基于单片机和CPLD的 单相半控整流调压系统设计.doc

吉化学院信控学院专业综合设计说明书基于单片机和CPLD的单相半控整流调压系统设计学生学号：08550118学生姓名：刘强专业班级：电气0801指导教师：刘泽职称：教授起止日期：2011.08.292012.09.18吉化学院JilinInstituteofChemicalTechnology信息与控制工程学院专业综合设计说明书-I-专业综合设计任务书一、设计题目：基于单片机和CPLD的单相半控整流调压系统设计二、设计目的:1.理解单相半控整流调压基本原理；2.掌握晶闸管、复杂可编程器件CPLD和MSP430单片机使用方法；3.理解过零鉴相信号的获取和触发信号产生原理，掌握CPLD器件的VHDL语言程序编程方法。4.掌握单相半控整流调压程序和系统监控程序设计方法和C430编程方法。三、设计任务及要求1.设计单相半控整流调压系统硬件电路；2.设计单相半控整流调压系统CPLD触发信号发生程序；3.设计调压系统单片机监控程序；4.制作单相半控整流调压系统，实现直流5V-50V调压，撰写设计说明书。四、设计时间及进度安排设计时间共三周,具体安排如下表：周次设计内容设计时间第一周学习复杂可编程器件CPLD和MSP430单片机使用方法，查找相关资料。设计基于单片机和CPLD的单相单相半控整流调压系统电路图。2011.8.29-2011.9.4第二周设计CPLD和MSP430单片机程序和焊装基于单片机和CPLD的单相桥式半控整流调压系统。2011.9.5-2011.9.11第三周完成单相半控整流调压系统调试，编写设计说明书。提交作品及设计说明书，评定专业综合设计成绩。2011.9.12-2011.9.18五、指导教师评语及学生成绩指导教师评语：2011年09月18日成绩指导教师签字基于单片机和CPLD的单相半控整流调压系统设计-II-目录专业综合设计任务书I第1章绪论11.1基于单片机和CPLD的单相半控整流调压系统设计意义11.2实验目的11.3方案选择11.4总体方案1第2章硬件电路设计32.1电源电路32.2单片机最小系统42.2.1MSP430系列单片机的特点42.2.2MSP430F169概述42.2触发控制脉冲发生电路62.3单相半控桥整流电路简介72.4CPLD的组成9第3章软件程序设计113.1软件程序流程框图113.2程序设计11第4章实验使用说明124.1实验线路及原理124.2实验操作步骤124.3实验测试结果13结论14参考文献15附录单片机程序清单16附录VHDL程序清单21附录整体设计图23信息与控制工程学院专业综合设计说明书-1-第1章绪论1.1基于单片机和CPLD的单相半控整流调压系统设计意义单相半控整流调压电路是电力电子技术最为重要，也是应用得最为广泛的电路，不仅应用于一般工业，也广泛应用于交通运输，电力系统，通信系统，能源系统，电力照明等其他领域。对前沿科学的探索性试验发挥重要作用。本次设计是基于单片机和CPLD的单相半控整流调压系统的设计，此方法主要是比较方便的实现控制导通角，可以通过人机结合，满足人们的具体需要的导通角，进而来实现需要的电压，对控制要求达到了具体化合实际化。在学生实验室实验领域发挥了特殊作用，能让学生更直接的了解相控电路的作用和理论实验，弥补了天煌试验台的重要缺陷，在电力电子这门课程更好方便学生观察和理解实验结果。1.2实验目的1.理解单相半控整流调压基本原理；2.掌握晶闸管、复杂可编程器件CPLD和MSP430单片机使用方法；3.理解过零鉴相信号的获取和触发信号产生原理，掌握CPLD器件的VHDL语言程序编程方法；4.掌握单相半控整流调压程序和系统监控程序设计方法和C430编程方法。1.3方案选择方案一：本方案通过单片机设定触发角度，将信号传给CPLD。通过CPLD的高速晶振计时，控制触发信号触发端，控制单相可控硅开通时间，达到调压目的。这种方法的优点是我们可以能控制触发角，能实现人们需要的的任意触发角调节到需要的电压，更好的达到人机结合，而且此电路设计简单，对硬件要求不高，准确精度很高。方案二：本方案采用单相半控桥式整流调压，在出发电路中采用2个晶闸管，每个回路有2个晶闸管同时导通，这种控制电路的优点是不需要单片机系统，直接通过硬件就可以实现，而且成本很低，能形成比较好的触发脉冲，电路实现简单可靠，不过此种电路不能构成智能化，不能满足人们直观的需求，也就是形成的触发脉冲触发的相角测量不准，用户不能知道准确的触发角，从而给人们的使用带来了不便。因此采用方案一。1.4总体方案本设计采用单片机MSP430作为相位角的设定系统，用按键设置要设定相角，由LCM12864显示相角、频率等相关参数，通过单片机设定所需要的相角通过P2端口送给CPLD，当CPLD接收设定触发角，再根据CPLD收到鉴相的触发信号即取到同步信号时，CPLD就会发出与工频为50Hz同频率的两路触发信号作为触发电路的控制部分去控制主电路部分，主电路就会形成单相半控整流电路。整体框图如下图1-1所示。基于单片机和CPLD的单相半控整流调压系统设计-2-图1-1整体框图信息与控制工程学院专业综合设计说明书-3-第2章硬件电路设计本设计的电路主要由整体方案设计、单片机最小系统及其接口电路模块、CPLD触发脉冲控制模块、信号的鉴相提取和信号隔离驱动模块、电力电子主电路控制模块、+5V电源和220V电源模块等组成。具体电路和工作原理下面一一介绍。2.1电源电路电子技术课程中所介绍的直流稳压电源一般是线性稳压电源,它的特点是起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区，由50Hz工频变压器、整流器、滤波器和串联调整稳压器组成。它的基本工作原理为：工频交流电源经过变压器降压、整流、滤波后成为稳定的直流电。图中其余部分是起电压调节，实现稳压作用的控制部分。电源接上负载后，通过采样电路获得输出电压，将此输出电压与基准电压进行比较。如果输出电压小于基准电压，则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端，通过调节器调节使输出电压增加，直到与基准值相等；如果输出电压大于基准电压，则通过调节器使输出减小。这种稳压电源具有优良的纹波及动态响应特性。本设计采用固定集成输出集成稳压电路，它主要由变压器（双9V，5W）、集成整流桥、集成稳压器LM7805（+5V）和LM7905(-5V)构成。+5V直流电源电路图如图2-1所示。本电路使用的是学生实验台220V交流电源，而没有直接引用市电220V，主要原因是实验台上的交流电是经过继电保护后的交流电，在电力电子电路中，一般是大电流大功率的状态，因此对保护需要重视，当故障发生时，试验台的继电保护装置会自动合闸，会保护主电路，防止发生严重故障，或者对电路中造成破坏。图2-1+5V直流电源电路WDC11470u7805470uFC11VinVoutGNDC12470u7905470uFC11VinVoutGNDVEE(-5V)T7.5V7.5V220VVCC(5V)Ss基于单片机和CPLD的单相半控整流调压系统设计-4-2.2单片机最小系统2.2.1MSP430系列单片机的特点MSP430系列单片机是德州仪器公司于上世纪九十年代开发出的产品，已在许多领域得到了广泛应用。MSP430系列单片机具有以下主要特点：（1）超低功耗。（2）强大的处理能力。（3）高性能模拟技术及丰富的片上外围模块。（4）方便高效的开发环境。（5）系列化产品。1低功耗结构MSP430有5种省电工作模式，MSP430各工作模式耗电情况如图2-2所示。图2-2各工作模式耗电情况图图2-3缩短活动时间减小功耗示意图在通常情况下，根据需要使用软件将CPU设定到某一种低功耗工作模式下，在需要时使用中断将CPU从休眠状态中唤醒，完成工作之后又可以进入相应的休眠状态，用缩短活动时间的方法进一步减小MSP430的功耗，示意图如图2-3所示。2PIO端口PIO端口是并行输入输出端口，8位。MSP430F413单片机PIO端口特点：（1）类型丰富：P1，P2，P3，P4，P5，P6，S和COM。（2）功能丰富：I/O，中断能力，其它片内外设功能，驱动液晶。（3）寄存器丰富：P1与P2各有7个寄存器，P3、P4、P5、P6有四个寄存器。具有中断功能的数据输入、输出端口P1和P2各寄存器符号和功能如下所述（以P1口为例）：（1）P1IN：输入寄存器；（2）P1OUT：输出寄存器；（3）P1DIR：方向选择寄存器，为1位输出，为0位输入；（4）P1IFG：中断标志寄存器；（5）P1IES：中断触发沿选择寄存器；（6）P1IE：中断使能寄存器；（7）P1SEL：功能选择寄存器。没有中断功能的数据输入、输出端口P3、P4、P5和P6各寄存器符号和功能如下所述（以P3口为例）：P3IN：输入寄存器；（1）P3OUT：输出寄存器；（2）P3DIR：方向选择寄存器；（3）P3SEL：功能选择寄存器。2.2.2MSP430F169概述MSP430F169是TI公司进入中国市场的MSP430F系列单片机中功能最强的芯片。具有60K程序存储区、2K的数据存储区、8路快速12位A/D转换器、双路12位D/A转换器，两个通用连续同步/异步通信接口(USART)、I2C、DMA数据传送模块和48个I/O口等外围模块。MSP430F169信息与控制工程学院专业综合设计说明书-5-芯片的结构框图如图12-1所示（见下图）。在波形发生器设计中使用两路DAC通道产生任意波形。在使用高速时钟和端时要根据需要将其初始化。图2-4MSP430F169芯片的结构框图本系统采用了MSP430F169单片机，具有低电压供电、体积小成本低等特点，包括LCM12864液晶显示电路，用来显示触发角和制作者等信息，最小系统的按键用来设置触发角，标为1度的按键为加1度，加上10K入地电阻是因为当通入高电平会和单片机构成分流电阻，分担进入单片机的电流，也是为了保护单片机，同理其他按键也如此原理。按钮的一端是接入单片机P1口，当按键按下P1口对应为高电平。上电复位电路部分，电容是消除抖动作用，加入100K电阻和1K电阻正常工作时候使分担电压小，保护单片机防止电压过高，致使烧坏单片机。最小系统的晶振是为单片机提供时钟源的作用，1、64脚接的二极管作用是使单片机接收到的电压为4.3V，能更好保护单片机，防止5V电压影响单片机。LCM12864的12脚接1000pf电容是消除外部对显示屏的干扰，318引脚接的可变电阻是调节显示屏的辉度，调节可变电阻可以使显示屏达到理想显示状态，417引脚是传输数据即读写数据和片选左右半屏的作用。单片机最小系统和显示电路如图2-5所示。基于单片机和CPLD的单相半控整流调压系统设计-6-图2-5单片机最小系统和显示电路2.2触发控制脉冲发生电路触发控制脉冲发生电路由时钟电路、复杂可编程逻辑器件和反相器构成，电路图如图4所示根据输入触发角数值进行延迟一定时间后发出触发控制脉冲，并在本半周结束前回到低电平。采用3.5795MHz晶振作为复杂可编程逻辑器件（CPLD）时钟源，经128分频后，作为256延时计数器时钟。50Hz工频交流电半个周期约为10ms，256延时计数器延时时间为：msst2.93679500256128（2-1）触发脉冲可在半个周期内自动回低电平。设8位二进制数触发角数值为N，256延时计数值小于该值时发低电平，大于等于该值时发高电平，使触发脉冲延迟时间与触发角数值成正比。3、复杂可编程逻辑器件程序设计本设计中采用图形法和VHDL语言编程法相结合对复杂可编程逻辑器件进行编程。触发控制CPLD总符号图如图5所示其对应的仿真时序图如图2-6、图2-7所示。图2-6仿真时序图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