基于MSP430F149单片机多功能工业控制平台的设计_刘立军

第24卷 第4期2017年4月仪器仪表用户INSTRUMENTATION

EIC Vol.24

2017 No.4

基于MSP430F149单片机多功能工业控制平台的设计

刘立军

（辽宁机电职业技术学院，辽宁 丹东 118009）

摘 要：采用高性能低功耗的MSP430F149单片机作为控制核心，根据智能控制技术设计完成简单的工业控制平台，系统硬件电路以性能可靠、工作稳定、功能强大为总体设计原则，由传感器、驱动器、继电器等常用工业控制设备作为主体，通过与上位机通信实现单片机对步进电机、直流电机的加减速、状态显示、继电器开路与断路的控制。关键词：MSP430F149；智能控制技术；工业控制平台中图分类号：TP273+.5 文献标识码：A

The Design of Multifunctional Industrial Control Platform Based on

MSP430F149 MCU

Liu Lijun

（Liaoning Mechatronics College, Liaoning，Dandong,118009,China）

Abstract: The high performance and low power consumption MSP430 F149 microcontroller as control core, according to the intelligent control technology to design a simple industrial control platform, the hardware circuit of the system with reliable performance, stable operation, powerful function for the overall design principle, by the sensor, driver, relay and other commonly used industrial control equipment as the main body, through communication with the host computer to realize single-chip stepper motor, DC motor speed, status display, relay control circuit and open circuit.

Key words: MSP430 F149；intelligent control technology；industrial control platform;

收稿日期：2017-03-09

作者简介：刘立军(1981-) ，男，辽宁朝阳人，研究生，硕士，讲师，研究方向：动态测试与智能仪器、电子技术。

DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2017.04.012文章编号：1671-1041(2017)04-0044-05

0 引言

自20世纪80年代初期诞生至今，工业控制软件已有30多年的发展历史。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、集成化是现代工业发展的必然趋势。作为工控软件的一个重要组成部分，中国人机界面组态软件研制方面近些年取得了较大的进展，硬件和软件相结合，为企业测、控、管一体化提供了比较完整的解决方案[1]。

1 多功能工业控制平台总体案设计

系统硬件平台搭建本着性能可靠、工作稳定、功能强大的总体设计原则，采用高性能低功耗的MSP430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向单片机串口发送指令。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[2]。多功能工业控制平台系统总体框图如图1所示。

2 多功能工业控制平台硬件设计

2.1 MSP 430F 149单片机简介

MSP430F149单片机有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输出还是输入，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

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图1 多功能工业控制平台系统总体框图

Fig.1 Multifunctional platform for industrial control systems diagram

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[3]。

2.2 步进电机的正反转，加减速控制

步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度。因此，非常适合于单片机控制[4]。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。

2.2.1 步进电机的特点

步进电机工作具有如下特点：1）通过输入脉冲信号进行控制。2）电机的总转动角度由输入脉冲数决定。3）电机的转速由脉冲信号频率决定。

2.2.2 步进电机的驱动电路及工作原理

步进电机的驱动电路如图2所示，根据控制信号工作，控制信号由单片机产生(或者其他信号源)。

步进电机基本原理作用如表1所示。

2.2.3 步进电机控制换相顺序

两相四线步进电机的4拍工作方式，其各相通电顺序为(A-B-A’－B’)依次循环 (

通电控制脉冲必须严格按照

图2 步进电机的驱动电路Fig.2 Step motor driver circuit

表1 两相四拍工作模式时序表

Table 1 Chronology two-phase four-beat pattern

步进电机信号输

入

第一步第二步第三步第四步

返回第一步正转

IN10111返回IN21011返回

IN31101返回IN41110返回反转

IN11110返回IN21101返回

IN31011返回IN40111返回这一顺序分别控制A,B 相的通断)。两相四线步进电机的四拍工作方式，其各相通电顺序为：

A －A

B －B －BA’－A’－A’B’-B’－B’A 依次循环(出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑，往往采用8拍工作方式)。

如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。如：正转通电顺序是：A-B-A’－B’依次循环。则反转的通电顺序是：B‘-A’-B －A 依次循环。

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仪器仪表用户INSTRUMENTATION 2.2.4 步进电机的速度控制

如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲之后，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。控制步进电机的程序设计流程图如图3

所示。

图3 控制步进电机程序设计流程

Fig.3 Stepper motor control program

2.3 直流电机的控制

2.3.1 直流电机驱动电路及PWM 调速电路

L298N 是SGS(通标标准技术服务有限公司)公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt 封装的L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含两个H 桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL 逻辑电平信号，可驱动46V、2A 以下的电机[5]。L298N 使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系如表2所示。直流电机驱动电路如图4所示。

表2 输入引脚和输出引脚的逻辑关系Table 2 The logic input pins and output pins

EN A（B）

IN1（IN3）

IN2（IN4）电机运行情况

H H L 正转H

L H 反转H 同IN2（IN4）同IN1

（IN3）快速停止

L X X

停止

图4 直流电机驱动电路原理图Fig.4 DC motor drive circuit diagram

2.3.2 直流电机的PWM 调速电路

PWM 控制芯片SG3525是一种电流控制型PWM 控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统。因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。PWM 信号输出电路如图5所示。控制直流电机的程序设计流程图如图6所示。

2.4 继电器的闭合与断开控制

四路继电器控制电路原理图如图7所示，继电器由光

耦直接驱动，继电器可控制直流24V 交流110V 电流10A 以内的负载。当单片机输出低电平信号时，光耦及发光二极管正向导通，发光二极管亮，做信号输出指示，光耦3、4两管脚、导通、驱动继电器线圈吸合，带动继电器触点，常开点闭合，常闭点断开。图7中整流二极管的作用是需流保护，主要是保护继电器线圈。反之，当单片机输出高电平信号是光耦及其发光二极管截止，光耦3、4管脚截止，从而继电器线圈不得电，而保持常态。

3 系统软件设计

本系统采用MSP430F149系列单片机，它是一款16位的超低功耗单片机，内部采用哈佛结构，这样使处理数据

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图5 PWM信号输出电路图

Fig.5 PWM signal output circuit

图6控制直流电机程序设计流程

Fig.6 DC motor control program

图7继电器控制电路原理图

Fig.7 Relay control circuit diagram

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仪器仪表用户INSTRUMENTATION 的能力得到很大的提高，在上位机软件中设置了对继电器的开合控制，以及继电器的状态显示，对直流电机的启动停止控制，对步进电机的启动、停止、正转、反转、加速、减速控制，步进电机运行状态的实时显示，以及对外部信号的采集数据显示。数据通信由PC 机串口与单片机串口通信完成。下位机由电源模块、单片机控制模块、直流电机驱动模块、步进电机驱动模块、继电器控制模块、PWM 信号产生模块等几部分构成。实现与上位机通信，驱动步进电机及手动控制调速功能。上位机面板控制界面如图8所示。下位机系统软件主程序流程图如图9

所示。

图8 上位机面板控制界面 Fig.8

PC control panel interface

图9 下位机系统软件主程序流程图

Fig.9 Lower computer system software the main program ? ow chart

4 结束语

根据工业控制的现状及单片机智能控制技术[6]，文章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，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，同时用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。经验证，该系统性能可靠，工作稳定。

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