基于單片機(jī)和CPLD的 單相半控整流調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc_第1頁
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吉化學(xué)院信控學(xué)院專業(yè)綜合設(shè)計(jì)說明書基于單片機(jī)和CPLD的單相半控整流調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生學(xué)號(hào):08550118學(xué)生姓名:劉強(qiáng)專業(yè)班級(jí):電氣0801指導(dǎo)教師:劉澤職稱:教授起止日期:2011.08.292012.09.18吉化學(xué)院JilinInstituteofChemicalTechnology信息與控制工程學(xué)院專業(yè)綜合設(shè)計(jì)說明書-I-專業(yè)綜合設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目:基于單片機(jī)和CPLD的單相半控整流調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)目的:1.理解單相半控整流調(diào)壓基本原理;2.掌握晶閘管、復(fù)雜可編程器件CPLD和MSP430單片機(jī)使用方法;3.理解過零鑒相信號(hào)的獲取和觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生原理,掌握CPLD器件的VHDL語言程序編程方法。4.掌握單相半控整流調(diào)壓程序和系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)方法和C430編程方法。三、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.設(shè)計(jì)單相半控整流調(diào)壓系統(tǒng)硬件電路;2.設(shè)計(jì)單相半控整流調(diào)壓系統(tǒng)CPLD觸發(fā)信號(hào)發(fā)生程序;3.設(shè)計(jì)調(diào)壓系統(tǒng)單片機(jī)監(jiān)控程序;4.制作單相半控整流調(diào)壓系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)直流5V-50V調(diào)壓,撰寫設(shè)計(jì)說明書。四、設(shè)計(jì)時(shí)間及進(jìn)度安排設(shè)計(jì)時(shí)間共三周,具體安排如下表:周次設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)間第一周學(xué)習(xí)復(fù)雜可編程器件CPLD和MSP430單片機(jī)使用方法,查找相關(guān)資料。設(shè)計(jì)基于單片機(jī)和CPLD的單相單相半控整流調(diào)壓系統(tǒng)電路圖。2011.8.29-2011.9.4第二周設(shè)計(jì)CPLD和MSP430單片機(jī)程序和焊裝基于單片機(jī)和CPLD的單相橋式半控整流調(diào)壓系統(tǒng)。2011.9.5-2011.9.11第三周完成單相半控整流調(diào)壓系統(tǒng)調(diào)試,編寫設(shè)計(jì)說明書。提交作品及設(shè)計(jì)說明書,評(píng)定專業(yè)綜合設(shè)計(jì)成績(jī)。2011.9.12-2011.9.18五、指導(dǎo)教師評(píng)語及學(xué)生成績(jī)指導(dǎo)教師評(píng)語:2011年09月18日成績(jī)指導(dǎo)教師簽字基于單片機(jī)和CPLD的單相半控整流調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)-II-目錄專業(yè)綜合設(shè)計(jì)任務(wù)書I第1章緒論11.1基于單片機(jī)和CPLD的單相半控整流調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義11.2實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.3方案選擇11.4總體方案1第2章硬件電路設(shè)計(jì)32.1電源電路32.2單片機(jī)最小系統(tǒng)42.2.1MSP430系列單片機(jī)的特點(diǎn)42.2.2MSP430F169概述42.2觸發(fā)控制脈沖發(fā)生電路62.3單相半控橋整流電路簡(jiǎn)介72.4CPLD的組成9第3章軟件程序設(shè)計(jì)113.1軟件程序流程框圖113.2程序設(shè)計(jì)11第4章實(shí)驗(yàn)使用說明124.1實(shí)驗(yàn)線路及原理124.2實(shí)驗(yàn)操作步驟124.3實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果13結(jié)論14參考文獻(xiàn)15附錄單片機(jī)程序清單16附錄VHDL程序清單21附錄整體設(shè)計(jì)圖23信息與控制工程學(xué)院專業(yè)綜合設(shè)計(jì)說明書-1-第1章緒論1.1基于單片機(jī)和CPLD的單相半控整流調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義單相半控整流調(diào)壓電路是電力電子技術(shù)最為重要,也是應(yīng)用得最為廣泛的電路,不僅應(yīng)用于一般工業(yè),也廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸,電力系統(tǒng),通信系統(tǒng),能源系統(tǒng),電力照明等其他領(lǐng)域。對(duì)前沿科學(xué)的探索性試驗(yàn)發(fā)揮重要作用。本次設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)和CPLD的單相半控整流調(diào)壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì),此方法主要是比較方便的實(shí)現(xiàn)控制導(dǎo)通角,可以通過人機(jī)結(jié)合,滿足人們的具體需要的導(dǎo)通角,進(jìn)而來實(shí)現(xiàn)需要的電壓,對(duì)控制要求達(dá)到了具體化合實(shí)際化。在學(xué)生實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域發(fā)揮了特殊作用,能讓學(xué)生更直接的了解相控電路的作用和理論實(shí)驗(yàn),彌補(bǔ)了天煌試驗(yàn)臺(tái)的重要缺陷,在電力電子這門課程更好方便學(xué)生觀察和理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1.2實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.理解單相半控整流調(diào)壓基本原理;2.掌握晶閘管、復(fù)雜可編程器件CPLD和MSP430單片機(jī)使用方法;3.理解過零鑒相信號(hào)的獲取和觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生原理,掌握CPLD器件的VHDL語言程序編程方法;4.掌握單相半控整流調(diào)壓程序和系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)方法和C430編程方法。1.3方案選擇方案一:本方案通過單片機(jī)設(shè)定觸發(fā)角度,將信號(hào)傳給CPLD。通過CPLD的高速晶振計(jì)時(shí),控制觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)端,控制單相可控硅開通時(shí)間,達(dá)到調(diào)壓目的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是我們可以能控制觸發(fā)角,能實(shí)現(xiàn)人們需要的的任意觸發(fā)角調(diào)節(jié)到需要的電壓,更好的達(dá)到人機(jī)結(jié)合,而且此電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,對(duì)硬件要求不高,準(zhǔn)確精度很高。方案二:本方案采用單相半控橋式整流調(diào)壓,在出發(fā)電路中采用2個(gè)晶閘管,每個(gè)回路有2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通,這種控制電路的優(yōu)點(diǎn)是不需要單片機(jī)系統(tǒng),直接通過硬件就可以實(shí)現(xiàn),而且成本很低,能形成比較好的觸發(fā)脈沖,電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單可靠,不過此種電路不能構(gòu)成智能化,不能滿足人們直觀的需求,也就是形成的觸發(fā)脈沖觸發(fā)的相角測(cè)量不準(zhǔn),用戶不能知道準(zhǔn)確的觸發(fā)角,從而給人們的使用帶來了不便。因此采用方案一。1.4總體方案本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)MSP430作為相位角的設(shè)定系統(tǒng),用按鍵設(shè)置要設(shè)定相角,由LCM12864顯示相角、頻率等相關(guān)參數(shù),通過單片機(jī)設(shè)定所需要的相角通過P2端口送給CPLD,當(dāng)CPLD接收設(shè)定觸發(fā)角,再根據(jù)CPLD收到鑒相的觸發(fā)信號(hào)即取到同步信號(hào)時(shí),CPLD就會(huì)發(fā)出與工頻為50Hz同頻率的兩路觸發(fā)信號(hào)作為觸發(fā)電路的控制部分去控制主電路部分,主電路就會(huì)形成單相半控整流電路。整體框圖如下圖1-1所示。基于單片機(jī)和CPLD的單相半控整流調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)-2-圖1-1整體框圖信息與控制工程學(xué)院專業(yè)綜合設(shè)計(jì)說明書-3-第2章硬件電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的電路主要由整體方案設(shè)計(jì)、單片機(jī)最小系統(tǒng)及其接口電路模塊、CPLD觸發(fā)脈沖控制模塊、信號(hào)的鑒相提取和信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)模塊、電力電子主電路控制模塊、+5V電源和220V電源模塊等組成。具體電路和工作原理下面一一介紹。2.1電源電路電子技術(shù)課程中所介紹的直流穩(wěn)壓電源一般是線性穩(wěn)壓電源,它的特點(diǎn)是起電壓調(diào)整功能的器件始終工作在線性放大區(qū),由50Hz工頻變壓器、整流器、濾波器和串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓器組成。它的基本工作原理為:工頻交流電源經(jīng)過變壓器降壓、整流、濾波后成為穩(wěn)定的直流電。圖中其余部分是起電壓調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用的控制部分。電源接上負(fù)載后,通過采樣電路獲得輸出電壓,將此輸出電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。如果輸出電壓小于基準(zhǔn)電壓,則將誤差值經(jīng)過放大電路放大后送入調(diào)節(jié)器的輸入端,通過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)使輸出電壓增加,直到與基準(zhǔn)值相等;如果輸出電壓大于基準(zhǔn)電壓,則通過調(diào)節(jié)器使輸出減小。這種穩(wěn)壓電源具有優(yōu)良的紋波及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。本設(shè)計(jì)采用固定集成輸出集成穩(wěn)壓電路,它主要由變壓器(雙9V,5W)、集成整流橋、集成穩(wěn)壓器LM7805(+5V)和LM7905(-5V)構(gòu)成。+5V直流電源電路圖如圖2-1所示。本電路使用的是學(xué)生實(shí)驗(yàn)臺(tái)220V交流電源,而沒有直接引用市電220V,主要原因是實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的交流電是經(jīng)過繼電保護(hù)后的交流電,在電力電子電路中,一般是大電流大功率的狀態(tài),因此對(duì)保護(hù)需要重視,當(dāng)故障發(fā)生時(shí),試驗(yàn)臺(tái)的繼電保護(hù)裝置會(huì)自動(dòng)合閘,會(huì)保護(hù)主電路,防止發(fā)生嚴(yán)重故障,或者對(duì)電路中造成破壞。圖2-1+5V直流電源電路WDC11470u7805470uFC11VinVoutGNDC12470u7905470uFC11VinVoutGNDVEE(-5V)T7.5V7.5V220VVCC(5V)Ss基于單片機(jī)和CPLD的單相半控整流調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)-4-2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)2.2.1MSP430系列單片機(jī)的特點(diǎn)MSP430系列單片機(jī)是德州儀器公司于上世紀(jì)九十年代開發(fā)出的產(chǎn)品,已在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。MSP430系列單片機(jī)具有以下主要特點(diǎn):(1)超低功耗。(2)強(qiáng)大的處理能力。(3)高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊。(4)方便高效的開發(fā)環(huán)境。(5)系列化產(chǎn)品。1低功耗結(jié)構(gòu)MSP430有5種省電工作模式,MSP430各工作模式耗電情況如圖2-2所示。圖2-2各工作模式耗電情況圖圖2-3縮短活動(dòng)時(shí)間減小功耗示意圖在通常情況下,根據(jù)需要使用軟件將CPU設(shè)定到某一種低功耗工作模式下,在需要時(shí)使用中斷將CPU從休眠狀態(tài)中喚醒,完成工作之后又可以進(jìn)入相應(yīng)的休眠狀態(tài),用縮短活動(dòng)時(shí)間的方法進(jìn)一步減小MSP430的功耗,示意圖如圖2-3所示。2PIO端口PIO端口是并行輸入輸出端口,8位。MSP430F413單片機(jī)PIO端口特點(diǎn):(1)類型豐富:P1,P2,P3,P4,P5,P6,S和COM。(2)功能豐富:I/O,中斷能力,其它片內(nèi)外設(shè)功能,驅(qū)動(dòng)液晶。(3)寄存器豐富:P1與P2各有7個(gè)寄存器,P3、P4、P5、P6有四個(gè)寄存器。具有中斷功能的數(shù)據(jù)輸入、輸出端口P1和P2各寄存器符號(hào)和功能如下所述(以P1口為例):(1)P1IN:輸入寄存器;(2)P1OUT:輸出寄存器;(3)P1DIR:方向選擇寄存器,為1位輸出,為0位輸入;(4)P1IFG:中斷標(biāo)志寄存器;(5)P1IES:中斷觸發(fā)沿選擇寄存器;(6)P1IE:中斷使能寄存器;(7)P1SEL:功能選擇寄存器。沒有中斷功能的數(shù)據(jù)輸入、輸出端口P3、P4、P5和P6各寄存器符號(hào)和功能如下所述(以P3口為例):P3IN:輸入寄存器;(1)P3OUT:輸出寄存器;(2)P3DIR:方向選擇寄存器;(3)P3SEL:功能選擇寄存器。2.2.2MSP430F169概述MSP430F169是TI公司進(jìn)入中國市場(chǎng)的MSP430F系列單片機(jī)中功能最強(qiáng)的芯片。具有60K程序存儲(chǔ)區(qū)、2K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、8路快速12位A/D轉(zhuǎn)換器、雙路12位D/A轉(zhuǎn)換器,兩個(gè)通用連續(xù)同步/異步通信接口(USART)、I2C、DMA數(shù)據(jù)傳送模塊和48個(gè)I/O口等外圍模塊。MSP430F169信息與控制工程學(xué)院專業(yè)綜合設(shè)計(jì)說明書-5-芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖12-1所示(見下圖)。在波形發(fā)生器設(shè)計(jì)中使用兩路DAC通道產(chǎn)生任意波形。在使用高速時(shí)鐘和端時(shí)要根據(jù)需要將其初始化。圖2-4MSP430F169芯片的結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)采用了MSP430F169單片機(jī),具有低電壓供電、體積小成本低等特點(diǎn),包括LCM12864液晶顯示電路,用來顯示觸發(fā)角和制作者等信息,最小系統(tǒng)的按鍵用來設(shè)置觸發(fā)角,標(biāo)為1度的按鍵為加1度,加上10K入地電阻是因?yàn)楫?dāng)通入高電平會(huì)和單片機(jī)構(gòu)成分流電阻,分擔(dān)進(jìn)入單片機(jī)的電流,也是為了保護(hù)單片機(jī),同理其他按鍵也如此原理。按鈕的一端是接入單片機(jī)P1口,當(dāng)按鍵按下P1口對(duì)應(yīng)為高電平。上電復(fù)位電路部分,電容是消除抖動(dòng)作用,加入100K電阻和1K電阻正常工作時(shí)候使分擔(dān)電壓小,保護(hù)單片機(jī)防止電壓過高,致使燒壞單片機(jī)。最小系統(tǒng)的晶振是為單片機(jī)提供時(shí)鐘源的作用,1、64腳接的二極管作用是使單片機(jī)接收到的電壓為4.3V,能更好保護(hù)單片機(jī),防止5V電壓影響單片機(jī)。LCM12864的12腳接1000pf電容是消除外部對(duì)顯示屏的干擾,318引腳接的可變電阻是調(diào)節(jié)顯示屏的輝度,調(diào)節(jié)可變電阻可以使顯示屏達(dá)到理想顯示狀態(tài),417引腳是傳輸數(shù)據(jù)即讀寫數(shù)據(jù)和片選左右半屏的作用。單片機(jī)最小系統(tǒng)和顯示電路如圖2-5所示?;趩纹瑱C(jī)和CPLD的單相半控整流調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-圖2-5單片機(jī)最小系統(tǒng)和顯示電路2.2觸發(fā)控制脈沖發(fā)生電路觸發(fā)控制脈沖發(fā)生電路由時(shí)鐘電路、復(fù)雜可編程邏輯器件和反相器構(gòu)成,電路圖如圖4所示根據(jù)輸入觸發(fā)角數(shù)值進(jìn)行延遲一定時(shí)間后發(fā)出觸發(fā)控制脈沖,并在本半周結(jié)束前回到低電平。采用3.5795MHz晶振作為復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)時(shí)鐘源,經(jīng)128分頻后,作為256延時(shí)計(jì)數(shù)器時(shí)鐘。50Hz工頻交流電半個(gè)周期約為10ms,256延時(shí)計(jì)數(shù)器延時(shí)時(shí)間為:msst2.93679500256128(2-1)觸發(fā)脈沖可在半個(gè)周期內(nèi)自動(dòng)回低電平。設(shè)8位二進(jìn)制數(shù)觸發(fā)角數(shù)值為N,256延時(shí)計(jì)數(shù)值小于該值時(shí)發(fā)低電平,大于等于該值時(shí)發(fā)高電平,使觸發(fā)脈沖延遲時(shí)間與觸發(fā)角數(shù)值成正比。3、復(fù)雜可編程邏輯器件程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中采用圖形法和VHDL語言編程法相結(jié)合對(duì)復(fù)雜可編程邏輯器件進(jìn)行編程。觸發(fā)控制CPLD總符號(hào)圖如圖5所示其對(duì)應(yīng)的仿真時(shí)序圖如圖2-6、圖2-7所示。圖2-6仿真時(shí)序圖n0n1n2n3n4n5n6n71234567891011121314151617181920LCM12864VSSVDDVODB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7CS1CS2/RSTVOUTSLASLKR/WED/I1KR02100kR010.001uFC3D51N484212XTAL_8MHzC115pC215p12XTAL_32768Hz100KRpDVcc1P1.4/SMCLK16P1.5/TA017P1.6/TA118P1.7/TA219P2.0/ACLK20P2.1/TAINCLK21P2.2/CAOUT/TA022P2.3/CA0/TA123P2.4/CA1/TA224P2.5/Rosc25P2.6/ADC12CLK/DMAE026P2.7/TA027P3.0/STE028P3.1/SIMO/SDA29P3.2/SOMI030P3.3/UCLK0/SCL31P3.4/UTXD032P6.3/A32P6.4/A43P6.5/A54P6.6/A6/DAC05P6.7/A7/DAC1/SVSIN6Vref+7XIN8XOUT/TCLK9Veref+10Vref-/Veref-11P1.0/TACLK12P1.1/TA013P1.2/TA114P1.3/TA215P3.5/URXD033P3.6/UTXD134P3.7/URXD135P4.0/TB036P4.1/TB137P4.2/TB238P4.3/TB339P4.4/TB440P4.5/TB541P4.6/TB642P4.7/TBCLK43P5.0/STE144P5.1/SIMO145P5.2/SOMI146P5.3/UCLK147P5.4/MCLK48P

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