基于msp430单片机的壁挂式空调风门运动控制系统设计_毕业论文(编辑修改稿)

基于msp430单片机的壁挂式空调风门运动控制系统设计_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

的 主要特性 步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号， 没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。 转动的速 度和脉冲的频率成正比。 三相步进电机的步进角度为 度，一圈 360 度，需要 48 个脉冲完成。 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。 因此，打印机、 绘图仪 、 机器人 等设备都以步进电机为动力核 心。 步进电机驱动系统介绍 步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备，即步进电机驱动器。 步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。 典型的步进电机驱动系统由步进电机控制器，步进电机驱动器，和步进电机本体三部分组成。 步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发出一个脉冲，步进电机驱动器就驱动步进电机的转子前进一个步距角。 步进电机转速的高低，升速或者降速，启动或者停止都完全取决于脉冲频率的高低和脉冲的有无。 通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路，功率驱 动电路，保护电路和电源组成。 步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的步进脉冲信号，控制电路就按预先设定的电机的通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止的信号。 控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机的功率驱动部分。 步进电机驱动电路向步进电机的控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。 保护电路在出现短路，过载，过热等故障情况下迅速停止驱动器和电机的运行。 本人在这次设计中采用了基于 ULN20xx 芯片的步进电机驱动器，将在 天津工业大学 20xx 届本科生毕业论文 10 节进行详细的表述。 天津工业大学 20xx 届本科生毕业论文 11 第三章 MSP430G2553 芯片及其引脚功能介绍 近年来，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。 单片机原理概述 单片机（ singlechip microputer）是把微型计算机的主要部分都集成在 一块芯片上的单芯片微型计算机。 由于单片机的高度集成化缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构配置，大大提高了系统的可靠性和运行速度，同时它的指令系统又非常适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备过程得到广泛应用。 由于 MSP430G2553 型单片机足以满足对步进电机的控制要求，因此下面我们详细对 MSP430G2553 单片机 进行详细的介绍，典型单片机结构图如图 31。 图 31 典型单片机结构图 MSP430G2553 型单片机概述 MSP430G2553 外设：（ 1）通用 I/O：可独立编程； 可提供输入输出和中断的任意组合；所有寻址指令可对端口寄存器进行读写访问；每个 I/O 具有一个可编程的上拉 /下拉电阻；某些器件或引脚具有触摸按键模块。 （ 2） 16 位 Timer_A2：两个捕获 /比较寄存器；丰富的中断功能。 （ 3） WDT+看门狗定时器。 （ 4）欠压复位：可在上电和断电期间提供正确的复位信号；功耗包含于 MCU 最低功耗时所消天津工业大学 20xx 届本科生毕业论文 12 耗的电流之中。 （ 5）串行通信：支持 I178。 C和 SPI 的 USI 以及 UART 的 USCI。 （ 6）Comparator_A：可设定反相和同相输入；可选的 RC 输出滤波器；可直接输出至Timer_A2 捕 获输入；具有中断能力。 MSP430G2553 的引脚图 32 如下： 图 32 Msp430G2553 单片机引脚图 MSP430G2553 开发板各接口引脚介绍 表 31 MSP430G2553 引脚介绍 天津工业大学 20xx 届本科生毕业论文 13 Msp430G2553 型单片机的各个功能模块 时钟系统：超低功耗 /低频振荡器；外接晶体振荡器；数字控制振荡器。 通用 I/O（ P 端口寄存器）：（ 1） PXDIR 输入 /输出方向寄存器（ 0：输入模式， 1：输出模式）；（ 2） PXIN 输入寄存器，输入寄存 器是只读寄存器，用户不能对其写入，只能通过读取该寄存器的内容知道 I/O 口的输入信号。 （ 3） PXOUT输出寄存器，寄存器内的内容不会受引脚方向改变的影响（ 4） PXIFG 中断标志寄存器（ 0：没有中断请求， 1：有中断请求），该寄存器有 8 个标志位，对应相应的引脚是否有待处理的中断请求，这 8个中断标志共用一个中断向量，中断标志不会自动复位，必须软件复位。 外部中断事件的时间必须大于等于 倍的MCLK 的时间，以保证中断请求被接受。 （ 5） PXIES 中断触发沿选择寄存器（ 0：上升沿中断， 1：下降沿中断）（ 6） PXIEL 功 能选择寄存器（ 0：选择引脚为 I/O端口， 1：选择引脚为外围模块功能）（ 7） PXREN 上拉 /下拉电阻使能寄存器（ 0：禁止， 1：使能）。 所有 P 口都可以作为通用 I/O 口使用；所有 P口都可以进行字节操作和位操作。 中断： (1)中断源：外部中断、定时器中断、看门狗定时器中断、串口中断、 A/D 转换中断、比较器中断。 （ 2）中断的一般设置：打开关闭局部中断；打开关闭全局中断；中断的嵌套。 定时器的计数模式：（ 1）增计数模式（ 2）连续计数模式（ 3）增 /减技天津工业大学 20xx 届本科生毕业论文 14 术模式（ 4）停止模式 串行通信：串口是系统与外界联系的重要 手段，我们有时需要使用上位机进行系统调试及现场数据的采集和控制， MSP430G2553 中有两个串口模块：USCI_A0 和 USCI_B0。 串行异步通信的主要特点：（ 1）两个独立的移位寄存器 :输入 /输出寄存器（ 2）传输 7位或 8位数据，可采用奇校验、偶校验（ 3）数据在发送或接受时低位在先（ 4）独立的发送或接受中断（ 5）可编程实现分频因子为整数或小数的波特率。 MSP430G2553 微控制器的特点和特性 微控制器的特点 ： 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 系列单片机能在 25MHz 晶体的驱动下，实现 40ns 的指令周期。 16 位的数据宽度、 40ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 fft 等）。 :MSP430 单 片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处： 首先， MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 电压。 因而可使其在 1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在 165μA 左右， RAM 保持模式下的最低功耗只有。 其次，独特的时钟系统设计。 在 MSP430 系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环（ FLL 和 FLL+）时钟系统和 DCO 数字振荡器时钟系统。 可以只使用一个晶体振荡器（ 32768Hz），也可以使用两个晶体振荡器。 由 系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。 并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。 微控制器的特性 1 低电压电源范围 至 2 超低功耗： 天津工业大学 20xx 届本科生毕业论文 15 （ 1）运行模式 *10^8（ A） （ 2）待机模式 *10^6（ A） （ 3）关闭模式 *10^6（ A） 3 五种节能模式 4 可在不到 1*10^6（ s）的时间内从待机模式唤醒 5 基本时钟模块配置： 具有四种校准频率并有高达 16MHz 的内部频率内部超低功耗低频振荡器32kHz 晶体外部数字时钟源。 6 两个 16位 Timer_A 分别具有三个捕获 /比较寄存器 7 多达 24个支持触摸感测的 I/O 引脚 8 通用串行通信接口： （ 1）支持自动波特率检测的增强型异步收发器 （ 2）编码器和解码器 （ 3）同步 SPI 9 用于模拟信号比较功能或者斜率模数转换的片载比较器 10 带内部基准，采样，与保持以及扫描功能的 10 位模数转换器 11 欠压检测器 12 串行板上编程： （ 1）无需外部编程电压 （ 2）利用安全熔丝实现可编程代码保护 13 具有两线制接口的片上仿真逻辑电路 MSP430G2553 开发板硬件资源概述 名为 Launchpad 的 MSPEXP430G2 低成本实验板是一款适用于 MSP430G2xxx系列产品的完整开发解决方案。 其基于 USB 的集成型仿真器可提供为全系列MSP430G2xxx 器件开发应用所必需的所有软、硬件。 Launchpad 具有集成的 DIP目标插座，可支持多达 20 个引脚，从而使 MSP430 器件能够简便的插入 Launchpad电路板中。 此外，还可以提供板上 FLASH 仿真工具，以直接连接至 PC，轻松进行编程和调试。 天津工业大学 20xx 届本科生毕业论文 16 图 33 MSPEXP430G2553 开发板 本次设计采用了 MSP430单片机的 USB供电模式，利用 MSP430单片机的 ， ， 4个 I/O口，按照一定的通电顺序（ AABBBCCCDDDA）对电机驱动器 ULN20xx的输入端口进行写入，从而达到控制电机运转的目的。 本次实验用到了。 设置 MSP430单片机内部的定时器实现了对于步进电机转速的控制。 天津工业大学 20xx 届本科生毕业论文 17 第四章 系统硬件设计 本控制系统主要作用是通过 MSP430G2553 单片机来控制步进电机的正反方向 的旋转，而硬件部分是由 MSP430G2553 单片机、单片机驱动器 ULN20xx、按键、步进电机之间进行合理的连接。 因此，此结果可以应用于遥控壁挂式空调的风门的运动，具有很强的现实意义。 系统总体框架图 图 41 系统设计框图 本系统的 MSP430G2553 单片机由 USB 供电，步进电机驱动电路由 5V独立电压源供电。 通过对单片机上的 按键和外围扩展的 按键进行循环扫描来判断按键是否已被按下，若按键被按下，再经过步进电机驱动电路功率放大后，通过这两个按键分别来实现电机的正反转控制，调速 系统由软件方式完成，即用中断定时器控制转速。 此系统将应用于壁挂式空调风门的控制，具有很强的现实意义，壁挂式风门如图 42。 天津工业大学 20xx 届本科生毕业论文 18 图 42 壁挂式风门 键盘控制电路 键盘控制模块包括方向控制键、启停键，分别与单片机的 和 相连。 实现对步进电机的方向和启动停止控制。 按键功能 的简单介绍 键盘在单片机的应用中能实现向单片机输入数据、传送命令等的功能，是人工干预单片机的主要手段之一。 键盘的实质是一组按键开关的集合。 键盘所用的开关为机械弹性开关，结合了机械触点的合、断作用。 一个电压信号在机械触点的断开，闭合过程中，都会产生抖动，一般为 5—10ms；两次抖动之中为稳定的闭合状态，时间由按键动作所决定；第一次抖动前和第二次抖动后为开断状态。 按键闭合与否，反映在输出电压上就是呈现出高电平或者低电平。 通过对输出电平的高低状态的检测，便可以确认按键是否按下。 高电平表示按键断开，低电平表示按 键闭合状态。 并且，为了能直观的表示按键闭合与否，还可以为每个按键相应增加了发光二极管，按键断开时，发光二极管灭，当有键闭合时，相应的发光二极管变亮。 键盘的抖动与消抖 为了确保单片机对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。 消除按键抖动通常采用硬件、软件两种方法。 由于硬件消抖电路设计复杂，本设计只做简单叙述；软件消抖适合按键较多的情况，方便简单。 其原理是在第一次检测到有键按下时，执行一段延时 10ms 的子程序后在确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平则确认为真正有键按下，从 而消除了抖动的影响。 按键在被按下和松手被释放时产生抖动的示意图如图 43所示。 天津工业大学 20xx 届本科生毕业论文 19 图 43 按键在被按下和松手被释放时产生抖动 按键的抖动将会引起一次按键被误读多次，所以为了避免这种不合理情况的发生，我 们在做键盘输入时必须要进行消除抖动，消抖的方法分为两种：硬件消抖，软件消抖。 1硬。