基于单片机的降压型DCDC变换实验系统设计综合设计说明书1

吉林化工学院信控学院专业综合设计说明书基于单片机的降压型DC-DC变换实验系统设计学生学号： 09580136 学生姓名： 崔虎 专业班级： 电气 0901 指导教师： 刘刚 职 称： 副教授 起止日期： 2012.08.272012.09.15 吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书课程设计任务书一设计题目：基于单片机的降压型DC-DC变换实验系统设计二设计目的1.理解降压型DC-DC变换基本原理；2.掌握电力场效应管、DLC滤波电路和MSP430单片机使用方法；3.理解MSP430单片机原理，掌握C430语言编程方法。4.掌握闭环稳压程序和系统监控程序设计方法。三设计任务及要求1.设计单片机和降压型DC-DC变换实验系统电路和系统监控程序；2.制作单片机的降压型DC-DC变换实验系统，实现PWM频率1KHz、10KHz和20KHz可选，开环和闭环工作模式可选。闭环控制直流输出电压5V -15V可调，最大输出电流1A，调压步进值0.1V。作品中必须留有示波器、测量仪表测量端子和与实验台连接端子。3.撰写设计说明书。四设计时间及进度安排设计时间共三周（2012.8.272012.09.15）,具体安排如下表：周安排设 计 内 容设计时间第一周学习MSP430单片机使用方法，查找相关资料。设计基于单片机的降压型DC-DC变换实验系统电路图。2012.08.272012.09.02第二周设计MSP430单片机程序和焊装基于单片机的降压型DC-DC变换实验系统。2012.09.032012.09.09第三周完成基于单片机的降压型DC-DC变换实验系统调试，编写设计说明书。提交作品及设计说明书，评定专业综合设计成绩。2012.09.102012.09.15五指导教师评语及学生成绩指导教师评语:2012年 09 月 15 日成绩指导教师(签字):- I -目 录课程设计任务书I第1章 专业综合设计的目的1第2章 总体电路说明22.1 课题背景和意义22.2 DC-DC变换器的定义及分类22.3 DC-DC变换器的基本工作原理22.3.1 升压斩波电路22.3.2 降压斩波电路4第3章MSP430F169单片机系统63.1 MSP430F169单片机的简介63.2 显示器LCM12864简介7第4章 降压式DC-DC变换电路设计94.1系统硬件电路设计94.2 降压式DC-DC转换电路的设计104.3 整流滤波电路的设计124.3.1 单相桥式整流电路134.3.2 滤波电路134.3.3 稳压电路134.3 键盘电路设计13结 论15参考文献16- III -第1章 专业综合设计的目的专业综合设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。通过专业综合设计使学生获得以下几方面能力，为毕业设计（论文）奠定基础。1进一步巩固和加深学生所学一门或几门相关专业课（或专业基础课）理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能；2培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力；3培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风。第2章 总体电路说明2.1 课题背景和意义DC-DC直流变换作为开关电源的一个重要组成部分，广泛应用于工业生产、家用电器、计算机、航天卫星、军事科研等领域中，用于对电能进行转换、加工和调节。因此，近年来DC-DC变换器的研究倍受关注。随着软开关技术的发展，新颖的控制方法不断采用，DC-DC变换器也不断的朝着高效率、高可靠性的模块化开关电源方向发展。传统直流稳压电源中的DC-DC变换是通过粗调波段开关及细调电位器来调节的，这种变换稳压精度不高、电路结构复杂、不易校准，而采用单片机的数字式控制能使DC-DC变换较好地解决了以上问题。2.2 DC-DC变换器的定义及分类直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也成为DC-DC变换器。DC-DC变换器的种类较多，包括6种基本的斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路1。2.3 DC-DC变换器的基本工作原理降压斩波电路和升压斩波电路的应用最为广泛，理解了这两种电路对理解其它类型的斩波电路有很大的帮助，下面分别对这两种斩波电路的工作原理进行介绍。2.3.1 升压斩波电路降压斩波电路（Boost Chopper）如图2-1所示。该电路中L是储能电感；V是全控型器件；VD是二极管；C是储能电容。图2-1升压斩波电路1工作原理：假设L和C值很大。V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。升压斩波电路的工作波形如图2-2所示。图2-2 升压斩波电路工作波形2数量关系：（1）设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为；（2）设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为；（3）稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等。即 （2-1）化简得： （2-2），输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路，T/toff为升压比；升压比的倒数记作，即 （2-3）和的关系： （2-4）因此，上式可表示为 （2-5）电压升高的原因：电感L储能起到使电压泵升的作用，电容C可将输出电压保持住如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即。 （2-6） 其中I1是假设的电源电流平均值。与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。输出电流的平均值Io为： （2-7）2.3.2 降压斩波电路降压斩波电路（Buck Chopper）的电路结构如图2-3所示。该电路中V是全控型器件；VD是续流二极管；L是储能电感；EM是负载出现的反电动势。典型的用途之一是拖动直流电机，也可带蓄电池负载。图2-3 降压斩波电路图2-4 降压斩波电路工作波形图1工作作原理（1）t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压，负载电流io按指数曲线上升。（2）t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压Uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。降压斩波电路波形图如图2-4所示。2数量关系（1）电流连续时负载电压平均值设连续电流为Io，根据能量守恒定律，一个周期输出能量为，负载和蓄电池吸收能量为，得： （2-9）其中，tonV通的时间；toffV断的时间；a导通占空比。A小于等于1，可将降压斩波器看作直流降压变压器。负载电流平均值： （2-10）（2）电流断续开关电源不允许出现状态，Uo被抬高，可通过加大电感或提高PWM控制信号频率方法解决。第3章MSP430F169单片机系统MSP430F169单片机系统是由单片机芯片、时钟电路、复位电路、显示电路构成。3.1 MSP430F169单片机的简介MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在1996 年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已得到广泛应用。MSP430F169单片机结构图如图3-1所示。MSP430F169单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT等）。MSP430F169单片机的中断源较多，使用时灵活方便。当系统处于省电的低功耗状态时，用中断请求将它唤醒只用6us。由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0LPM4）。在等待方式下，耗电为0.7uA，在低功耗方式下，最低可达0.1uA。上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。图3-1 MSP430F169单片机结构图3.2 显示器LCM12864简介LCM12864显示器是一款功能强大的液晶显示器，可以显示汉字、数字、字符以及图形，只要在相关软件中输入想要显示的数字、字符和汉字，就可生成相应的数字编码，将该编码通过单片机按照一定的时序送入显示器，即可实现显示功能。LCM12864系列产品软件特性如下： 1文字与图形混合显示功能 ；2画面清除功能 ；3光标归位功能 ；4. 显示开/关功能 ；5光标显示/隐藏功能； 6显示字体闪烁功能 ；7光标移位功能； 8显示移位功能； 9垂直画面旋转功能； 10反白显示功能； 11休眠模式 。第4章 降压式DC-DC变换电路设计本设计采用MSP430F169单片机作为系统控制单元，单片机通过按键或上位机读取用户设置的输出信号波形、频率和幅值，再通过A/D转换发出给定值，并通过程控放大和功率放大输出设置的信号，设置及输出信号参数通过LCM点阵显示器显示。系统结构框图如图4-1所示。图4-1 系统结构框图4.1系统硬件电路设计MSP430F169单片机系统电路如图4-2所示。由MSP430F169芯片、复位电路、低速时钟电路（32768Hz）和高速时钟电路（8MHz）等元件构成6。图4-2 MSP430F169单片机系统电路4.2 降压式DC-DC转换电路的设计降压斩波电路（Buck Chopper)电路结构如图4-3所示。带反电动势负载电路如图4所示，VD是续流二极管；EM是负载出现的反电动势；V是全控型器件。典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。图4-3降压斩波电路1、作原理（1）t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。（2）t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。降压斩波电路波形图如图5所示。2、数量关系（1）电流连续时负载电压平均值设连续电流为Io，根据能量守恒定律，一个周期输出能量为，负载和蓄电池吸收能量为，得：其中，tonV通的时间；toffV断的时间；a导通占空比。A小于等于1，可将降压斩波器看作直流降压变压器。负载电流平均值：（2）电流断续开关电源不允许出现状态，Uo被抬高，可通过加大电感或提高PWM控制信号频率方法解决。3、DC-DC变换整体电路将降压斩波电路、MOSEET驱动电路、测试电路和反馈电路整体连接构成降压型DC_DC变换电路，如图44所示。图4-4 MSP430F169单片机硬件电路4.3 整流滤波电路的设计本设计的电源输入为交流220V的电网电压（即市电），通过交流变压器将其转换为10V的交流电，经桥式整流电路和滤波电路后把交流电转换为直流电，如图4-5所示。桥式整流与半波整流相比，输出电压的脉动小很多7。由于要进行DC-DC变换，对直流的要求不是很高，所以在整流后进行LC滤波，以减小整流后直流电中的脉动成分。图4-5整流滤波电路4.3.1 单相桥式整流电路变压器的作用是将交流电网电压u变成整流电路要求的交流电压；四只整流二极管D1D4接成电桥的形式，固有桥式整流电路之称。在电源电压u的正、负半周内电流通过负载方向相同，属全波整流。4.3.2 滤波电路滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或在整流电路输出端与负载间串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种滤波电路。对小负载的电源，仅采用电容虑波即可。4.3.3 稳压电路稳压电路是将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路，一般均采用稳压芯片制作稳压电路。由于稳压芯片具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显箸优点，在各种电源电路中得到了普遍的应用。常用的稳压芯片有78XX和79XX系列，其中78XX系列为正电压输出，79XX系列为负电压输出，输出电压有5V、9V、12V、15V、18V等规格，最大输出电流为1.5A。它的内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠，使用十分方便。4.3 键盘电路设计本系统能根据操作者的设定值输出相应的直流电压，所需按键数量很少，可使用按键与单片机的I/O口直接连接的方法构成，具体电路如图4-6所示。本设计通过程序的手段消除和减小按键按下和按键放开过程中所产生的波动信号对系统的影响。图4-6 键盘电路结 论本设计介绍了基于MSP430F169单片机的降压式DC-DC实验系统设计。经框图设计，将电路主要划分为MSP430单片机系统设计、降压式DC-DC变换电路设计和PCB印刷电路板设计三个部分。MSP430F169单片机系统包括单片机芯片、时钟电路、复位电路、按键电路和显示电路。降压式DC-DC变换电路主要包括整流滤波电路、DC-DC变换电路、PWM驱动电路。程序由MSP430系列单片机专用C语言C430编写，程序经验证，达到了设计要求。本设计通过MSP430F169单片机产生的PWM信号经驱动信号后驱动DC-DC变换电路工作，同时具有按键设定和数据实时显示等功能。本设计通过理论分析和实验证明，设计合理，达到了设计要求。参考文献1 王兆安，黄俊. 电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2000.2 胡大可. MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机M.北京：北京航空航天大学出版社，2001.3 沈建华. MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计M.北京: 清华大学出版社， 2005.4 HE Yan-fei. Constant Current Source AnalysisJ.Department of Physics and Electronic Science，Hunan City University，Yiyang，Hunan413049，China.5 Jiang Yinping. Intelligent Flow Totalizer Based on MSP430 Mixed Single Microcontroller J.IEEE Sensors Applications Symposium，2007(2)：1-6.6 廖从研，曲梦可，荣誉，尹雪莉. 基于MSP430单片机的多路电气量检测装置的设计J，仪器仪表学报2006，29(4)：32-33.7 刘陵顺，鲁芳. 一种高精度开关稳压电源的设计J.仪表技术，2000，29(4)：45-46.8 Yu-Hung Hsiaom，Min-Chih. Huang. Development of MSP430 Based Underwater Acoustic Recorder with Muiti-MCU Framework J.IEEE Press，2007(4)：101-106.9 江莺，王宏华. 0C196KC单片机开关稳压电源的设计J.2004，33(6)：99-100.10 田晓梅，王月姣. 嵌入式C语言在工程编程中的应用技巧J.中南民族大学学报(自然科学版)，2005，24(1)：11-12.11 张毅刚，彭喜元等. 单片机原理及应用M.北京：高等教育出版社，201012 赵晶. Protel99高级应用M.北京：人民邮电出版社，200213 刘祖明. Protel DXP2004入门与提高M.北京：电子工业出版社，2010 - 15 -