【正文】 本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題 目：基于MSP430單片機(jī)的數(shù)控穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)學(xué) 院： 自動(dòng)化工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 姓 名： 趙金洋 指導(dǎo)教師： 傅強(qiáng) 2012年 5月 27 日42 / 47The design of CNC linear regulated power supply based on the MSP430摘 要本文介紹了基于MSP430單片機(jī)的高精度數(shù)控穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)制作的數(shù)控電源可以實(shí)現(xiàn)鍵盤控制輸入，實(shí)時(shí)顯示輸入輸出電壓電流，并具有智能上電掉電保護(hù)、限流輸出與短路保護(hù)等功能，具有易于操作、精度高、穩(wěn)定度好、安全性強(qiáng)等特點(diǎn)。文中主要闡述了變壓模塊、電壓調(diào)整模塊、采樣模塊、反饋模塊、鍵盤輸入模塊、液晶模塊以及單片機(jī)控制模塊的原理設(shè)計(jì)與詳細(xì)的制作流程。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以16位的MSP430單片機(jī)為核心，完成對(duì)數(shù)據(jù)的測(cè)量和處理，控制輸出電壓的變化，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)模擬仿真與實(shí)物測(cè)試分析，基本滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)，取得了良好的效果。關(guān)鍵詞 數(shù)控電源 線性電源 智能 MSP430 AbstractThis article describes a design of highprecisI/On CNC regulated power supply based on MSP430 microcontroller, the design of digitally controlled power can control keyboard input, display of input and output voltage and current at realtime, and intelligent power brownout protectI/On, current limiting output short circuit protectI/On, with easyoperatI/On, high accuracy, stability and security. This article described the main transformer module and voltage regulator modules, sampling module, feedback module, the principles of design of the keyboard input module, LCD module and MCU control module and detailed productI/On process. Overall system design is based on 16bit MSP430 microcontroller as the core to plete the measurement and processing of D/Ata, control the output voltage, the whole system via the simulatI/On and physical testing and analysis, and basic to meet the design specificatI/Ons, and achieved good results .Keywords CNC power supply Linear power Intelligent MSP430目 錄前 言 1第1章 數(shù)控線性穩(wěn)壓電源研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向 2 選題的背景和意義 2 選題背景 2 意義 3 研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向 3 研究現(xiàn)狀 3 發(fā)展方向 4第2章 線性穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì)思路及方案論證 5 初步設(shè)計(jì)的系統(tǒng)整體框圖 5 設(shè)計(jì)思路 5 各個(gè)模塊方案論證 5 控制器的選擇 5 關(guān)于電壓調(diào)整方式 6 整流電路方案選擇 6 濾波電路論證 10 分立元件和集成可調(diào)穩(wěn)壓器 12 閉環(huán)負(fù)反饋方法案選擇 13 輸出帶載方式 13 鍵盤論證 14 輸出顯示方式論證 14 過(guò)流保護(hù)方案論證 15第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 系統(tǒng)的整體框圖及總體描述 17 變壓器部分 18 整流橋部分 18 濾波電容部分 19 調(diào)整管電路設(shè)計(jì) 19 反饋電路設(shè)計(jì) 20 電壓負(fù)反饋電路 21 電流負(fù)反饋電路 22 反饋回路的配合實(shí)現(xiàn) 23 采樣電路 23 單片機(jī)控制模塊 24 電源部分 25 復(fù)位電路 25 時(shí)鐘源電路 25 通訊接口 25 參考電壓 25 內(nèi)部供電電路設(shè)計(jì) 26 鍵盤顯示電路 27 保護(hù)電路 27 上電保護(hù) 28 失電保護(hù) 28第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29 系統(tǒng)軟件流程圖 29第5章 系統(tǒng)測(cè)試 30 測(cè)試工具 30 各個(gè)功能模塊的測(cè)試 30 各個(gè)模塊進(jìn)行聯(lián)調(diào)及分析 31結(jié)束語(yǔ) 34謝 辭 35參考文獻(xiàn) 36附 錄 37前 言在社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科技蓬勃發(fā)展的今天，電能得到了廣泛的利用，電力電子技術(shù)作為電能最廣泛的應(yīng)用技術(shù)之一，也得到了飛快的發(fā)展，其中電源技術(shù)的不斷進(jìn)步與創(chuàng)新對(duì)此起到了很關(guān)鍵的作用。電源技術(shù)尤其是直流穩(wěn)壓電源技術(shù)服務(wù)于各行各業(yè)，它融合了電氣、電子、電磁、系統(tǒng)集成、自動(dòng)控制、現(xiàn)代控制、材料學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)。計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)的發(fā)展，帶來(lái)了第三次科學(xué)技術(shù)革命，在給予電源技術(shù)廣闊的發(fā)展空間的同時(shí)也對(duì)電源的性能提出了更高的要求。由于電力電子元件的特性，幾乎所有的電子設(shè)備都需要在可靠、穩(wěn)定的電源電路的支持下才能正常的工作，因此穩(wěn)壓電源是電子電路設(shè)計(jì)與分析過(guò)程中的必備設(shè)備，如果電源工作狀態(tài)不穩(wěn)定，會(huì)對(duì)電子設(shè)備的部分功能產(chǎn)生影響，甚至?xí)绊懻麄€(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定從而會(huì)造成許多不良的后果。穩(wěn)壓電源按照分類標(biāo)準(zhǔn)不同有很多不同的分類，例如按輸出電源的類型分類可分為直流穩(wěn)壓電源和交流穩(wěn)壓電源；按照電源與負(fù)載的連接方式可分為串聯(lián)型穩(wěn)壓電源和并聯(lián)型穩(wěn)壓電源；又按調(diào)整管的工作狀態(tài)分為線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源等。通常情況下電子設(shè)備在正常工作時(shí)都需要提供恒定的直流電能，因此直流線性穩(wěn)壓電源在電源技術(shù)中占有很重要的地位。目前的線性穩(wěn)壓電源按控制方式不同大致分為兩類：一類是模擬電源，另一類是數(shù)字電源，模擬電源的系統(tǒng)電路均采用模擬器件控制，而后者則是通過(guò)數(shù)字電路進(jìn)行控制?，F(xiàn)在直流穩(wěn)壓電源越來(lái)越朝著數(shù)字化的方向發(fā)展，因此研究數(shù)控直流穩(wěn)壓電源是很有必要的。以單片機(jī)為核心的新一代數(shù)控直流穩(wěn)壓電源不但硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模塊性強(qiáng)，成本低，生產(chǎn)效率高，利于工廠大規(guī)模生產(chǎn)，而且采用單片機(jī)控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的輸出量進(jìn)行信息采集與分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的自動(dòng)控制與反饋，可以大大提高電源輸出的穩(wěn)定性和控制精度，同時(shí)它還具有自我保護(hù)功能和自恢復(fù)功能，智能檢測(cè)可能出現(xiàn)的故障，并根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果采取預(yù)定的保護(hù)措施，極大地降低了模擬電路的故障率，并且操作方便，調(diào)試簡(jiǎn)單，體積小，可靠性高，具有很高的實(shí)用價(jià)值。本文對(duì)基于MSP430單片機(jī)的數(shù)控直流線性穩(wěn)壓電源進(jìn)行了初步的研究與設(shè)計(jì)，以達(dá)到進(jìn)一步了解數(shù)控線性穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用的目的。第1章 數(shù)控線性穩(wěn)壓電源研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向 選題的背景和意義 選題背景 常用的直流穩(wěn)壓電源按調(diào)整管的工作狀態(tài)一般可分為兩類，一類是比較簡(jiǎn)單的電子設(shè)備中廣泛使用的線性穩(wěn)壓電源，比如教學(xué)實(shí)驗(yàn)用電源、電解/電鍍用電源、收音機(jī)電源等；另一類是各種大功率的設(shè)備中廣泛使用的開關(guān)穩(wěn)壓電源，比如微型計(jì)算機(jī)適配器、大功率功放電源、常用的充電器等。線性穩(wěn)壓電源主要包括工頻變壓器、輸出整流濾波電路、控制電路、主電路、保護(hù)電路等五部分組成，它是先將220V交流市電經(jīng)過(guò)變壓器變壓得到低壓交流電，再經(jīng)過(guò)整流電路，整流得到有脈動(dòng)的直流，經(jīng)過(guò)濾波電路對(duì)整流輸出的直流進(jìn)行濾波，得到相對(duì)穩(wěn)定的沒(méi)有脈動(dòng)的直流電，然后進(jìn)入調(diào)整電路，將電壓恒定的直流電轉(zhuǎn)化成輸出電壓受控制電路控制的直流電能，并通過(guò)反饋電路調(diào)整輸出電壓，提高輸出電壓的精度，現(xiàn)在這種電源的技術(shù)很成熟，可以達(dá)到很高精度和穩(wěn)定度，輸出電壓波紋也很小，而且沒(méi)有開關(guān)電源對(duì)外具有的干擾與噪音，但是它最大的缺點(diǎn)是需要龐大而笨重的工頻變壓器，濾波電路的電容體積和重量也相當(dāng)大，而且電壓調(diào)整電路是工作在線性狀態(tài)，電源主電路的輸入電流與電源的輸出電流一致，而主電路上的電壓降為輸入和輸出電壓的差值，在輸出電壓較小而輸出較大的電流時(shí)，調(diào)整管上的功耗太大，轉(zhuǎn)換效率低（一般線性電源的效率只有30～40%），所以還需要安裝很大的散熱片。與線性電源相反，開關(guān)電源具有體積小、重量輕（體積和重量只有線性電源的20～30%）、效率高（一般為60～70%，最高達(dá)到90%以上）、自身抗干擾能力強(qiáng)、輸出電壓范圍寬、模塊化強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是由于開關(guān)穩(wěn)壓電源的開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，在逆變過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高頻電壓，這些交變的電壓和電流會(huì)通過(guò)電路中的元器件產(chǎn)生較強(qiáng)的尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾就會(huì)污染市電電網(wǎng)，直接或間接的影響臨近的電子儀器設(shè)備的正常工作，因此需要良好的屏蔽及接地，而且開關(guān)電源的輸出紋波電壓大，在對(duì)電源質(zhì)量要求比較高的一些精密電子儀器等場(chǎng)合，開關(guān)穩(wěn)壓電源尚不能勝任。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源功能簡(jiǎn)單、不易控制、可靠性低、精度低、體積大且復(fù)雜程度高、故障率高、自我保護(hù)功能不夠完善，因而實(shí)用性比較低。隨著各種電子、電氣設(shè)備對(duì)穩(wěn)壓電源的性能要求日益提高，穩(wěn)壓電源不斷向著小型化、智能化、高效化、數(shù)字化、模塊化、綠色化方向發(fā)展，以單片機(jī)為核心的新一代智能穩(wěn)壓電源不但硬件電路簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，性能卓越，而且價(jià)格低廉，模塊化強(qiáng)，利于大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，利用單片機(jī)對(duì)輸出進(jìn)行采集分析計(jì)算和控制，能夠極大地減小輸出電壓的紋波，提高穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定度及控制精度，同時(shí)智能穩(wěn)壓電源具有自我保護(hù)電路和自恢復(fù)功能，智能檢測(cè)可能出現(xiàn)的故障，并采取相應(yīng)措施，極大地降低了硬件電路的復(fù)雜程度，此外，輸出電壓和最大輸出電流采用鍵盤輸入，可以保證負(fù)載的安全，輸出電壓電流等信息通過(guò)屏幕或數(shù)碼管顯示，人機(jī)界面友好，操作方便，調(diào)試也比較簡(jiǎn)單，體積小，故障率低，具有很高的實(shí)用價(jià)值。 意義 采用單片機(jī)控制的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源是針對(duì)傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足而提出來(lái)的，它不僅能夠減少電源生產(chǎn)過(guò)程中的不確定因素（如阻值精度等）以及人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)，更有效的解決了傳統(tǒng)電源模塊中諸如智能化程度低、可靠性低、不易控制、產(chǎn)品一致性低等一系列問(wèn)題，極大地提高了生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品可維護(hù)性。電源采用單片機(jī)控制，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)：1) 系統(tǒng)升級(jí)一般只需改動(dòng)軟件算法，通過(guò)下載口就可以更新程序，硬件電路不必更改即可繼續(xù)使用，減少不必要開支，易于電源更新?lián)Q代。2) 具有友好的人機(jī)界面。智能化的數(shù)控穩(wěn)壓電源采用鍵盤控制，還能將電源的工作狀態(tài)、運(yùn)行情況以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果實(shí)時(shí)通過(guò)屏幕顯示出來(lái)，使系統(tǒng)的工作狀態(tài)更加方便直觀，利于工作人員操作。3) 系統(tǒng)一致性好，易于校準(zhǔn)和調(diào)試，高級(jí)的智能電源還具有智能自校準(zhǔn)功能。4) 產(chǎn)品維護(hù)方便，一旦出現(xiàn)故障，可以通過(guò)通信接口在線檢測(cè)查詢故障，對(duì)于軟件故障通過(guò)通訊接口就可以修復(fù)系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)與上位PC機(jī)通信，可以隨時(shí)監(jiān)視電源設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)等功能。5) 控制靈活，系統(tǒng)可靠性高，控制精度高，具有自我保護(hù)功能和自恢復(fù)系統(tǒng)。6) 由于采用單片機(jī)進(jìn)行控制，易于采用先進(jìn)的控制算法和控制策略，通過(guò)編程就可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的均流控制算法，實(shí)現(xiàn)高可靠性、高冗余度的電源并聯(lián)均流，為系統(tǒng)的擴(kuò)容提供了方便。 研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向 研究現(xiàn)狀迄今為止，電源技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一門比較完整的、自成體系的高科技體系技術(shù)，其中數(shù)控穩(wěn)壓電源是從十九世紀(jì)80年代才開始發(fā)展起來(lái)的，期間系統(tǒng)的電力電子理論也剛剛開始建立，這些理論為以后的發(fā)展提供了一個(gè)良好的基礎(chǔ)，在后來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，數(shù)控穩(wěn)壓電源技術(shù)有了很大的進(jìn)步和發(fā)展，但是局限于當(dāng)時(shí)的科學(xué)理論水平與制作工藝，產(chǎn)品存在數(shù)控程度低、控制精度達(dá)不到要求、可靠性與穩(wěn)定性低等一系列缺點(diǎn)，因此數(shù)控穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向主要是針對(duì)以上的幾個(gè)缺點(diǎn)進(jìn)行不斷的改進(jìn)和完善，隨著新的控制理論以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，各種專用的集成電路的不斷研發(fā)與利用，單片機(jī)及A/D、D/A轉(zhuǎn)換器得到了廣泛的使用，為后來(lái)數(shù)控穩(wěn)壓電源的發(fā)展提供了極大的便利條件，到了90年代，功率密度更是達(dá)到50W每立方英寸，到今天，大量的電源專用的芯片被廣泛采用，并出現(xiàn)了集成高精度的A/D、D/A與段碼液晶驅(qū)動(dòng)的專門用于電能測(cè)量的單片機(jī)，這些產(chǎn)品的出現(xiàn)極大的縮短了新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，更利于數(shù)控穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與研發(fā)。在我國(guó)以現(xiàn)代電力電子為核心的電源產(chǎn)業(yè)興起比較晚，直到二十世紀(jì)60年代才開始形成，到了90年代，電源產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展的階