基于MSP430的控制電機并測速度系統(tǒng)設計與調試
前言
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201710/368504.htm最近在調一個MSP430單片機控制電機并測速度的電路。整個電路從設計制作到調試成功,花了將近四天時間,中間Bug多多,不過最后都一并解決了。
廢話不多說,直接進入主題,先說說我這個系統(tǒng)。下面Figure 1是MSP430主控制部分,用的芯片是MSP430G2553單片機(11、12號引腳是反過來滴),第一個是Pro Download接口,顧名思義,就是程序下載口,我用的MSP430G系列的launchPad 開發(fā)板連接到我設計的板子上的,通過這幾個接口利用launchPad 即可下載程序,為了方便布線,我打亂了這幾個接口的順序。PWM1和PWM2接口是連接到H橋的兩個接口,這里使用了G2553的定時器A1產生PWM。CAP_P12是光電對管連接到比較強后輸入到單片機的一個捕獲接口,因為這里可以用定時器A0的捕獲接口,使用定時器的捕獲功能,可以使得程序設計更為簡單。整個系統(tǒng)利用了兩個定時器,并結合中斷,使得整個系統(tǒng)都處于休眠狀態(tài),功耗可以做得比較低(但由于電機和12864的存在,這里的低功耗程序設計顯得毫無意義額。。。)。另外還有一個12864的串行外部接口(SPI)三根線。
再放一個三線控制13864的圖。由于MSP430x2xx系列是3.3V的器件,這里用到了一個245芯片來轉換電平電壓(CS和SCLK的順序反了,后來布線的時候改的)。初學者往往會遇到一個問題,就是為什么我的12864的滑動變阻器調了,12864的亮度都不變呢,我在這里只提一點:注意你的復位引腳的電平。
H橋電路太常見,百度出來一抓一大把。
至于H橋原理神馬的,我就不在這里多說了。不懂就百度吧,實際上學過三極管的,稍微靜下心來分析一個,都可以看得懂的。下面是一個比較器的電路,用的是光電對管發(fā)射信號,經黑線反射以后PHOTO上產生一定的電壓值,做電路的時候實測 LM358的輸入電壓高達0.6V(哈哈,其實也不高…),右邊的LM358構成一個比較器,VCC為5V電壓,經10K和50歐姆電阻分壓以后LM358的2號引腳的電壓大致為0.5V0.6V,滿足電路設計要求。后加一個1K電阻保護后級單片機(哈哈,這個電阻方便了我后面的濾波)下面說說問題所在吧。
調試的時候發(fā)現(xiàn)了一個非常糾結的問題。數(shù)據(jù)總是莫名其妙地顯示200轉/s甚至是1000轉每秒,實際上,我這個電機的轉動速度最大也就110轉每秒,這些個數(shù)據(jù)顯然都是錯誤的。反復檢查定時器的捕獲程序,檢查了好幾遍,加上有寫了一年的430單片機程序的經驗,對這個G2553的內部寄存器相當熟悉,反復分析,100%確定程序沒有任何問題。那么問題在哪里呢?后來分析了一段代碼。
這個函數(shù)是將捕獲到的定時器的脈沖計數(shù)值送到12864的一個中間轉換函數(shù),temp顯示的轉速,由于CPU 時鐘用的1MHz,電機那里有四個黑帶,所以實際的轉速應該是250000/tempData,得到這個數(shù)據(jù)后轉換成ASCII碼,再送到12864顯示。問題出現(xiàn)在這里,12864顯示數(shù)據(jù)1000+,說明temp = 1000+,比實際的數(shù)據(jù)100+大了10倍。那么也就意味著tempData的數(shù)據(jù)比實際的真實數(shù)據(jù)小了10倍,也就是說定時器兩次捕獲時間的間隔比常規(guī)的要小很多,為什么會小了那么多倍呢。
思來想去,靈光一閃,哎呀,對了!由于電機的膠布粘貼得不均勻,產生了大量的不均衡噪聲,使得比較器的輸出含有大量的高頻分量,由于噪聲的存在,使得定時器的捕獲時間間隔變??!從而出現(xiàn)了顯示數(shù)據(jù)偏大的結果。想到問題所在,那么怎么解決掉呢。查看原理圖,發(fā)現(xiàn)運算放大器的輸出端接有一個1K的電阻,哎呀瑪雅,靈感方案突然就來了,做個簡單的RC低通濾波器不久完了?想到方案以后那么電容的值又該怎么選了?在草稿紙上做個簡單的分析,現(xiàn)將草稿紙上的內容mathtype搬到Word上來。
電容的阻抗表達式:
把運放的輸出結果看成一個電壓源,其輸出電壓等于RC濾波網(wǎng)絡的輸入電壓假設其值為:
那么上圖所示的Vout的輸出表達式為
為了方便分析,我們假設Vi為1V,并且不考慮相位問題,取Vout的模可得
輸出表達式與輸入頻率的關系找到了,那么我們的電容值又該怎么設計呢?考慮到我們的光電管經過比較器輸出以后的頻率最大為500Hz,那么我們設計一個‐3dB在500Hz左右的濾波器即可。用MATLAB寫個小程序。
R = 1000;
f = 0:0.01:1000;
w = 2*pi*f;
C1 = 0.001 * 10^-6;%%uF
C2 = 0.01 * 10^-6;%% uF
C3 = 0.1 * 10^-6;%% uF
C4 = 1 * 10^-6;%% uF
C5 = 0.3 * 10^-6;%% uF
y1 = sqrt((1./(1+w.*w*R^2*C1^2)).^2 +
?。ǎ╳*R*C1)/(1+w.*w*R^2*C1^2)).^2);
y2 = sqrt((1./(1+w.*w*R^2*C2^2)).^2 +
((w*R*C2)/(1+w.*w*R^2*C2^2)).^2);
y3 = sqrt((1./(1+w.*w*R^2*C3^2)).^2 +
?。ǎ╳*R*C3)/(1+w.*w*R^2*C3^2)).^2);
y4 = sqrt((1./(1+w.*w*R^2*C4^2)).^2 +
?。ǎ╳*R*C4)/(1+w.*w*R^2*C4^2)).^2);
y5 = sqrt((1./(1+w.*w*R^2*C5^2)).^2 +
?。ǎ╳*R*C5)/(1+w.*w*R^2*C5^2)).^2);
plot(f,y1,f,y2,f,y3,f,y4,f,y5);
title(‘RC濾波器設計’);
legend(‘0.001uF’,‘0.01uF’,‘0.1uF’,‘1uF’,‘0.3uF’);
xlabel(‘頻率/Hz’);
ylabel(‘輸出幅頻/V’);
在測試C的時候從1nF開始測試,得到下面的輸出曲線,從圖中我們可以看到,從0Hz到1000Hz,輸出幾乎都是1,不變,1nF的電容不符合我們的設計要求。再加大,測試104電容,104電容即0.1uF,得到的輸出幅頻特性曲線如下,顯然不符合我們的設計要求,500Hz‐3dB處還差一點點,再加大10倍,測試1uF.
下面這張是1uF的測試圖,顯然‐3dB小于500Hz了。也不符合設計要求,經過反復測試并結合手頭上有額電容容值,選定474電容,得到幅頻特性曲線也較為理想。敲定電容值以后已經迫不及待把電容焊上去了。焊接完畢以后,長時間觀察,12864沒有再出現(xiàn)200轉/秒或者1000轉/秒的顯示值,也就是說設計的濾波器已經起到效果了!做成以后興奮了一小下。興奮之余,想到既然是高頻噪聲的影響,那么何不看看它的頻譜圖呢,一想到,果斷從科協(xié)搬來一臺數(shù)字示波器,測試了安裝RC濾波器前的FFT圖形和安裝RC濾波器后的FFT圖形,現(xiàn)貼在這里。從兩個圖中,很明顯地可以看到安裝濾波器前裙子噪聲非常明顯,安裝后,裙子噪聲基本沒有了?。?!,看到這里,我又忍不住興奮了一下。
解決所有問題以后大松一口氣,終于想通了復位電路與簡單的RC濾波電路。相比51單片機的高電平復位電路,其實原理也是一樣的——高通濾波器。
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