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1、吉林化工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： 学生姓名： 专业班级：电气 0801 指导教师： 职 称：副教授 起止日期：2011.08.292011.09.18 吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书课程设计任务书一、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
2、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（2011.08.292011.09.17）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
3、.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 9月 18 日成绩指导教师(签字):- I -目 录课程设计任务书I第1章 绪论11.1 实验原理11.2 实验目的11.3 设计方案11.4 总体方案及框图设计1第2章 硬件电路设计32.1 MSP430系列单片机系统32.1.1 MSP430系列单片机主要特点32.1.2
4、MSP430F169单片机结构概述32.1.3 低功耗结构42.1.4 PIO端口42.2 触发控制脉冲发生电路42.3 电源电路72.4 单相半控整流电路主电路82.5 LCM12864液晶显示模块与单片机接口102.5.1 单片机与LCM12864接口时序112.5.2 LCM12864驱动电路11第3章 软件流程设计13第4章 使用说明及实验设计144.1 系统使用说明144.2 实验设计144.3 实验结果15结 论16参考文献17附录 整体设计图18- 11 -第1章 绪论1.1 实验原理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
5、单相可控硅开通时间，达到调压目的。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 设计方案方案1：采用基于单片机和CPLD的单相半控整流调压。这种设计方法采用MSP430最小单片机系统电路和CPLD电路构成的控制信号来触发主电路实现半控蒸馏调压的。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，从而可以弥补
6、方案一带来的不足，而且此电路设计简单，对硬件要求不高，准确精度很高。而且没有PWM控制实现的调压带来的麻烦，不需要严格的电容要求，很容易实现，因此广泛采用。方案2：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。方案3：采用PWM 控制技术实现单相半控整流调压。此设计方法主要采用调制法和规则采
7、样法，调制法是通过信号波和载波电路调制而成，这种PWM你变电路存在关断信号的死去的时间问题，死去时间的长短受功率开关的影响，所以会给输出的PWM波形带来一定的影响。虽然规则采样是一种应用较广的工程使用的方法，但是与方案二相比其精度没有其高，实现起来比较复杂，输出电压也不易控制，以此不予采用。因此采用方案1。1.4 总体方案及框图设计本设计采用单片机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
8、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。图1-1 整体框图第2章 硬件电路设计2.1 MSP430系列单片机系统MSP430系列单片机是美国德州仪器1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。2.1.1 MSP430系列单片机主要特点1 超低功耗；2强大的处理能力；3高性能模拟技术及丰富
9、的片上外围模块；4系统工作稳定；5. 方便高效的开发环境；6.系列化产品。2.1.2 MSP430F169单片机结构概述MSP430F413单片机外型如图2-1所示。其结构特点如下：116位CPU通过总线连接到存储器和外围模块。 2. 直接嵌入仿真处理，具有JTAG接口。 MSP430F413系列单片机包含以下主要功能部件： CPU：MSP430系列单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面向控制的结构和指令系统。具有较高的执行速度和效率，增强了MSP430系列单片机的实时处理能力。 存储器：存储程序、数据以及外围模块的运行控制信息。分为程序存储器和数据存储器。 图2-1 MS
10、P430X169系列单片机外形图2.1.3 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。2.1.4 PIO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
11、：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）：（1）P3IN：输入寄存
12、器；（2）P3OUT：输出寄存器；（3）P3DIR：方向选择寄存器；（4）P3SEL：功能选择寄存器。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2-4所示。图2-4 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
13、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。时钟电路即产生象时钟一样准确的振荡电路，任何工作都按时间顺序。用于产生这个时间的电路就是时钟电路。时钟电路一般由晶体震荡器、晶震控制芯片和电容组成。复杂可编程逻辑器件程序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2-5所示，外引脚图如图2-6所示。当触发角数值分别为00H和80H时，其对应的仿真时序图如图2-7、2-8所示。图2-5触发控制CPLD总符号图图2-6 触发控制CPLD外引脚图图2-7 触发角为00H时的仿真时
14、序图图2-8 触发角为80H时的仿真时序图控制器1：正半周脉冲控制器contro_1逻辑符号图如图2-9所示。左边的D触发器的作用是“置1”，右边的D触发器的作用是“清零”。当9.2ms时，第二个触发器会“清零”，再立刻撤销，再“置1”，9.2ms过后则不会再有触发信号。当计数到255时，会来个Tc，以此循环。图2-9 contro_1逻辑符号图控制器2：负半周脉冲控制器contro_2逻辑符号图如图2-10所示。图2-10 contro_2逻辑符号图2.3 电源电路 电源电路如图2-11所示。图2-11 电源电路此电源电路由220V电压经过变压器变为7.5V，再经过整流桥，使交流电转变为直流电，C11和C12起到滤波的作用，经由7805和7905两个稳压块，得到+5V和-5V的电压提供给主电路，CPLD和单片机系统。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。此电源的基本工作原理为：工频交流电源经过变压器降压、 整流、滤波后成为一稳定的直流电。图中其余部分是起电压调节，实现稳压
