

SCG2

OSCOff

CPUOff

LPM0

LPM1

LPM2

LPM3

LPM4

MSP430系列在电源为3V时活动方式下的工作电流大约为300μA，而在低功耗模式3（LPM3）下则可低到0．9μA。

在任何低功耗方式下均支持中断操作，一旦中断发生即可将系统从当前低功耗模式中唤醒进入活动方式，而且可在中断处理结束后返回原先的低功耗方式。

在LPM3方式下，32768Hz晶振、ACLK、基本定时器、复位逻辑和部分选定的外设保持工作，本设计利用这种方式来降低电池的消耗

3.3步进电机

3.3.1步进电机概述

步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。

单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。

多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。

使用多相步进电动机，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，在

经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。

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变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。

正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。

由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。

3.3.2步进电机的特性

步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅长处理的数据类型。

从20世纪80年代开始开发出了专用的IC驱动电路，今天，在打印机、磁盘器等的OA装置的位置控制中，步进电机都是不可缺少的组成部分之一。

总体上说，步进电机有如下优点：

1．不需要反馈，控制简单。

2．与微机的连接、速度控制（启停和反转）及驱动电路的设计比较简单。

3．没有角累积误差。

4．停止时也可保持转距。

5．没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。

6．即使没有传感器，也能精确定位。

7．根椐给定的脉冲周期，能

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