基于MSP430F5438A單片機(jī)的磁懸浮控制器設(shè)計(jì)

向楠，黃道業(yè)

（安徽國防科技職業(yè)學(xué)院汽車工程系，安徽 六安 237011）

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

交流磁懸浮控制器由MSP430F5438A單片機(jī)電路、顯示及鍵盤電路、交流調(diào)壓電路和串口AD轉(zhuǎn)換電路 （ADS7950）等幾部分組成。MSP430F5438A控制部分采用TI公司的MSP430F5438A為主控芯片；數(shù)碼管顯示和鍵盤由MSP430F5438A直接控制和檢測；交流調(diào)壓電路由MSP430F5438A控制實(shí)現(xiàn)調(diào)壓；線圈懸浮通過帶動滑動變阻器產(chǎn)生模擬信號，經(jīng)過串口AD轉(zhuǎn)換電路變換后送入MSP430F5438A，實(shí)現(xiàn)對線圈高度的閉環(huán)控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案如圖1所示。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 MSP430單片機(jī)

MSP430單片機(jī)是美國德州儀器公司推出的16位超低功耗、高性能嵌入式控制器，是一款工業(yè)級混合信號處理器。擁有超低電壓、超低功耗，處理器電源只需1.8～3.6V的低電壓，時(shí)鐘系統(tǒng)有多種低功耗模式，正常待機(jī)時(shí)耗流量低至0.8μA。其處理指令的速度很快。MSP430系列單片機(jī)為16位，采用精簡指令集，運(yùn)行速度快，當(dāng)采用8MHz晶振時(shí)，它的指令周期可縮至125μs。該系列單片機(jī)具有12位的A／D轉(zhuǎn)化器而且轉(zhuǎn)換速率高，最高可達(dá)200kb／s，適用于高效率的數(shù)據(jù)采集的場合使用。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

圖2 MSP430單片機(jī)電路圖

MSP430系列嵌入式微控制器均為工業(yè)級，工作溫度為－40～85℃，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高。

該控制器設(shè)計(jì)選用MSP430系列MSP430F5438A為主控芯片，其原理圖如圖2所示。其中，U1為100管腳單片機(jī)，U1的13腳XIN和第14腳XOUT連接XTAL1晶振，62管腳接瓷片電容C9的一端，電容另一端接地。U1有JA、JB、JC、JD 4類接口，其中的JB口連接交流調(diào)壓模塊的數(shù)字量輸出口 （如需擴(kuò)展就連接擴(kuò)展芯片Header8x2）對應(yīng)相接。

2.2 交流調(diào)壓模塊

交流調(diào)壓模塊由主要由MSP430F5438A控制實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，該模塊主要交流調(diào)壓電路和觸發(fā)電路2部分 （見圖3）。

1）交流調(diào)壓電路 交流調(diào)壓電路將2個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在每相交流電源與負(fù)載之間。隨著電源的每半個(gè)變化周期內(nèi)觸發(fā)一次晶閘管，分時(shí)使之導(dǎo)通，采用相位控制方式構(gòu)成交流電力控制電路。為了方便的調(diào)節(jié)交流輸出電壓的有效值，筆者采用與相控整流電路一樣的方法，通過控制晶閘管開通時(shí)所對應(yīng)的相位，從而達(dá)到交流調(diào)壓的目的。其晶閘管可以利用電源自然換相，無需強(qiáng)迫關(guān)掉電路，并可實(shí)現(xiàn)電壓的平滑調(diào)節(jié)，系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，但它也存在深控時(shí)功率因數(shù)較低、易產(chǎn)生高次諧波等缺點(diǎn)。單相交流調(diào)壓電路是對單相交流電的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的電路。綜上所述，為了可靠、有效并準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，單相交流調(diào)壓電路中的負(fù)載呈感性時(shí)，使控制角保持在0～180°移相范圍。與此同時(shí)，為了避免直流分量的出現(xiàn)，晶閘管觸發(fā)的控制脈沖應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。

2）觸發(fā)電路 晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合系統(tǒng)要求的門極觸發(fā)脈沖，這樣是為了保證晶閘管在合適的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。經(jīng)過各種方案比對，最終選用以KJ004芯片為核心構(gòu)成集成觸發(fā)電路。

2.3 串口AD轉(zhuǎn)換電路模塊 （ADS7950）

交流調(diào)壓電路由MSP430F5438A控制實(shí)現(xiàn)調(diào)壓；線圈懸浮通過帶動滑動變阻器產(chǎn)生模擬信號，經(jīng)過串口AD轉(zhuǎn)換電路變換后送入MSP430F5438A，實(shí)現(xiàn)對線圈高度的閉環(huán)控制。系統(tǒng)包含電源、信號處理、A／D轉(zhuǎn)換、接口等4大部分。這里筆者重點(diǎn)闡述串口A／D轉(zhuǎn)換部分。

A／D轉(zhuǎn)換電路包括ADS7950芯片U5（見圖4），它有30個(gè)引腳，需外部基準(zhǔn)電壓為2.5V，內(nèi)部包含4路復(fù)用器，其引腳5接5V電源，電容C16，C17并聯(lián)在引腳5和引腳10之間，引腳9、引腳22、引腳27接地，引腳12、14、18、20 （CH1、CH2、CH3、CH4）為芯片U5的輸入端口。上述交流調(diào)壓觸發(fā)模塊調(diào)節(jié)懸浮線圈高度輸出的模擬電壓接到該ADS7950芯片U5第12腳 （CH3），ADS7950芯片U5輸出數(shù)字量的引腳13（CH3）連接單片機(jī)MSP430F5438A的JB口。如果需要擴(kuò)展的話，還可以在A／D轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)之間加入接口電路。

圖4 ADS7950

2.4 顯示和鍵盤模塊

該模塊通過單片機(jī)按鍵來調(diào)節(jié)懸浮線圈高度并顯示處理，包含了12864和1602的液晶接口、3個(gè)PMOD接口、12V電源輸入、矩陣按鍵和獨(dú)立按鍵。模塊功能就是在液晶屏上顯示字符數(shù)字，鍵盤選擇矩陣鍵盤。

3 程序設(shè)計(jì)

程序開發(fā)流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)語

筆者描述了一種磁懸浮控制器電路，包括單片機(jī)電路、顯示電路、鍵盤電路、交流調(diào)壓觸發(fā)模塊、串口AD轉(zhuǎn)換電路模塊、電源模塊。所述的顯示電路、鍵盤電路、交流調(diào)壓觸發(fā)模塊、串口AD轉(zhuǎn)換電路模塊、電源均連接到單片機(jī)電路，交流調(diào)壓觸發(fā)模塊對線圈懸浮進(jìn)行高度調(diào)節(jié)后產(chǎn)生的模擬信號經(jīng)過串口AD轉(zhuǎn)換電路模塊變換后送入單片機(jī)。該設(shè)計(jì)中，調(diào)節(jié)線圈懸浮高度時(shí)如何穩(wěn)定的變化是一個(gè)難題，在對其軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮PID調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，這對編程有一定的難度。因此，如何使得控制器更為穩(wěn)定及準(zhǔn)確是筆者今后需要進(jìn)一步研究的問題。

［1］梁源，賈靈，郝強(qiáng) .大學(xué)生嵌入式學(xué)習(xí)實(shí)踐——基于MSP430系列 ［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［2］周杏鵬，仇國富，王壽榮，等 .現(xiàn)代檢測技術(shù) ［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［3］鄭先成，張曉斌，雷濤 .飛機(jī)供電系統(tǒng)交流電壓畸變測試方法 ［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38（10）:1750－1753.