基于單片機的降壓型DCDC變換實驗系統(tǒng)設(shè)計綜合設(shè)計說明

1、吉林化工學(xué)院信控學(xué)院專業(yè)綜合設(shè)計說明書基于單片機的降壓型DC-DC變換實驗系統(tǒng)設(shè)計吉林化工學(xué)院Jilin Institute of Chemical Technology課程設(shè)計任務(wù)書一設(shè)計題目：基于單片機的降壓型DC-DC變換實驗系統(tǒng)設(shè)計二設(shè)計目的1.理解降壓型DC-DC變換基本原理；2.掌握電力場效應(yīng)管、DLC濾波電路和MSP430單片機使用方法；3.理解MSP430單片機原理，掌握C430語言編程方法。4.掌握閉環(huán)穩(wěn)壓程序和系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)計方法。三設(shè)計任務(wù)及要求1.設(shè)計單片機和降壓型DC-DC變換實驗系統(tǒng)電路和系統(tǒng)監(jiān)控程序；2.制作單片機的降壓型DC-DC變換實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)PWM頻率1K

2、Hz、10KHz和20KHz可選，開環(huán)和閉環(huán)工作模式可選。閉環(huán)控制直流輸出電壓5V -15V可調(diào)，最大輸出電流1A，調(diào)壓步進值0.1V。作品中必須留有示波器、測量儀表測量端子和與實驗臺連接端子。3.撰寫設(shè)計說明書。四設(shè)計時間及進度安排5）,具體安排如下表：周安排設(shè) 計 內(nèi) 容設(shè)計時間第一周學(xué)習(xí)MSP430單片機使用方法，查找相關(guān)資料。設(shè)計基于單片機的降壓型DC-DC變換實驗系統(tǒng)電路圖。第二周設(shè)計MSP430單片機程序和焊裝基于單片機的降壓型DC-DC變換實驗系統(tǒng)。第三周完成基于單片機的降壓型DC-DC變換實驗系統(tǒng)調(diào)試，編寫設(shè)計說明書。提交作品及設(shè)計說明書，評定專業(yè)綜合設(shè)計成績。5五指導(dǎo)教師評語

3、及學(xué)生成績指導(dǎo)教師評語:2012年 09 月 15 日成績指導(dǎo)教師(簽字):目 錄課程設(shè)計任務(wù)書I第1章 專業(yè)綜合設(shè)計的目的1第2章 總體電路說明22.1 課題背景和意義22.2 DC-DC變換器的定義及分類22.3 DC-DC變換器的基本工作原理22.3.1 升壓斬波電路22.3.2 降壓斬波電路4第3章MSP430F169單片機系統(tǒng)63.1 MSP430F169單片機的簡介63.2 顯示器LCM12864簡介7第4章 降壓式DC-DC變換電路設(shè)計94.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計94.2 降壓式DC-DC轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計104.3 整流濾波電路的設(shè)計124.3.1 單相橋式整流電路134.3.2 濾波

4、電路134.3.3 穩(wěn)壓電路134.3 鍵盤電路設(shè)計13結(jié) 論15參考文獻16第1章 專業(yè)綜合設(shè)計的目的專業(yè)綜合設(shè)計是學(xué)生理論聯(lián)系實際的重要實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是對學(xué)生進行的一次綜合性專業(yè)設(shè)計訓(xùn)練。通過專業(yè)綜合設(shè)計使學(xué)生獲得以下幾方面能力，為畢業(yè)設(shè)計（論文）奠定基礎(chǔ)。1進一步鞏固和加深學(xué)生所學(xué)一門或幾門相關(guān)專業(yè)課（或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課）理論知識，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計、計算、繪圖、計算機應(yīng)用、文獻查閱、報告撰寫等基本技能；2培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力及獨立分析和解決工程實際問題的能力；3培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作精神、創(chuàng)新意識、嚴肅認真的治學(xué)態(tài)度和嚴謹求實的工作作風(fēng)。第2章 總體電路說明2.1 課題背景和意義DC-DC直流變換作為

5、開關(guān)電源的一個重要組成部分，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、家用電器、計算機、航天衛(wèi)星、軍事科研等領(lǐng)域中，用于對電能進行轉(zhuǎn)換、加工和調(diào)節(jié)。因此，近年來DC-DC變換器的研究倍受關(guān)注。隨著軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，新穎的控制方法不斷采用，DC-DC變換器也不斷的朝著高效率、高可靠性的模塊化開關(guān)電源方向發(fā)展。傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中的DC-DC變換是通過粗調(diào)波段開關(guān)及細調(diào)電位器來調(diào)節(jié)的，這種變換穩(wěn)壓精度不高、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易校準，而采用單片機的數(shù)字式控制能使DC-DC變換較好地解決了以上問題。2.2 DC-DC變換器的定義及分類直流斬波電路（DC Chopper）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，也成為

6、DC-DC變換器。DC-DC變換器的種類較多，包括6種基本的斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，其中前兩種是最基本的電路1。2.3 DC-DC變換器的基本工作原理降壓斬波電路和升壓斬波電路的應(yīng)用最為廣泛，理解了這兩種電路對理解其它類型的斬波電路有很大的幫助，下面分別對這兩種斬波電路的工作原理進行介紹。2.3.1 升壓斬波電路降壓斬波電路（Boost Chopper）如圖2-1所示。該電路中L是儲能電感；V是全控型器件；VD是二極管；C是儲能電容。圖2-1升壓斬波電路1工作原理：假設(shè)L和C值很大。V處于通態(tài)時，電源E向電感L

7、充電，電流恒定I1，電容C向負載R供電，輸出電壓Uo恒定。V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負載提供能量。升壓斬波電路的工作波形如圖2-2所示。圖2-2 升壓斬波電路工作波形2數(shù)量關(guān)系：（1）設(shè)V通態(tài)的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為；（2）設(shè)V斷態(tài)的時間為toff，則此期間電感L釋放能量為；（3）穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等。即 （2-1）化簡得： （2-2），輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路，T/toff為升壓比；升壓比的倒數(shù)記作，即 （2-3）和的關(guān)系： （2-4）因此，上式可表示為 （2-5）電壓升高的原因：電感L儲能起到使電壓泵升的作用，電容

8、C可將輸出電壓保持住如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負載R消耗，即。 （2-6） 其中I1是假設(shè)的電源電流平均值。與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器。輸出電流的平均值Io為： （2-7）2.3.2 降壓斬波電路降壓斬波電路（Buck Chopper）的電路結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。該電路中V是全控型器件；VD是續(xù)流二極管；L是儲能電感；EM是負載出現(xiàn)的反電動勢。典型的用途之一是拖動直流電機，也可帶蓄電池負載。圖2-3 降壓斬波電路圖2-4 降壓斬波電路工作波形圖1工作作原理（1）t=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負載供電，負載電壓，負載電流io按指數(shù)曲線上升。（2）t=t1時控

9、制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓Uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。降壓斬波電路波形圖如圖2-4所示。2數(shù)量關(guān)系（1）電流連續(xù)時負載電壓平均值設(shè)連續(xù)電流為Io，根據(jù)能量守恒定律，一個周期輸出能量為，負載和蓄電池吸收能量為，得： （2-9）其中，tonV通的時間；toffV斷的時間；a導(dǎo)通占空比。A小于等于1，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。負載電流平均值： （2-10）（2）電流斷續(xù)開關(guān)電源不允許出現(xiàn)狀態(tài)，Uo被抬高，可通過加大電感或提高PWM控制信號頻率方法解決。第3章MSP430F169單片機系統(tǒng)MSP430F169單片機系統(tǒng)是由單片機芯片、

10、時鐘電路、復(fù)位電路、顯示電路構(gòu)成。3.1 MSP430F169單片機的簡介MSP430系列是一個16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機，在1996 年問世，由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，已得到廣泛應(yīng)用。MSP430F169單片機結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示。MSP430F169單片機能在8MHz晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn)125ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現(xiàn)乘加）相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法（如 FFT等）。MSP430F169單片機的中斷源較多，使用時靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時，用中斷請求將它喚醒

11、只用6us。由于系統(tǒng)運行時打開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0LPM4）。在等待方式下，耗電為0.7uA，在低功耗方式下，最低可達0.1uA。上電復(fù)位后，首先由DCOCLK啟動CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用做CPU時鐘MCLK時發(fā)生故障，DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。圖3-1 MSP430F169單片機結(jié)構(gòu)圖3.2 顯示器LCM12864簡

12、介LCM12864顯示器是一款功能強大的液晶顯示器，可以顯示漢字、數(shù)字、字符以及圖形，只要在相關(guān)軟件中輸入想要顯示的數(shù)字、字符和漢字，就可生成相應(yīng)的數(shù)字編碼，將該編碼通過單片機按照一定的時序送入顯示器，即可實現(xiàn)顯示功能。LCM12864系列產(chǎn)品軟件特性如下： 1文字與圖形混合顯示功能 ；2畫面清除功能 ；3光標歸位功能 ；4. 顯示開/關(guān)功能 ；5光標顯示/隱藏功能； 6顯示字體閃爍功能 ；7光標移位功能； 8顯示移位功能； 9垂直畫面旋轉(zhuǎn)功能； 10反白顯示功能； 11休眠模式 。第4章 降壓式DC-DC變換電路設(shè)計本設(shè)計采用MSP430F169單片機作為系統(tǒng)控制單元，單片機通過按鍵或上位機

13、讀取用戶設(shè)置的輸出信號波形、頻率和幅值，再通過A/D轉(zhuǎn)換發(fā)出給定值，并通過程控放大和功率放大輸出設(shè)置的信號，設(shè)置及輸出信號參數(shù)通過LCM點陣顯示器顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示。圖4-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計MSP430F169單片機系統(tǒng)電路如圖4-2所示。由MSP430F169芯片、復(fù)位電路、低速時鐘電路（32768Hz）和高速時鐘電路（8MHz）等元件構(gòu)成6。圖4-2 MSP430F169單片機系統(tǒng)電路4.2 降壓式DC-DC轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計降壓斬波電路（Buck Chopper)電路結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。帶反電動勢負載電路如圖4所示，VD是續(xù)流二極管；EM是負載出現(xiàn)的反電動勢

14、；V是全控型器件。典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載。圖4-3降壓斬波電路1、作原理（1）t=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數(shù)曲線上升。（2）t=t1時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。降壓斬波電路波形圖如圖5所示。2、數(shù)量關(guān)系（1）電流連續(xù)時負載電壓平均值設(shè)連續(xù)電流為Io，根據(jù)能量守恒定律，一個周期輸出能量為，負載和蓄電池吸收能量為，得：其中，tonV通的時間；toffV斷的時間；a導(dǎo)通占空比。A小于等于1，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。負載電流平均值：（

15、2）電流斷續(xù)開關(guān)電源不允許出現(xiàn)狀態(tài)，Uo被抬高，可通過加大電感或提高PWM控制信號頻率方法解決。3、DC-DC變換整體電路將降壓斬波電路、MOSEET驅(qū)動電路、測試電路和反饋電路整體連接構(gòu)成降壓型DC_DC變換電路，如圖44所示。圖4-4 MSP430F169單片機硬件電路4.3 整流濾波電路的設(shè)計本設(shè)計的電源輸入為交流220V的電網(wǎng)電壓（即市電），通過交流變壓器將其轉(zhuǎn)換為10V的交流電，經(jīng)橋式整流電路和濾波電路后把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，如圖4-5所示。橋式整流與半波整流相比，輸出電壓的脈動小很多7。由于要進行DC-DC變換，對直流的要求不是很高，所以在整流后進行LC濾波，以減小整流后直流電中的

16、脈動成分。圖4-5整流濾波電路4.3.1 單相橋式整流電路變壓器的作用是將交流電網(wǎng)電壓u變成整流電路要求的交流電壓；四只整流二極管D1D4接成電橋的形式，固有橋式整流電路之稱。在電源電壓u的正、負半周內(nèi)電流通過負載方向相同，屬全波整流。4.3.2 濾波電路濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或在整流電路輸出端與負載間串聯(lián)電感器L，以及由電容、電感組合而成的各種濾波電路。對小負載的電源，僅采用電容慮波即可。4.3.3 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路是將不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓的集成電路，一般均采用穩(wěn)壓芯片制作穩(wěn)壓電路。由于穩(wěn)壓芯片具有穩(wěn)壓精度高、工

17、作穩(wěn)定可靠、外圍電路簡單、體積小、重量輕等顯箸優(yōu)點，在各種電源電路中得到了普遍的應(yīng)用。常用的穩(wěn)壓芯片有78XX和79XX系列，其中78XX系列為正電壓輸出，79XX系列為負電壓輸出，輸出電壓有5V、9V、12V、15V、18V等規(guī)格，最大輸出電流為1.5A。它的內(nèi)部含有限流保護、過熱保護和過壓保護電路，采用了噪聲低、溫度漂移小的基準電壓源，工作穩(wěn)定可靠，使用十分方便。4.3 鍵盤電路設(shè)計本系統(tǒng)能根據(jù)操作者的設(shè)定值輸出相應(yīng)的直流電壓，所需按鍵數(shù)量很少，可使用按鍵與單片機的I/O口直接連接的方法構(gòu)成，具體電路如圖4-6所示。本設(shè)計通過程序的手段消除和減小按鍵按下和按鍵放開過程中所產(chǎn)生的波動信號對系

18、統(tǒng)的影響。圖4-6 鍵盤電路結(jié) 論本設(shè)計介紹了基于MSP430F169單片機的降壓式DC-DC實驗系統(tǒng)設(shè)計。經(jīng)框圖設(shè)計，將電路主要劃分為MSP430單片機系統(tǒng)設(shè)計、降壓式DC-DC變換電路設(shè)計和PCB印刷電路板設(shè)計三個部分。MSP430F169單片機系統(tǒng)包括單片機芯片、時鐘電路、復(fù)位電路、按鍵電路和顯示電路。降壓式DC-DC變換電路主要包括整流濾波電路、DC-DC變換電路、PWM驅(qū)動電路。程序由MSP430系列單片機專用C語言C430編寫，程序經(jīng)驗證，達到了設(shè)計要求。本設(shè)計通過MSP430F169單片機產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)驅(qū)動信號后驅(qū)動DC-DC變換電路工作，同時具有按鍵設(shè)定和數(shù)據(jù)實時顯示等功能

19、。本設(shè)計通過理論分析和實驗證明，設(shè)計合理，達到了設(shè)計要求。參考文獻1 王兆安，黃俊. 電力電子技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，2000.2 胡大可. MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.3 沈建華. MSP430系列16位超低功耗單片機實踐與系統(tǒng)設(shè)計M.北京: 清華大學(xué)出版社， 2005.4 HE Yan-fei. Constant Current Source AnalysisJ.Department of Physics and Electronic Science，Hunan City University，Yiyang，Hunan413049，Ch