簡易數(shù)控直流電源.doc

湖北經(jīng)濟學院 洪艷 何文斌 劉誠所在學校：XX學生姓名：XX輔導老師：XX設計時間：2010.7.16“簡易數(shù)控直流電源”的設計要求一 設計任務設計出有一定輸出電壓范圍和功能的數(shù)控電源。其原理示意圖如下：輸 出 電 路數(shù) 控 部 分“+” “-” 鍵數(shù) 字 顯 示 +5V -15V +15V自 制 穩(wěn) 壓 電 源 220V二 設計要求1）基本要求（1）輸出電壓：范圍09.9V，步進0.1V，紋波不大于10mV；（2）輸出電流：500mA；（3）輸出電壓值由數(shù)碼管顯示；（4）由“”、“”兩鍵分別控制輸出電壓步進增減；（5）為實現(xiàn)上述幾部件工作，自制一穩(wěn)壓直流電源，輸出15V，5V。2）發(fā)揮部分（1）輸出電壓可預置在09.9V之間的任意一個值；（2）用自動掃描代替人工按鍵，實現(xiàn)輸出電壓變化（步進0.1V不變）； （3）擴展輸出電壓種類（比如三角波等）三 評分意見項 目滿 分基本要求方案設計和論證、理論計算與分析、電路圖30實際完成情況50總結報告20發(fā)揮部分完成第（1）項5完成第（2）項15完成第（3）項20簡易數(shù)控直流電源的設計摘要：本設計以TI的超低功耗的16單片機MSP430F149作為微控制器，利用TIMEER_A的PWM調(diào)制來改變輸出電壓的幅度，通過4*4的矩陣鍵盤控制輸出電壓的值，輸出的電壓值可以在七段數(shù)碼管上顯示出來。再配置相應的集成運放電路來達到電壓由09.9V的變化。關鍵詞：MSP430F149、PWM、矩陣鍵盤、LED顯示一、 方案設計與論證1、 總體方案設計通過分析實驗要求，可知道電路的整體框圖如下圖一所示：鍵盤數(shù)控部分輸出電路 數(shù)字顯示圖1簡易數(shù)控直流穩(wěn)壓電源框圖其中鍵盤用于實現(xiàn)信號的輸入以及實現(xiàn)對輸入信號的加、減、清零、置數(shù)的功能；顯示部分則實現(xiàn)對輸出電壓的顯示；數(shù)控部分則通過程序以及硬件的協(xié)同作用，實現(xiàn)對輸入信號的該變；輸出電路則將數(shù)控部分輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，輸出一個穩(wěn)定的輸出電壓。1、 方案一（如圖2所示）此方案的控制部分采用FPGA開發(fā)板，通過VHDL語言來進行控制，輸出部分通過DAC0832來進行D/A轉(zhuǎn)換之后，通過穩(wěn)壓、限流電路來控制輸出電壓達到實驗的要求，再通過A/D轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)輸出電壓的顯示。顯示A/D轉(zhuǎn)換FPGA開發(fā)板鍵 盤穩(wěn)壓限流電路D/A轉(zhuǎn)換顯 示輸出 圖2 方案一電路框圖 2、 方案二（如圖3所示）此方案采用MSP430F149為微控制器，通過定時器_A的PWM調(diào)制來實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，再通過穩(wěn)壓、限流電路來控制輸出電壓達到實驗要求，再通過A/D轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)輸出電壓值的顯示。顯示A/D轉(zhuǎn)換 MSP430F149鍵 盤穩(wěn)壓限流電路顯 示輸出 圖3 方案二電路框圖3、 方案比較 分析以上兩個方案，發(fā)現(xiàn)其各有優(yōu)點，但是顯然方案二具有更加的優(yōu)越性。不僅外部電路簡單，而且可以方便實現(xiàn)人性化很強的人機界面（鍵盤輸入和數(shù)碼管輸出）。與方案一相比，方案二在實現(xiàn)設計要求上有著很大的優(yōu)越性：不需要外接D/A轉(zhuǎn)換芯片；不需要復雜的參考電壓產(chǎn)生電路；不需要外接總線驅(qū)動就可以方便實現(xiàn)鍵盤和數(shù)碼管顯示；MSP430F149內(nèi)部有足夠的存儲空間，足以存儲程序和顯示所需要的漢字字模，不需要擴展存儲；MSP430F149有多種低功耗工作模式，通過合理的程序控制可以方便實現(xiàn)低功耗運行。MSP430F149內(nèi)部有16位的硬件乘法器，可以快速實現(xiàn)乘法運算；MSP430F149使用的指令簡單，只有27條指令，指令周期短，數(shù)值計算能力強大。鑒于以上種種優(yōu)點，我們最終選擇了MSP430F1494單片機作為我們的控制中心，并且采用了第二種方案來實現(xiàn)設計的要求。2、 工作原理及電路設計1、 工作原理PWM信號是一種具有固定周期不定占空比的數(shù)字信號，占空比可調(diào)的數(shù)字信號（如圖所示）。如果PWM 信號的占空比隨時間變化，那么通過濾波之后的輸出信號將是幅度變化的模擬信號。因此通過控制PWM 信號的占空比就可以產(chǎn)生不同的模擬信號。如圖4所示：不同的占空比 圖4 PWM波形示例 MSP430F149 的Timer_A和Timer_B工作在比較模式時可以輸出PWM信號。MSP430F149 的Timer_A和Timer_B，有四種工作模式（停止、增計數(shù)、連續(xù)計數(shù)、增減計數(shù)），計數(shù)器的時鐘源可選，有多個可配置輸入端的捕獲/比較寄存器，有多種可選的輸出模式。它們支持同時進行的多種時序控制，多個捕獲/比較功能及多種輸出波形（PWM波形）。Timer各部分的功能選擇通過寄存器（TACTL 控制寄存器、CCTLx捕獲比較控制寄存器、CCRx捕獲/比較寄存器、TAIV中斷向量寄存器）控制。要想讓Timer工作在特定的模式下，只需要在相應的寄存器中寫入相應的控制字。 如果定時器中的計時器工作在增計數(shù)模式，輸出選用7模式（復位/置位模式），則定時器中的寄存器CCR0用來控制輸出PWM波形的周期T， 而與定時器對應的CCRx 寄存器來控制可變占空比。PWM 信號經(jīng)過濾波器后，一個PWM 信號周期 T 對應一個抽樣值，所以輸出信號的頻率Fx與該信號每個周期的采樣數(shù)N及PWM 信號周期T有關。它們之間存在以下關系： Fx=1/（T*N） （1） 其中的 T 與 CCRO、計數(shù)器的計數(shù)頻率 Fs 有關： T= CCRO/ Fs （2） 所以， Fx=1/（CCRO/ Fs） N=Fs/(CCRO*N) (3)2、 電路框圖數(shù)碼管顯示輸出P4M S P 4 3 0 P34*4鍵盤放大、穩(wěn)壓、限流電路濾波電 路TA P1.2圖5 總體電路框圖MSP430F149具有很多的輸入輸出端口，可以外接很多的部件，鍵盤、七段數(shù)碼管可以直接的接在不同的I/O口。利用定時器A輸出PWM波形，只要直接利用放大、穩(wěn)壓、限流電路來對電壓進行放大以及對輸出電流的限制。使最后輸出的電壓能夠滿足在0-9.9V直接穩(wěn)定的變化。3、 單元電路設計1、 鍵盤以及顯示電路 由于對電路要實行清零、置數(shù)、加數(shù)、減數(shù)的控制，因此需要一個4*4的矩陣鍵盤，通過軟件對不同的按鈕設置不同的功能。該鍵盤的電路如圖6所示： 圖6 矩陣鍵盤電路其中“/”鍵實現(xiàn)的是減一；“”鍵實現(xiàn)的是加一；“”鍵實現(xiàn)的是減十；“+”鍵實現(xiàn)的是加十；“=”鍵實現(xiàn)的是置數(shù)；“on/c”鍵實現(xiàn)的是清零；數(shù)字鍵用于在置數(shù)的時候使用。七段數(shù)碼管實現(xiàn)的是對鍵盤控制的數(shù)字進行顯示。其電路如7所示： 圖7 氣短數(shù)碼管顯示電路PWM輸出電路是通過程序來控制脈沖的占空比，從而通過電容的充放電來使輸出的電壓為一個連續(xù)變化的模擬量，該電路如圖8所示：圖8 輸出電路2、 放大、穩(wěn)壓以及限流電路由于輸出的電壓只有04.95V，不能滿足實驗的要求，所以需要對輸出的電壓進行放大、穩(wěn)定，在放大的過程中由于輸出的電流很大，則需要進一步對電流的大小進行限定，以防止元器件被燒壞。該電路圖如圖9所示：圖9 放大、穩(wěn)壓以及限流電路4、 軟件設計通過單片機實現(xiàn)對矩陣鍵盤、脈沖寬度以及七段數(shù)碼管的控制，通過鍵盤來控制數(shù)碼管顯示的值以及改變脈沖的占空比，使輸出的電壓發(fā)生變化。其中鍵盤掃描程序的流程圖如附錄1所示，源程序如附錄2所示。仿真的電路圖如附錄3所示。5、 測量結果鍵盤輸入數(shù)碼管顯示穩(wěn)壓電路輸出Uo穩(wěn)壓電路輸出Uo理論值絕對誤差999.99.9 V9.9 V0 V909.09 V9 V0 V808.08.05 V8 V0.05 V707.07.03 V7 V0.03 V606.06.02 V6 V0.02 V505.05 V5 V0 V404.04 V4 V0 V303.03 V3 V0 V202.01.98 V2 V-0.02 V101.00.99 V1 V-0.01 V000.00 .02V0 V0.02 V6、 參考文獻1、 沈建華，楊艷琴 ；MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐 ； 北京航空航天大學出版社 ；20082、 曹磊 ；MSP430單片機C程序設計與實踐 ；北京航空航天大學出版社 ；2007附錄1：附錄2：#includeunsigned char LineScan4=0xef,0xdf,0xbf,0x7f; /列值列舉unsigned char Seg= /七段數(shù)碼管表 0x00,0x01,0x02,0x03, 0x04,0x05,0x06,0x07, 0x08,0x09,0x0a,0x0b, 0x0c,0x0d,0x0e,0x0f;unsigned int Pwm=0;unsigned int m,n;unsigned int flag_set=0;unsigned int flag_ten=0;void Delay(unsigned int wDelay) /延時子程序 while(wDelay!=0) wDelay-;unsigned int key_check(void) /檢測是否有按鍵按下 unsigned char temp; P3DIR=0xf0; /定義P1.4P1.7為輸出 temp=P3IN & 0x0f; if(temp!=0x0f) return 1; else return 0; void Clear() Pwm=0; m=Pwm/10; n=Pwm%10; Delay(65535); P4OUT = Segm*16+Segn; CCR1=0;void NumSet() /置數(shù)鍵“=”子程序 flag_set=1;void NumAdd1() /加一鍵“”子程序 if(Pwm=99) Pwm=Pwm-1; CCR1=CCR1-2; Pwm=Pwm+1; m=Pwm/10; n=Pwm%10; Delay(65535); P4OUT = Segm*16+Segn; CCR1=CCR1+2; void NumAdd10() /加十鍵“+”子程序 if(Pwm=89) Pwm=Pwm-10; CCR1-=20; Pwm=Pwm+10; m=Pwm/10; n=Pwm%10; Delay(65535); P4OUT = Segm*16+Segn; CCR1=CCR1+20;void NumSub1() /減一鍵“”子程序 if(Pwm=0) Pwm=Pwm+2; CCR1=CCR1+10; Pwm=Pwm-1; m=Pwm/10; n=Pwm%10; Delay(65535); P4OUT = Segm*16+Segn; CCR1=CCR1-2;void NumSub10() /減十鍵“”子程序 if(Pwm=0) Pwm=Pwm+10; 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