專業(yè)綜合設計說明書基于單片機和CPLD的單相交流相控調(diào)壓系統(tǒng)設計

1、吉林化工學院信息與控制工程學院專業(yè)綜合設計說明書專業(yè)綜合設計說明書基于單片機和cpld的單相交流相控調(diào)壓系統(tǒng)設計學生學號： 學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 職 稱： 起止日期：2011.08.292011.09.18專業(yè)綜合設計任務書一、設計題目：基于單片機和cpld的單相交流相控調(diào)壓系統(tǒng)設計二、設計目的:1.理解單相交流相控調(diào)壓基本原理；2.掌握隨機型固態(tài)繼電器ssr模塊、復雜可編程器件cpld和msp430單片機使用方法；3.理解過零鑒相信號的獲取和觸發(fā)信號產(chǎn)生原理，掌握cpld器件的vhdl語言程序編程方法。4.掌握調(diào)壓程序和系統(tǒng)監(jiān)控程序設計方法和c430編程方法。三、設計任務及要求

2、1.設計單相交流相控調(diào)壓系統(tǒng)硬件電路；2.設計調(diào)壓系統(tǒng)cpld觸發(fā)信號發(fā)生程序；3.設計調(diào)壓系統(tǒng)單片機監(jiān)控程序；4.制作單相交流相控調(diào)壓系統(tǒng)，實現(xiàn)交流25v-220v調(diào)壓，撰寫設計說明書。四、設計時間及進度安排設計時間共三周,具體安排如下表：周次設 計 內(nèi) 容設計時間第一周學習復雜可編程器件cpld和msp430單片機使用方法，查找相關資料。設計基于單片機和cpld的單相交流相控調(diào)壓系統(tǒng)電路圖。2011.8.29-2011.9.4第二周設計cpld和msp430單片機程序和焊裝基于單片機和cpld的單相交流相控調(diào)壓系統(tǒng)。2011.9.5-2011.9.11第三周完成單相交流相控調(diào)壓系統(tǒng)調(diào)試，編

3、寫設計說明書。提交作品及設計說明書，評定專業(yè)綜合設計成績。2011.9.12-2011.9.18五、指導教師評語及學生成績指導教師評語:2011年 9 月18 日績指導教師(簽字):- i -目 錄專業(yè)綜合設計任務書i第1章 結(jié)論及總體框圖設計11.1 選題背景11.2 課題的設計目的11.3 相控調(diào)壓基本原理及功能框圖設計11.3.1 基本原理11.3.2 開關元件的選用31.3.3 相控式單相交流調(diào)壓系統(tǒng)框圖4第2章 硬件電路設計52.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述52.2 msp430系列單片機簡介62.2.1 msp430系列單片機的特點62.2.2 msp430f169引腳功能62.3 lcm12

4、864液晶顯示器72.3.1 lcm12864液晶顯示模塊簡介73.3.2 lcm12864驅(qū)動電路82.3.3 單片機與lcm12864接口時序92.4 運算放大器ua741102.4.1 ua741優(yōu)點102.4.2 放大器的功能112.4.3 ua741的使用112.5 觸發(fā)控制脈沖發(fā)生電路122.5.1 觸發(fā)控制脈沖發(fā)生電路電路圖122.5.2 復雜可編程邏輯器件程序設計13第3章 軟件流程設計153.1 主程序框圖153.2 定時器a中斷子程序15第4章 系統(tǒng)使用說明及實驗設計164.1 測量操作過程164.2 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析164.2.1 測試數(shù)據(jù)164.2.2 結(jié)果分析16結(jié)

5、 論17參考文獻18附 錄19- 19 -第1章 結(jié)論及總體框圖設計1.1 選題背景隨著單片機技術(shù)的不斷發(fā)展和cpld技術(shù)的不斷成熟使得單相交流相控調(diào)壓成為可能，單相交流相控調(diào)壓不論是在控制精度還是在可操作性上都有傳統(tǒng)方式無法比擬的優(yōu)勢。單相交流相控調(diào)壓源作為調(diào)壓的分支，在工程技術(shù)和測量領域中有著重要的實用價值，其涉及的應用由穩(wěn)定電磁場、校正電流表等擴展至激光、超導、現(xiàn)代通信和傳感技術(shù)等領域?；谀M電路的調(diào)壓電路雖然可以實現(xiàn)高精度、寬電流范圍輸出，但其結(jié)構(gòu)復雜, 調(diào)整困難，指示不直觀。隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制相控調(diào)壓開始出現(xiàn)，其以控制靈活、調(diào)節(jié)方便等特點展示了良好的應用前景。1.2 課

6、題的設計目的課程設計是學生理論聯(lián)系實際的重要實踐教學環(huán)節(jié)。通過課程設計使學生獲得以下幾方面能力，為畢業(yè)設計（論文）奠定基礎。1進一步鞏固和加深學生所學一門或幾門相關專業(yè)課（或?qū)I(yè)基礎課）理論知識，培養(yǎng)學生設計、計算、繪圖、計算機應用、文獻查閱、報告撰寫等基本技能。2 培養(yǎng)學生實踐動手能力及獨立分析和解決工程實際問題的能力。3 培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神、創(chuàng)新意識、嚴肅認真的治學態(tài)度和嚴謹求實的工作作風。1.3 相控調(diào)壓基本原理及功能框圖設計1.3.1 基本原理電阻負載單相交流調(diào)壓電路及波形圖如圖1-1所示。輸出電壓與 的關系：當移相范圍為0 a 。 a =0時，輸出電壓為最大。uo=u1, 隨 a

7、 的增大，uo降低，a =時，uo =0。圖1-1 電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形仿真電路如圖1-2所示，a =30、a =60、a =90、a =120時電路各點波形圖如圖1-3、1-4、1-5和1-6所示。圖1-2 電阻負載交流調(diào)壓仿真電路圖圖1-3 a =30時交流調(diào)壓電路各點波形圖1-4 a =60時交流調(diào)壓電路各點波形圖1-5 a =90時交流調(diào)壓電路各點波形圖1-6 a =120時交流調(diào)壓電路各點波形1.3.2 開關元件的選用開關元件選用ssr_380d03p，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1-7所示?！?80”指輸出控制端可控硅耐壓為電壓有效值380v，“3”指最大電流有效值3a，“p”指控

8、制模式為隨機型。圖1-7 ssr_380d03p內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ssr_380d03p屬隨機型控制元件，其對交流電壓控制波形圖如圖1-8所示。圖1-8 ssr_380d03p交流電壓控制波形1.3.3 相控式單相交流調(diào)壓系統(tǒng)框圖相控式單相交流調(diào)壓系統(tǒng)框圖如圖1-9所示。單片機系統(tǒng)是控制核心，包括電壓設定值輸入電路、電壓設定值和測量值顯示電路、單片機系統(tǒng)電路。完成的主要功能是將輸出電壓值快、準、穩(wěn)地調(diào)整到設定值。圖1-9 相控式單相交流調(diào)壓系統(tǒng)框圖第2章 硬件電路設計2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述圖2-1 基于單片機和cpld的單相交流相控調(diào)壓系統(tǒng)電路以msp430f169單片機作為系統(tǒng)控制單元，外配4mhz主

9、晶振和32768hz的輔助晶振、復位電路、按鍵電路、1602顯示器構(gòu)成單片機小系統(tǒng)，如圖2-1所示；單片機通過按鍵讀取用戶的設置輸出電流值，再通過a/d轉(zhuǎn)換發(fā)出給定值，電流檢測電路通過d/a轉(zhuǎn)換把輸出值傳回單片機，單片機通過比較微調(diào)輸出值。2.2 msp430系列單片機簡介2.2.1 msp430系列單片機的特點 msp430系列單片機是美國德州儀器公司于上世紀九十年代開發(fā)出的產(chǎn)品，已在許多領域得到了廣泛應用。msp430系列單片機具有超低功耗、強大的處理能力、高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點。強大的處理能力 msp430 系列單片機是一個 16 位的單片機，采用了

10、精簡指令集（risc）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數(shù)尋址、4 種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8mhz 晶體驅(qū)動下指令周期為 125 ns 。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。2.2.2 msp430f169引腳功能1pio端口是并行輸入輸出端口，8位。msp430單片機pio端口特點： （1）引腳豐富： p1，p2，p3，p4，p5，p6。 （2）功能豐富：i/o，中斷能力，其它片內(nèi)外設功能。 （3）寄存器豐富：p1與p2各有7個寄存器，p3、p4、p5

11、、p6有四個寄存器。 2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。 3沒有中斷功能的數(shù)據(jù)輸入、輸出端口p3、p4、p5和p6各寄存器符號和功能如下所述（以p3口為例）： （1）p3in：輸入寄存器。（2）p3out：輸出寄存器。（3）p3dir：方向選擇寄存器。（4）p3sel：功能選擇寄

12、存器。4其他功能引腳： （1）rst/nmi：復位輸入，不可屏蔽中斷輸入端口。 （2）tck ：測試時鐘，tck是芯片編程測試和bootstrap loader啟動的時鐘輸入端口。 （3）tdi ： 測試數(shù)據(jù)輸入，tdi用作數(shù)據(jù)輸入端口，芯片保護熔絲連接到tdi。 （4）tdo/tdi ：測試數(shù)據(jù)輸出端口，tdo/tdi數(shù)據(jù)輸出或者編程數(shù)據(jù)輸出引腳。 （5）tms ：測試模式選擇，tms用作芯片編程和測試的輸入端口。 （6）veref+ ：外部參考電壓的輸入。 （7）vref+ ：參考電壓的正輸出引腳。 （8）vref-/veref-： 內(nèi)部參考電壓或者外加參考電壓的引腳。2.3 lcm128

13、64液晶顯示器2.3.1 lcm12864液晶顯示模塊簡介lcm12864液晶顯示模塊是由128列64行液晶顯示點陣和其控制電路組成，整個電路板外形、尺寸如圖2-2所示。該顯示模塊不僅可以顯示數(shù)字，還可以顯示漢字和圖形。模塊電路板下端有20個接線引腳，其中vdd與vss引腳是lcm12864液晶模塊電源與地接入端，vout是lcm12864液晶模塊自生成負電壓輸出端。vo 需要一個外部的0v-10v 負壓輸入，可接入電位器調(diào)整液晶灰度。在背光電路中需要串接5 歐姆電阻，直接將背光接入電源可能會造成損壞。其余引腳由單片機控制。圖2-2 lcm12864液晶顯示模塊外型圖lcm12864液晶顯示模

14、塊的引腳定義如表2-1所示。表2-1 lcm12864引腳說明標號名稱參數(shù)說明1vssgnd 0v模塊電源地2vdd+5v模塊電源 +5v dc3vo0v -10v外部液晶偏置電壓輸入端4d/ih/lh：數(shù)據(jù)；l：指令5r/wh/lh：mpu lcm讀數(shù)據(jù)；l：mpu lcm寫數(shù)據(jù)6eh/llcm使能7db0h/l數(shù)據(jù)線 0(h表示高電平,l表示低電平8db1h/l數(shù)據(jù)線 19db2h/l數(shù)據(jù)線 210db3h/l數(shù)據(jù)線 311db4h/l數(shù)據(jù)線 412db5h/l數(shù)據(jù)線 513db6h/l數(shù)據(jù)線 614db7h/l數(shù)據(jù)線 715cs1h/l左半屏使能(低電平有效)16cs2h/l右半屏使能(

15、低電平有效)17/rsth/llcm復位(低電平有效)18voutgnd 0v模塊電源地19sla+5vled背光電源+5v dc20slkgnd 0vled背光電源 地3.3.2 lcm12864驅(qū)動電路msp430f169單片機與lcm12864接口電路如圖2-3所示。圖2-3 單片機與lcm12864接口電路2.3.3 單片機與lcm12864接口時序完成硬件連接后，顯示內(nèi)容由程序控制。編程時可認為lcm12864模塊是一個可雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐庠O，當輸出、輸入數(shù)據(jù)（含模塊命令）時，必須按時序控制其命令線和數(shù)據(jù)線。lcm12864模塊接收到數(shù)據(jù)（含模塊命令）后，根據(jù)命令線狀態(tài)和數(shù)據(jù)內(nèi)容進行譯

16、碼，完成相應操作。寫數(shù)據(jù)時序圖如圖2-4所示。當讀/寫線為低電平時，單片機通過數(shù)據(jù)線向lcm12864液晶顯示模塊中寫入數(shù)據(jù)。當使能端由低電平變高電平時，數(shù)據(jù)寫入。當cs1輸入低電平時，為左半屏使能，在左半屏顯示數(shù)據(jù)。當cs2輸入低電平時，為右半屏使能，在右半屏顯示數(shù)據(jù)。當d/i輸入為高電平時，為輸入數(shù)據(jù)，當輸入為低電平時，為輸入指令。讀數(shù)據(jù)時序圖如圖2-5所示。當r/w輸入為高電平、使能端由低電平變高電平時，單片機讀數(shù)據(jù)。圖2-4寫數(shù)據(jù)時序圖圖2-5讀數(shù)據(jù)時序圖2.4 運算放大器ua7412.4.1 ua741優(yōu)點 寬范圍的共模電壓和無阻塞功能可用于電壓跟隨器。高增益和寬范圍的工作電壓特點在

17、積分器、加法器和一般反饋應用中能使電路具有優(yōu)良性能。（1）無頻率補償要求；（2）短路保護；（3）失調(diào)電壓調(diào)零；（4）大的共模、差模電壓范圍；（5）低功耗。圖2-6 741型運算放大器的封裝圖管腳1和5為調(diào)零端，管腳2為運放反相輸入端，管腳3為同相輸入端，管腳6為輸出端，管腳7為正電源端，管腳4為負電源端，管腳8為空端。通常，在兩個調(diào)零端接一至幾十千歐的電位器，其滑動端接負電源，如圖所示。調(diào)整電位器，可使失調(diào)電壓為零。2.4.2 放大器的功能 放大信號，緩沖隔離，準位轉(zhuǎn)換，阻抗匹配，將電壓轉(zhuǎn)換為電流或電流轉(zhuǎn)換為電壓等。2.4.3 ua741的使用 使用時需在7、4腳加一對同等大小的正負電源電壓+

18、與-，一旦在2、3腳有電壓差存在，壓差就會被放大到輸出端，其輸出電壓決不會大于正電源電壓+或小于負電源電壓-，輸入電壓差經(jīng)放大后若大于外接電源電壓+與-，其值會等于+或-。如圖所示：圖2-7 壓差與輸出電壓的關系若在同相輸入端輸入電壓，會在輸出端得到被放大的同極性輸出；若在反相輸入端輸入電壓，會在輸出端得到被放大的呈逆極性信號的輸出；當兩輸入端同時輸入電壓時，則是以同相輸入端電壓值（）減去反相輸入端電壓值（），可與輸出端得到（-）經(jīng)過同樣倍率放大后的輸出。圖2-8 放大器基本輸出入關系圖2.5 觸發(fā)控制脈沖發(fā)生電路2.5.1 觸發(fā)控制脈沖發(fā)生電路電路圖觸發(fā)控制脈沖發(fā)生電路由時鐘電路、復雜可編程

19、邏輯器件和反相器構(gòu)成，電路圖如圖2-9所示。圖2-9 觸發(fā)控制脈沖發(fā)生電路控制脈沖發(fā)生電路在收到鑒相信號后，根據(jù)輸入觸發(fā)角數(shù)值進行延遲一定時間后發(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晶振作為復雜可編程邏輯器件（cpld）時鐘源，經(jīng)128分頻后，作為256延時計數(shù)器時鐘。50hz工頻交流電半個周期約為10ms，256延時計數(shù)器延時時間為： (2-1)觸發(fā)脈沖可在半個周期內(nèi)自動回低電平。設8位二進制數(shù)觸發(fā)角數(shù)值為n，256延時計數(shù)值小于該值時發(fā)低電平，大于等于該值時發(fā)高電平，使觸發(fā)脈沖延遲時間與觸發(fā)角數(shù)值成正比。2.5.2 復雜可編程邏輯器件程序設計本設計中采用圖形法

20、和vhdl語言編程法相結(jié)合對復雜可編程邏輯器件進行編程。觸發(fā)控制cpld總符號圖如圖2-10所示，外引腳圖如圖2-11所示。圖2-10 觸發(fā)控制cpld總符號圖圖2-11 觸發(fā)控制cpld外引腳圖總符號圖圖2-10中各內(nèi)部元件邏輯設計如下所述：1控制器1：正半周脈沖控制器contro_1邏輯符號圖如圖2-12所示。圖2-12 正半周脈沖控制器contro_1邏輯符號圖 2控制器2：負半周脈沖控制器contro_2邏輯符號圖如圖2-13所示。圖2-13 負半周脈沖控制器contro_2邏輯符號圖第3章 軟件流程設計3.1 主程序框圖主程序流程圖如圖3-1所示，單片機的主程序主要完成系統(tǒng)片內(nèi)功能模

21、塊的初始化，包括關閉看門狗、系統(tǒng)時鐘初始化、定時器a初始化、定時器b初始化。系統(tǒng)各模塊初始化完畢后，單片機進入低功耗模式休眠等待定時器喚醒執(zhí)行定時器子程序。圖3-1 主程序流程圖3.2 定時器a中斷子程序定時器a程序流程圖如圖3-2所示，定時器a定時時間為500ms，掃描是否有按鍵按下并更新屏幕顯示；若檢測到有按鍵被按下則執(zhí)行相應程序，可完成設定電流輸出值等設置。圖3-2 定時器a程序流程圖第4章 系統(tǒng)使用說明及實驗設計4.1 測量操作過程 實驗板220v端子接實驗臺三相交流電任意一端和n端，負載端串接一電阻性負載。按模式選擇鍵來選擇是手動演示還是自動演示。如果是自動演示，則觸發(fā)角在一定的時間

22、內(nèi)增加10度，直到增加到180度時清零，然后繼續(xù)增加完成循環(huán)。當進入手動演示模式，可以通過“+10”，“-10”鍵來控制觸發(fā)角，然后接上電阻性負載，通過按鍵手動設置觸發(fā)角，并記錄觸發(fā)角為10度到180度時的負載電壓。4.2 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析4.2.1 測試數(shù)據(jù)相位理論值測試值（v）誤差相位理論值測試值（v）誤差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139.7092.247.550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 結(jié)果分析 通過上表中的數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)輸出電壓和計算電壓之間存在誤差，誤差引起的因素包括硬件的設計，外界的干擾