基于單片機的降壓型DC_DC變換實驗系統(tǒng)設計綜合設計說明書

1、 PAGE15 / NUMPAGES20化工學院信控學院專業(yè)綜合設計說明書基于單片機的降壓型DC-DC變換實驗系統(tǒng)設計化工學院Jilin Institute of Chemical Technology課程設計任務書一設計題目：基于單片機的降壓型DC-DC變換實驗系統(tǒng)設計二設計目的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)控程序設計方法。三設計任務與要求1.設計單片機和降壓型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

2、變換實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)PWM頻率1KHz、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.撰寫設計說明書。四設計時間與進度安排設計時間共三周（2012.8.272012.09.15）,具體安排如下表：周安排設 計 容設計時間第一周學習MSP430單片機使用方法，查找相關(guān)資料。設計基于單片機的降壓型DC-DC變換實驗系統(tǒng)電路圖。2012.08.272012.09.02第二周設計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)。2012.0

3、9.032012.09.09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，編寫設計說明書。提交作品與設計說明書，評定專業(yè)綜合設計成績。2012.09.102012.09.15五指導教師評語與學生成績指導教師評語:2012年 09 月 15 日成績指導教師(簽字):目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc335709196課程設計任務書 PAGEREF _Toc335709196 h IHYPERLINK l _Toc335709197第1章專業(yè)綜合設計的目的 PAGEREF _Toc335709197 h 1HYPERLINK l _Toc335709

4、198第2章總體電路說明 PAGEREF _Toc335709198 h 2HYPERLINK l _Toc3357091992.1 課題背景和意義 PAGEREF _Toc335709199 h 2HYPERLINK l _Toc3357092002.2 DC-DC變換器的定義與分類 PAGEREF _Toc335709200 h 2HYPERLINK l _Toc3357092012.3 DC-DC變換器的基本工作原理 PAGEREF _Toc335709201 h 2HYPERLINK l _Toc3357092022.3.1 升壓斬波電路 PAGEREF _Toc335709202 h

5、 2HYPERLINK l _Toc3357092032.3.2 降壓斬波電路 PAGEREF _Toc335709203 h 4HYPERLINK l _Toc335709204第3章MSP430F169單片機系統(tǒng) PAGEREF _Toc335709204 h 6HYPERLINK l _Toc3357092053.1 MSP430F169單片機的簡介 PAGEREF _Toc335709205 h 6HYPERLINK l _Toc3357092063.2 顯示器LCM12864簡介 PAGEREF _Toc335709206 h 7HYPERLINK l _Toc335709207第4

6、章降壓式DC-DC變換電路設計 PAGEREF _Toc335709207 h 9HYPERLINK l _Toc3357092084.1系統(tǒng)硬件電路設計 PAGEREF _Toc335709208 h 9HYPERLINK l _Toc3357092094.2 降壓式DC-DC轉(zhuǎn)換電路的設計 PAGEREF _Toc335709209 h 10HYPERLINK l _Toc3357092104.3 整流濾波電路的設計 PAGEREF _Toc335709210 h 12HYPERLINK l _Toc3357092114.3.1 單相橋式整流電路 PAGEREF _Toc335709211

7、 h 13HYPERLINK l _Toc3357092124.3.2 濾波電路 PAGEREF _Toc335709212 h 13HYPERLINK l _Toc3357092134.3.3 穩(wěn)壓電路 PAGEREF _Toc335709213 h 13HYPERLINK l _Toc3357092144.3 鍵盤電路設計 PAGEREF _Toc335709214 h 13HYPERLINK l _Toc335709215結(jié)論 PAGEREF _Toc335709215 h 15HYPERLINK l _Toc335709216參考文獻 PAGEREF _Toc335709216 h 1

8、6第1章 專業(yè)綜合設計的目的專業(yè)綜合設計是學生理論聯(lián)系實際的重要實踐教學環(huán)節(jié)，是對學生進行的一次綜合性專業(yè)設計訓練。通過專業(yè)綜合設計使學生獲得以下幾方面能力，為畢業(yè)設計（論文）奠定基礎(chǔ)。1進一步鞏固和加深學生所學一門或幾門相關(guān)專業(yè)課（或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課）理論知識，培養(yǎng)學生設計、計算、繪圖、計算機應用、文獻查閱、報告撰寫等基本技能；2培養(yǎng)學生實踐動手能力與獨立分析和解決工程實際問題的能力；3培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神、創(chuàng)新意識、嚴肅認真的治學態(tài)度和嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L。第2章 總體電路說明2.1 課題背景和意義DC-DC直流變換作為開關(guān)電源的一個重要組成部分，廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、家用電器、計算機、航天衛(wèi)星、軍事

9、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)與細調(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變換器的定義與分類直流斬波電路（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

10、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L和C值很大。V處于通態(tài)時，電源E向電感L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

11、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V通態(tài)的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為；（2）設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。

12、 （2-6）其中I1是假設的電源電流平均值。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

13、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、時鐘電路、復位電路、顯示電路構(gòu)成。3.1 MSP430F169單片機的簡介MSP4

14、30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、豐富的片外設和方便靈活的開發(fā)手段，已得到廣泛應用。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的指令周期以與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。當系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時，用中斷請求將它喚醒只用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

15、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與穩(wěn)定時間。然后軟件可設置適當?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，可用看門狗將其復位。圖3-1 MSP430F169單片機結(jié)構(gòu)圖3.2 顯示器LCM12864簡介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、字符以與圖形

16、，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變換電路設計本設計采用MSP430F169單片機作為系統(tǒng)控制單元，單片機通過按鍵或上位機讀取用戶設置的輸出信號波形、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

17、功率放大輸出設置的信號，設置與輸出信號參數(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)硬件電路設計MSP430F169單片機系統(tǒng)電路如圖4-2所示。由MSP430F169芯片、復位電路、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；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

18、路1、作原理（1）t=0時刻驅(qū)動V導通，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）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

19、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 整流濾波電路的設計本設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

20、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、負半周電流通過負載方向一樣，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，以與由電容、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用。

21、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 鍵盤電路設計本系統(tǒng)能根據(jù)操作者的設定值輸出相應的直流電壓，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)生的波動信號對系統(tǒng)的影響。圖4-6 鍵盤電路結(jié) 論本設計介紹了基于MSP430F169單片機的降壓式DC

22、-DC實驗系統(tǒng)設計。經(jīng)框圖設計，將電路主要劃分為MSP430單片機系統(tǒng)設計、降壓式DC-DC變換電路設計和PCB印刷電路板設計三個部分。MSP430F169單片機系統(tǒng)包括單片機芯片、時鐘電路、復位電路、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，達到了設計要求。本設計通過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，同時具有按鍵設定和數(shù)據(jù)實時顯示等功能。本設計通過理論分析和實驗證明，設計合理，達到了設計要求。參考文獻1 王兆安，黃俊. 電力電子技術(shù)M.：機械工業(yè)，2000.2 胡大可. MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機M.：航空航天大學，2001.3 建華. MSP430系列16位超低功耗單片機實踐與系統(tǒng)設計M.: 清華大學，2005.4 HE Yan-fei. Constant Current Source AnalysisJ.Department of Phy