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1、吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书专业综合设计说明书基于单片机和CPLD的单相交流相控调压系统设计学生学号： 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 职 称： 起止日期：2011.08.292011.09.18专业综合设计任务书一、设计题目：基于单片机和CPLD的单相交流相控调压系统设计二、设计目的:1.理解单相交流相控调压基本原理；2.掌握随机型固态继电器SSR模块、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
2、1.设计单相交流相控调压系统硬件电路；2.设计调压系统CPLD触发信号发生程序；3.设计调压系统单片机监控程序；4.制作单相交流相控调压系统，实现交流25V-220V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的单相交流相控调压系统电路图。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的单相交流相控调压系统。2011.9.5-2011.9.11第三周完成单相交流相控调压系统调试，编
3、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 9 月18 日绩指导教师(签字):- I -目 录专业综合设计任务书I第1章 结论及总体框图设计11.1 选题背景11.2 课题的设计目的11.3 相控调压基本原理及功能框图设计11.3.1 基本原理11.3.2 开关元件的选用31.3.3 相控式单相交流调压系统框图4第2章 硬件电路设计52.1 系统结构概述52.2 MSP430系列单片机简介62.2.1 MSP430系列单片机的特点62.2.2 MSP430F169引脚功能62.3 LCM12
4、864液晶显示器72.3.1 LCM12864液晶显示模块简介73.3.2 LCM12864驱动电路82.3.3 单片机与LCM12864接口时序92.4 运算放大器UA741102.4.1 UA741优点102.4.2 放大器的功能112.4.3 UA741的使用112.5 触发控制脉冲发生电路122.5.1 触发控制脉冲发生电路电路图122.5.2 复杂可编程逻辑器件程序设计13第3章 软件流程设计153.1 主程序框图153.2 定时器A中断子程序15第4章 系统使用说明及实验设计164.1 测量操作过程164.2 测试数据及结果分析164.2.1 测试数据164.2.2 结果分析16结
5、 论17参考文献18附 录19- 19 -第1章 结论及总体框图设计1.1 选题背景随着单片机技术的不断发展和CPLD技术的不断成熟使得单相交流相控调压成为可能，单相交流相控调压不论是在控制精度还是在可操作性上都有传统方式无法比拟的优势。单相交流相控调压源作为调压的分支，在工程技术和测量领域中有着重要的实用价值，其涉及的应用由稳定电磁场、校正电流表等扩展至激光、超导、现代通信和传感技术等领域。基于模拟电路的调压电路虽然可以实现高精度、宽电流范围输出，但其结构复杂, 调整困难，指示不直观。随着单片机技术的发展，数字控制相控调压开始出现，其以控制灵活、调节方便等特点展示了良好的应用前景。1.2 课
6、题的设计目的课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节。通过课程设计使学生获得以下几方面能力，为毕业设计（论文）奠定基础。1进一步巩固和加深学生所学一门或几门相关专业课（或专业基础课）理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能。2 培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力。3 培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风。1.3 相控调压基本原理及功能框图设计1.3.1 基本原理电阻负载单相交流调压电路及波形图如图1-1所示。输出电压与 的关系：当移相范围为0 a 。 a =0时，输出电压为最大。Uo=U1, 随 a
7、 的增大，Uo降低，a =时，Uo =0。图1-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形仿真电路如图1-2所示，a =30、a =60、a =90、a =120时电路各点波形图如图1-3、1-4、1-5和1-6所示。图1-2 电阻负载交流调压仿真电路图图1-3 a =30时交流调压电路各点波形图1-4 a =60时交流调压电路各点波形图1-5 a =90时交流调压电路各点波形图1-6 a =120时交流调压电路各点波形1.3.2 开关元件的选用开关元件选用SSR_380D03P，其内部结构图如图1-7所示。“380”指输出控制端可控硅耐压为电压有效值380V，“3”指最大电流有效值3A，“P”指控
8、制模式为随机型。图1-7 SSR_380D03P内部结构图SSR_380D03P属随机型控制元件，其对交流电压控制波形图如图1-8所示。图1-8 SSR_380D03P交流电压控制波形1.3.3 相控式单相交流调压系统框图相控式单相交流调压系统框图如图1-9所示。单片机系统是控制核心，包括电压设定值输入电路、电压设定值和测量值显示电路、单片机系统电路。完成的主要功能是将输出电压值快、准、稳地调整到设定值。图1-9 相控式单相交流调压系统框图第2章 硬件电路设计2.1 系统结构概述图2-1 基于单片机和CPLD的单相交流相控调压系统电路以MSP430F169单片机作为系统控制单元，外配4MHz主
9、晶振和32768Hz的辅助晶振、复位电路、按键电路、1602显示器构成单片机小系统，如图2-1所示；单片机通过按键读取用户的设置输出电流值，再通过A/D转换发出给定值，电流检测电路通过D/A转换把输出值传回单片机，单片机通过比较微调输出值。2.2 MSP430系列单片机简介2.2.1 MSP430系列单片机的特点 MSP430系列单片机是美国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系列单片机具有超低功耗、强大的处理能力、高性能模拟技术及丰富的片上外围模块、方便高效的开发环境等优点。强大的处理能力 MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机，采用了
10、精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。2.2.2 MSP430F169引脚功能1PIO端口是并行输入输出端口，8位。MSP430单片机PIO端口特点： （1）引脚丰富： P1，P2，P3，P4，P5，P6。 （2）功能丰富：I/O，中断能力，其它片内外设功能。 （3）寄存器丰富：P1与P2各有7个寄存器，P3、P4、P5
11、、P6有四个寄存器。 2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。 3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）： （1）P3IN：输入寄存器。（2）P3OUT：输出寄存器。（3）P3DIR：方向选择寄存器。（4）P3SEL：功能选择寄
12、存器。4其他功能引脚： （1）RST/NMI：复位输入，不可屏蔽中断输入端口。 （2）TCK ：测试时钟，TCK是芯片编程测试和bootstrap loader启动的时钟输入端口。 （3）TDI ： 测试数据输入，TDI用作数据输入端口，芯片保护熔丝连接到TDI。 （4）TDO/TDI ：测试数据输出端口，TDO/TDI数据输出或者编程数据输出引脚。 （5）TMS ：测试模式选择，TMS用作芯片编程和测试的输入端口。 （6）VeREF+ ：外部参考电压的输入。 （7）VREF+ ：参考电压的正输出引脚。 （8）VREF-/VeREF-： 内部参考电压或者外加参考电压的引脚。2.3 LCM128
13、64液晶显示器2.3.1 LCM12864液晶显示模块简介LCM12864液晶显示模块是由128列64行液晶显示点阵和其控制电路组成，整个电路板外形、尺寸如图2-2所示。该显示模块不仅可以显示数字，还可以显示汉字和图形。模块电路板下端有20个接线引脚，其中VDD与VSS引脚是LCM12864液晶模块电源与地接入端，VOUT是LCM12864液晶模块自生成负电压输出端。VO 需要一个外部的0V-10V 负压输入，可接入电位器调整液晶灰度。在背光电路中需要串接5 欧姆电阻，直接将背光接入电源可能会造成损坏。其余引脚由单片机控制。图2-2 LCM12864液晶显示模块外型图LCM12864液晶显示模
14、块的引脚定义如表2-1所示。表2-1 LCM12864引脚说明标号名称参数说明1VSSGND 0V模块电源地2VDD+5V模块电源 +5V DC3VO0V -10V外部液晶偏置电压输入端4D/IH/LH：数据；L：指令5R/WH/LH：MPU LCM读数据；L：MPU LCM写数据6EH/LLCM使能7DB0H/L数据线 0(H表示高电平,L表示低电平8DB1H/L数据线 19DB2H/L数据线 210DB3H/L数据线 311DB4H/L数据线 412DB5H/L数据线 513DB6H/L数据线 614DB7H/L数据线 715CS1H/L左半屏使能(低电平有效)16CS2H/L右半屏使能(
15、低电平有效)17/RSTH/LLCM复位(低电平有效)18VOUTGND 0V模块电源地19SLA+5VLED背光电源+5V DC20SLKGND 0VLED背光电源 地3.3.2 LCM12864驱动电路MSP430F169单片机与LCM12864接口电路如图2-3所示。图2-3 单片机与LCM12864接口电路2.3.3 单片机与LCM12864接口时序完成硬件连接后，显示内容由程序控制。编程时可认为LCM12864模块是一个可双向数据传输的外设，当输出、输入数据（含模块命令）时，必须按时序控制其命令线和数据线。LCM12864模块接收到数据（含模块命令）后，根据命令线状态和数据内容进行译
16、码，完成相应操作。写数据时序图如图2-4所示。当读/写线为低电平时，单片机通过数据线向LCM12864液晶显示模块中写入数据。当使能端由低电平变高电平时，数据写入。当CS1输入低电平时，为左半屏使能，在左半屏显示数据。当CS2输入低电平时，为右半屏使能，在右半屏显示数据。当D/I输入为高电平时，为输入数据，当输入为低电平时，为输入指令。读数据时序图如图2-5所示。当R/W输入为高电平、使能端由低电平变高电平时，单片机读数据。图2-4写数据时序图图2-5读数据时序图2.4 运算放大器UA7412.4.1 UA741优点 宽范围的共模电压和无阻塞功能可用于电压跟随器。高增益和宽范围的工作电压特点在
17、积分器、加法器和一般反馈应用中能使电路具有优良性能。（1）无频率补偿要求；（2）短路保护；（3）失调电压调零；（4）大的共模、差模电压范围；（5）低功耗。图2-6 741型运算放大器的封装图管脚1和5为调零端，管脚2为运放反相输入端，管脚3为同相输入端，管脚6为输出端，管脚7为正电源端，管脚4为负电源端，管脚8为空端。通常，在两个调零端接一至几十千欧的电位器，其滑动端接负电源，如图所示。调整电位器，可使失调电压为零。2.4.2 放大器的功能 放大信号，缓冲隔离，准位转换，阻抗匹配，将电压转换为电流或电流转换为电压等。2.4.3 UA741的使用 使用时需在7、4脚加一对同等大小的正负电源电压+
18、与-，一旦在2、3脚有电压差存在，压差就会被放大到输出端，其输出电压决不会大于正电源电压+或小于负电源电压-，输入电压差经放大后若大于外接电源电压+与-，其值会等于+或-。如图所示：图2-7 压差与输出电压的关系若在同相输入端输入电压，会在输出端得到被放大的同极性输出；若在反相输入端输入电压，会在输出端得到被放大的呈逆极性信号的输出；当两输入端同时输入电压时，则是以同相输入端电压值（）减去反相输入端电压值（），可与输出端得到（-）经过同样倍率放大后的输出。图2-8 放大器基本输出入关系图2.5 触发控制脉冲发生电路2.5.1 触发控制脉冲发生电路电路图触发控制脉冲发生电路由时钟电路、复杂可编程
19、逻辑器件和反相器构成，电路图如图2-9所示。图2-9 触发控制脉冲发生电路控制脉冲发生电路在收到鉴相信号后，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： (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。2.5.2 复杂可编程逻辑器件程序设计本设计中采用图形法
20、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2-10所示，外引脚图如图2-11所示。图2-10 触发控制CPLD总符号图图2-11 触发控制CPLD外引脚图总符号图图2-10中各内部元件逻辑设计如下所述：1控制器1：正半周脉冲控制器contro_1逻辑符号图如图2-12所示。图2-12 正半周脉冲控制器contro_1逻辑符号图 2控制器2：负半周脉冲控制器contro_2逻辑符号图如图2-13所示。图2-13 负半周脉冲控制器contro_2逻辑符号图第3章 软件流程设计3.1 主程序框图主程序流程图如图3-1所示，单片机的主程序主要完成系统片内功能模
21、块的初始化，包括关闭看门狗、系统时钟初始化、定时器A初始化、定时器B初始化。系统各模块初始化完毕后，单片机进入低功耗模式休眠等待定时器唤醒执行定时器子程序。图3-1 主程序流程图3.2 定时器A中断子程序定时器A程序流程图如图3-2所示，定时器A定时时间为500ms，扫描是否有按键按下并更新屏幕显示；若检测到有按键被按下则执行相应程序，可完成设定电流输出值等设置。图3-2 定时器A程序流程图第4章 系统使用说明及实验设计4.1 测量操作过程 实验板220V端子接实验台三相交流电任意一端和N端，负载端串接一电阻性负载。按模式选择键来选择是手动演示还是自动演示。如果是自动演示，则触发角在一定的时间
22、内增加10度，直到增加到180度时清零，然后继续增加完成循环。当进入手动演示模式，可以通过“+10”，“-10”键来控制触发角，然后接上电阻性负载，通过按键手动设置触发角，并记录触发角为10度到180度时的负载电压。4.2 测试数据及结果分析4.2.1 测试数据相位理论值测试值（V）误差相位理论值测试值（V）误差10度216.36220-3.64100度169.96155.114.8620度213.80220-6.2110度161.73139.422.3330度209.87218-10.13120度150.70114.536.240度206.66215-13.34130度139.7092.24
23、7.550度202.02212-17.98140度124.9284.840.1260度197.90205-22.1150度11067.242.870度191.84194-2.16160度89.2046.342.980度184.961840.96170度64.9631.133.8690度178.6166.112.50度220221-14.2.2 结果分析 通过上表中的数据，不难发现输出电压和计算电压之间存在误差，误差引起的因素包括硬件的设计，外界的干扰等。因此在以后的设计中，要对设计电路进行周密的思考，把误差减到最小。结 论本系统达到了预想要求。可以实现25V到220V调压。因为在实验台上通过示
24、波器上的波形来看出相位，因为视觉上的误差，所以这样的实验结果是有一定的偏差的，但是该设计可以精确设定我们所要求的相位，而误差会比用实验台上通过示波器观察要精确的多。能够顺利的完成此次专业综合设计，首先要感谢刘老师的悉心指导；以及小组成员的团结协作。本次课程设计，为我们提供了展示自我能力的舞台，也使我们深切认识到自身知识能力尚存在许多不足，更让我们体会到了电子技术与设计的趣味，以及其强大深远的实用性感谢老师给了我很大的帮助，同时也离不开同组同学热心帮助。通过本次设计，我在专业知识，专业技能和解决问题方法方面得到很大的提高，更深入并在单片机实际电路开发和常用编程设计思路掌握方面有了一定程度的掌握，
25、尽管本次设计还不是很完善，但这为我以后的设计之路积累了宝贵的经验。参考文献1胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机.北京：北京航空航天大学出版社，2001.2秦龙.MSP430单片机常用模块与综合系统.北京：电子工业出版社，2007.3曹磊.MSP430单片机C程序设计与实践.北京: 北京航空航天大学出版社，2007. 4康华光.电子技术基础 模拟部分. 北京：高等教育出版社.20025刘刚，孙玲玲，陈红.单相交流参数测量仪设计.吉林化工学院学报，2009（4）：44-47.6 杨欣.王玉凤编著.电子设计从零开始M.清华大学出版社，2005.10.7 王德银,张晨.MSP430系列单片机实用C语言程序设计M.北京:人民邮电出版社, 2005.8 胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发M.北京：北京航空航天大学出版社，2003附 录