基于MSP430单片机的渔探仪升降控制系统设计

李彩菊

（中国船舶重工集团公司 第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

渔探仪升降控制系统是渔探仪产品中非常重要但又相对独立的一部分。该系统要求能在较远距离进行升降控制，且可靠性要高。随着自动化控制和单片机测控技术的发展，可以将其应用到自动控制系统来完成渔探仪升降控制系统设计，实现远距离控制并增加可靠性。

本系统采用美国德克萨斯仪器公司的超低功耗单片机 MSP430F1611作为控制核心［1］，利用其丰富的片内资源，实现了更多人性化功能。系统采用步进电机［2］带动升降装置齿轮转动，齿轮传动驱动丝杠来带动升降装置主轴的升降，从而完成对渔探仪升降控制系统的可靠设计。

1 基本原理

渔探仪升降控制系统主要包含5部分：以MSP430F1611单片机为核心控制芯片的控制电路板、控制面板、步进电机驱动器及步进电机、电源模块和升降装置。其中，控制面板在驾驶室内，其他部分在船舱底部，两者通过线缆连接。渔探仪升降控制系统框图如图1所示。

核心控制芯片MSP430F1611接收控制面板指令（包含启动、上升／下降等），并进行分析，输出步进电机驱动器所需的使能信号、方向信号及脉冲信号，从而控制步进电机按规定方向转动，带动升降装置进行上升或下降运动。同时，单片机接收升降装置的上限位及下限位信号，将升降装置的运行状态实时发送到控制面板，以指示灯形式显示。升降装置在其行程的上端和下端分别装有行程开关，当升降装置主轴碰到行程开关后，反馈信号给控制电路板，通过单片机和通断控制电路完成对电机的停止控制。电源模块的作用是将220V交流电源转换为+24V直流电源供给控制电路板和控制面板。

图1 渔探仪升降控制系统框图

2 硬件结构设计

2.1 控制面板设计

控制面板的主要作用是对升降控制系统上电，然后向控制电路板发送启动、上升／下降控制信号，并通过上升状态／下降状态指示灯实时显示升降装置的运行状态。在渔探仪升降控制系统使用过程中，控制面板位于驾驶室，距控制电路板和升降装置等有较远距离（大于100m），考虑到信号衰减，因此启动信号、方向信号及状态信号均选用24V信号。控制面板如图2所示。电源按钮为红色指示灯开关，通电正常则红色指示灯常亮。启动／停止按钮为绿色指示灯开关，按下绿灯常亮，表示启动指令，再按绿灯灭，表示停止。方向选择开关为二段维持90°＿V型选择开关，旋转分别对应上升和下降方向。上升状态／下降状态红色指示灯常亮对应表示已经到上限位／下限位，该红色指示灯闪烁表示正在上升运动／下降运动。

2.2 控制电路板设计

2.2.1 控制电路板原理

控制电路板的主要功能是接收控制面板的指令，结合升降装置的反馈信息，分析判断升降装置的运行状态，向电机驱动器输出使能信号、方向信号和脉冲信号，并向控制面板实时反馈升降装置的运行状态信息。当升降装置上升／下降碰到行程开关后，立即断开脉冲信号。

图2 控制面板

控制电路板以MSP430F1611单片机为核心控制芯片，包含电源转换电路、电平转换电路、MSP430F1611单片机最小系统、驱动电路和通断控制电路。控制电路板结构框图如图3所示。

电源转换电路的作用是将+24V电源转换成所需的+5V和+3.3V电源。电平转换电路主要是将+24V控制信号转换成单片机所需的+3.3V信号，并将单片机输出的+3.3V状态信号转换成+24V信号传送给控制面板，电平转换电路选用东芝光隔芯片TLP521，该光隔不仅可以进行电平转换，还对输入、输出信号具有隔离作用。因所选步进电机驱动器所需脉冲驱动电流为7mA～18mA，而单片机IO管脚驱动能力最大6mA，因此选择TI公司的驱动芯片ULN2003V12DR，该款芯片为7通道高电流下沉式驱动器，当所有7个通道并联时，ULN2003V12DR能够支持高达1A的负载电流。

图3 控制电路板结构框图

2.2.2 通断控制电路设计

通断控制电路在本系统中非常重要。当升降装置主轴运行碰到行程开关后，需立刻停止运动。控制面板换向后，升降装置又可反方向运动。为提高渔探仪升降控制系统的可靠性，通断控制设计采用软件通断和硬件电路通断双重控制。软件通断控制主要是依靠核心控制芯片MSP430F1611单片机，当单片机检测到升降装置主轴碰到行程开关后，立刻停止脉冲输出，并输出使能禁止信号。当单片机检测到控制面板换向后，继续输出使能信号、方向信号和脉冲信号，则升降装置反方向运行。硬件电路通断控制设计主要是通过与非门逻辑组合控制继电器通断，从而控制脉冲信号的通断。通断控制电路图如图4所示。

图4 通断控制电路图

图4中，D1、D2、D3为与非门芯片，D4为驱动芯片，KA为继电器；Dir为控制面板方向选择信号，设上升对应高电平Dir=1，下降对应低电平Dir=0；K1为上限位信号，K2为下限位信号，当升降装置主轴未碰到行程开关时，K1和K2均上拉为高电平，表示为K1=1，K2=1；当升降装置主轴碰到行程开关后，对应限位信号变为低电平0。逻辑组合公式表达为：

该公式用组合逻辑框图表示，如图5所示。

初始状态时，升降装置主轴未碰到上、下行程开关，即K1=1，K2=1。选择控制面板方向为下降档，对应Dir=0，将Dir=0、K1=1和K2=1代入公式（1）得True=1，经驱动芯片ULN2003V12DR变成低电平Ctrl=0V，继电器线圈通电，脉冲信号Pulse接通电机驱动器接口Pulse＿QDQ，电机转动，带动升降装置向下运动。当升降装置主轴碰到下行程开关后，K2=0。此时，Dir和K1保持不变，将Dir=0、K1=1和K2=0代入公式（1）得True=0，对应Ctrl=5V，继电器线圈断电，脉冲信号Pulse与电机驱动器接口Pulse＿QDQ断开，电机停止转动，升降装置停止运动。此时控制面板换向，即Dir=1，但K1和K2保持上一状态不变，即 K1=1、K2=0。将Dir=1、K1=1和K2=0代入公式（1）得True=1，对应Ctrl=0V，继电器线圈又重新通电，脉冲信号Pulse接通电机驱动器接口Pulse＿QDQ，电机反方向转动，带动升降装置向上运动，直到碰到上行程开关，即K1=0，此时，Dir和K2保持上一状态不变，将Dir=1、K1=0和K2=1代入公式（1）得True=0，升降装置停止运动。按此原理，升降装置可按照控制面板选择方向可靠运行。

图5 组合逻辑框图

3 软件设计

本系统主要利用了MSP430F1611单片机的定时／计数模块TIMER＿A和TIMER＿B，以及其丰富的I／O引脚功能。通过TIMER＿B的定时功能定时循环检测控制面板信号（启动信号和方向信号）及行程开关信号，并判定升降装置状态，包含上升、下降、上升限位、下降限位和停止5种状态，然后对应每种状态信号输出。

在上升／下降状态，利用TIMER＿A的PWM功能输出脉冲［3］。因升降装置机械设计所要求的电机转速较高，系统要求每次电机停止后重新转动时均需要进行加速。软件设定合适的加速度，在每个定时周期50ms进行一次加速，即改变PWM脉冲输出频率，电机加速到系统设计的最高转速后保持，直到升降装置主轴碰到行程开关或者接收到面板停止信号。

考虑到实际操作的简单可控性，系统设计在上升和下降过程中换向无效，需按停止按钮或者升降装置主轴碰到行程开关后换向才可以。渔探仪升降控制系统工作流程如图6所示。

图6 渔探仪升降控制系统工作流程图

4 结论

本控制系统采用MSP430F1611单片机控制步进电机，实现了远距离准确控制升降装置升降的功能。因该系统应用于渔探仪配套产品，对可靠性要求格外高，故本系统采用软件和硬件双重控制的方式，既避免了软件运行带来的不可预测的问题，又避免了因误操作带来的不良影响，大大提高了系统的可靠性。在后续渔探仪配套产品中，考虑将单一的升降控制改为精确的距离控制，可将渔探仪上升／下降到指定的位置上，使用更方便、更人性化。

［1］ 王海群.多功能低功耗的十六位单片机MSP430［J］.上海大中型电机，2003（2）：20-22.

［2］ 张朋涛，肖世德，黄灿泉.基于MSP430单片机的步进电机控制系统设计［J］.机电工程技术，2005，34（11）：36-37.

［3］ 张建鹏，刘世前，敬忠良.基于MSP430的舵机控制系统设计［J］.微电机，2010，43（1）：46-49.