基于MSP430單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

李銀橋，劉裕凌，劉學(xué)鋒，黃 山

(上海大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，上海 200444)

基于MSP430單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

李銀橋，劉裕凌，劉學(xué)鋒，黃 山

(上海大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，上海 200444)

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，大量高精度電子設(shè)備出現(xiàn)，這些設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行都離不開(kāi)高品質(zhì)直流穩(wěn)壓電源的支持;基于MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款數(shù)控直流穩(wěn)壓電源，該電源由單片機(jī)控制電路、穩(wěn)壓輸出電路、液晶顯示電路、輔助電源電路等組成;可通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)輸出電壓的預(yù)置，并通過(guò)液晶顯示，輸出電壓在0～20 V之間可調(diào)，通過(guò)“+”“-”兩鍵操作，電壓最小步進(jìn)值為0.1 V，可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置輸出電壓值;該電源帶負(fù)載能力強(qiáng)，具有過(guò)流過(guò)壓保護(hù)功能，并且具有精度高、穩(wěn)定性好，線路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

單片機(jī)；穩(wěn)壓電源；高精度；穩(wěn)壓芯片

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)普及到我們生活，工作，科研，各個(gè)領(lǐng)域[1]，各種電子設(shè)備大量涌現(xiàn)，為其供電的電源電路在整機(jī)電路中的重要性不言而喻，它的性能將會(huì)直接地影響到整個(gè)電子產(chǎn)品的精度和穩(wěn)定性等各項(xiàng)指標(biāo)[2]。尤其在對(duì)電源要求較高的場(chǎng)合，對(duì)電源的精度和穩(wěn)定性等性能提出了更高的要求。數(shù)控電源自20世紀(jì)80年代以來(lái)取得了很快的發(fā)展[3-6]，但仍存在一些缺點(diǎn)，如數(shù)控程度達(dá)不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差等。單片機(jī)技術(shù)及電壓轉(zhuǎn)換模塊的出現(xiàn)為精確數(shù)控電源的發(fā)展提供了有利的條件。曾素瓊等(2015)設(shè)計(jì)的以51單片機(jī)為核心的數(shù)控直流電源基本能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的靈活、穩(wěn)定輸出，精度相對(duì)傳統(tǒng)電源有所提高[7]，但仍存在一些不足：51單片機(jī)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換為8位，相對(duì)MSP430的10位AD，精度偏低；另外，51單片機(jī)片內(nèi)資源相對(duì)匱乏，使得外部電路設(shè)計(jì)復(fù)雜。韓雨航等(2013)設(shè)計(jì)的以MSP430為核心數(shù)控直流電源[8]，提高了輸出電壓的精度，但其通過(guò)外部DA轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生PWM脈沖，增加了電路的復(fù)雜度和成本開(kāi)銷。本文基于MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一款數(shù)控直流穩(wěn)壓電源。MSP430單片機(jī)具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源實(shí)現(xiàn)了電壓的穩(wěn)定、精確輸出，且有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，電路簡(jiǎn)單。

1 功能設(shè)計(jì)

該電源具有電壓的鍵盤設(shè)定和液晶顯示等功能。鍵盤設(shè)有4個(gè)按鍵：復(fù)位鍵，步進(jìn)鍵，增減兩個(gè)按鍵。步進(jìn)鍵可實(shí)現(xiàn)0.1 V、0.5 V、1 V、5 V的電壓步進(jìn)，最小步進(jìn)值為0.1 V，精度更高，復(fù)位鍵用于恢復(fù)設(shè)定的電壓初始值(10 V)，步進(jìn)鍵和增減鍵用于設(shè)定輸出電壓值。電源啟動(dòng)默認(rèn)輸出電壓值為10 V，并且具有自動(dòng)識(shí)別功能，不接受超出使用范圍的設(shè)定值(0～20 V)。輸出電壓由LCD1602液晶顯示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電路原理

本電路分為控制模塊和穩(wěn)壓模塊。控制模塊以MSP430為控制核心，反饋電壓改變單片機(jī)PWM占空比，控制LM2576穩(wěn)壓輸出，并由LCD1602液晶顯示；穩(wěn)壓模塊由LM2576穩(wěn)壓輸出電路、輔助電源電路等組成。電路原理如圖1所示。

圖1 電路原理圖

2.2 控制模塊

2.2.1 MSP430G2553的引腳分析

MSP430G2553的引腳封裝圖見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9]，芯片原理如圖2所示。其中，各個(gè)引腳的功能為：1號(hào)引腳(DVCC)，芯片供電(片內(nèi)數(shù)字電路電源)輸入引腳，使用時(shí)連接到電源正極；20號(hào)引腳(DVSS)，芯片接地引腳，使用時(shí)接地；2號(hào)引腳(P1.0)，利用它的10位的AD功能；4號(hào)引腳(P1.2)，利用定時(shí)器的比較輸出功能來(lái)輸出PWM；5、6、7號(hào)引腳(P1.3 、P1.4 、P1.5)，作為按鍵的控制口；3、14、15號(hào)引腳(P1.1、P1.6、P1.7)，作為液晶的控制口；8～13、18、19引腳(P2)，作為液晶的數(shù)據(jù)口；16號(hào)引腳(RST)，芯片復(fù)位引腳。

圖2 MSP430G2553芯片原理圖

圖5 穩(wěn)壓回路原理圖

2.2.2 LCD1602液晶顯示模塊

顯示模塊為本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)模塊，用于實(shí)時(shí)顯示輸出電壓值。這里采用LCD1602液晶顯示，其主要參數(shù)為：顯示容量(16*2個(gè)字符)，芯片工作電壓(4.5～5.5 V)，工作電流(2.0 mA)，模塊最佳工作電壓(5.0 V)。

數(shù)據(jù)線DB0-DB7連接單片機(jī)的P0口，RS、R/W、E，3條控制線分別接單片機(jī)的P1.4、P1.5、P1.6口。電阻R38用來(lái)設(shè)置背光的亮度。LCD1602液晶顯示模塊原理如3所示。

圖6 輔助電源電路原理圖

圖3 LCD1602液晶顯示模塊原理圖

2.2.3 輸出電壓采集反饋電路模塊

此模塊功能為采集輸出電壓并反饋給MSP430單片機(jī)以進(jìn)行電壓的比較輸出。用到的芯片為L(zhǎng)F353N，LF353N是一個(gè)低成本，高速率，JFET輸入的運(yùn)算放大器，具有很低的偏置電壓。只需很低的工作電流就會(huì)產(chǎn)生很高增益帶寬輸出和轉(zhuǎn)換速率，應(yīng)用于高速集成、數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換、采樣和保持電路中。輸出電壓采集反饋電路模塊原理如4圖所示。

圖4 輸出電壓采集反饋電路模塊原理圖

2.2 穩(wěn)壓模塊

2.2.1 穩(wěn)壓回路電路設(shè)計(jì)

在穩(wěn)壓回路中所涉及的芯片有肖特基二極管(IN5822)、開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器(LM2576HVT-ADJ)和整流二極管(1N4007)。穩(wěn)壓回路原理如圖5所示。

2.2.2 輔助電源電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)輸入電壓發(fā)生跳變而反饋電壓來(lái)不及調(diào)整時(shí)，輸出電壓同樣會(huì)發(fā)生跳變，為此，采用輔助電源，使得穩(wěn)壓電路的瞬態(tài)穩(wěn)定性得到了很大的改善。輔助電源電路原理如圖6所示，220 V交流電壓經(jīng)過(guò)變壓器、整流橋，濾波電路，線性穩(wěn)壓芯片LM7805、LM7905得到+5 V、-5 V的輸出。

2.3 解決的技術(shù)難點(diǎn)

1)調(diào)整濾波網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)使電壓中的交流成分最大限度的衰減以實(shí)現(xiàn)直流電壓的穩(wěn)定輸出。

2)為增強(qiáng)電源的帶負(fù)載能力，在電源的輸出端添加雙向磁珠。

3)為提高電源電路的穩(wěn)定性，采用高度集成的芯片，如：MSP430G2553。

圖7 程序設(shè)計(jì)流程圖

3 軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出，輸出電壓采樣反饋，輸出電壓液晶顯示等功能，需要軟件設(shè)計(jì)的支持。

3.1 PWM控制

PWM(脈寬調(diào)制)是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在測(cè)量、通信、功率控制與變換等許多領(lǐng)域中，其原理是通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效的獲得所需要的波形。PWM對(duì)脈沖寬度的調(diào)節(jié)一般采用硬件的方式，如在系統(tǒng)中增加PWM電路或者PWM控制器，但其相應(yīng)速度慢，成本高，還存在兼容性等問(wèn)題。另外，控制系統(tǒng)中的信號(hào)采樣通常是由A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)完成，因此檢測(cè)精度要求較高，電路復(fù)雜，從而使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成本居高不下。

本文利用TI生產(chǎn)的新型單片機(jī)MSP430G2553中的Timer A定時(shí)器實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)節(jié)。為了可在使用少量外圍電路的情況下實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的高精度測(cè)量和控制，一方面利用時(shí)間量采樣，在省去1片A/D的情況下得到12位的高精度；另一方面在定時(shí)中斷內(nèi)完全用軟件實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)節(jié)，以易于進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信和顯示。該方案可以解決中斷內(nèi)波形產(chǎn)生的實(shí)時(shí)在線計(jì)算和計(jì)算精度問(wèn)題，可實(shí)時(shí)、精確的設(shè)定脈沖寬度。

3.2 程序設(shè)計(jì)

利用C語(yǔ)言對(duì)電源的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)[10]，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能。程序主要包括主程序、按鍵掃描中斷子程序、AD采樣子程序。主程序包括三部分功能：1)單片機(jī)從按鍵中讀取數(shù)據(jù)，調(diào)整PWM波的占空比，控制LM2567的輸出電壓；2)利用單片機(jī)內(nèi)部AD對(duì)輸出進(jìn)行采樣，和設(shè)置電壓進(jìn)行對(duì)比；3)從單片機(jī)中讀取數(shù)據(jù)傳輸?shù)?602液晶顯示器，進(jìn)而顯示輸出電壓值。主程序流程如圖7所示。按鍵掃描中斷子程序?qū)崿F(xiàn)的功能為：外部中斷掃描按鍵是否按下，若檢測(cè)到有按鍵被按下則執(zhí)行相應(yīng)程序，完成設(shè)定電壓輸出值和更新屏幕顯示的操作。AD采樣子程序?qū)崿F(xiàn)功能為：AD采樣子程序主要是采集電路中的電壓信號(hào)，然后通過(guò)單片機(jī)運(yùn)算并顯示當(dāng)前的電壓大小。

4 性能分析

測(cè)試工具：20 V雙路直流穩(wěn)壓電源、萬(wàn)用表、負(fù)載電阻。測(cè)試方法：測(cè)試輸出電壓并和預(yù)設(shè)電壓作比較。

4.1 測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析

1)空載時(shí)，無(wú)反饋和有反饋的輸出電壓。在空載的條件下，電壓設(shè)定取值在0～20 V之間，對(duì)有反饋和無(wú)反饋的輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，觀察輸出電壓與設(shè)定值間的差值。

表1 直流穩(wěn)壓電源數(shù)據(jù)

由表1可知，在電源不帶負(fù)載的條件下，有反饋和無(wú)反饋的輸出電壓值和設(shè)定電壓值基本相同。但通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)反饋輸出電壓的誤差最大可達(dá)±0.07 V，有反饋的輸出電壓誤差僅為±0.02 V，穩(wěn)定度可達(dá)99.9%，體現(xiàn)了本數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的高穩(wěn)定性和可高精度調(diào)控輸出的特點(diǎn)。同時(shí)，由上表可知電源不可以輸出低于1.23 V的電壓，因?yàn)長(zhǎng)M2576芯片的基準(zhǔn)電壓為1.23 V，故輸出電壓不能低于芯片基準(zhǔn)電壓。

2)當(dāng)負(fù)載為220 Ω、50 Ω、5 Ω時(shí)，有反饋和無(wú)反饋的輸出電壓電源輸出端分別接入220 Ω，50 Ω，5 Ω的負(fù)載電阻，對(duì)有反饋和無(wú)反饋的輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，并與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比分析。

由表2可知，在帶相同負(fù)載的條件下，與無(wú)反饋的輸出電壓值相比，有反饋的輸出電壓值更加逼近設(shè)定值，在輸出功率較大時(shí)(負(fù)載5 Ω)有反饋的輸出電壓值與無(wú)反饋的輸出電壓值相差較大，有反饋的輸出電壓值接近設(shè)定值。由于本電源的最大輸出功率為20 W,所以負(fù)載為5 Ω設(shè)定電壓為15 V、20 V時(shí)，即使在有反饋的條件下電壓也不能正常輸出。加負(fù)載后，輸出電壓在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定到準(zhǔn)確值，響應(yīng)迅速。

表2 帶負(fù)載輸出電壓測(cè)試結(jié)果

5 總結(jié)

本文主要闡述了以MSP430單片機(jī)為核心的數(shù)控直流電壓源的設(shè)計(jì)，輸出電壓范圍為1.23～20 V，通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)電壓的設(shè)置，并通過(guò)液晶顯示，輸出電壓穩(wěn)定性好，調(diào)節(jié)精度高，并具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力、誤差小、線路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。由于LM2576穩(wěn)壓芯片基準(zhǔn)電壓的限制，本電源不能輸出低于1.23 V的電壓，此不足還有待改進(jìn)。

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Design of NC DC Regulated Power Supply Based on MSP430 MCU

Li Yinqiao，Liu Yuling，Liu Xuefeng，Huang Shan

(Shanghai University, Shanghai 200444, China)

With the development of power electronic technology, a lot of high-precision electronic devices appear, however, these devices can not work stable without the power, it’s essential to design a high quality power.This paper describers the design of NC DC power supply based on MSP430 micro-controller. The power is composed by micro-controller control circuit, stabilized voltage output circuit, LCD circuit and auxiliary power circuit. The output voltage can be set by the button “+” or “-” and displayed by LCD, the range is from 0 to 20 V, the minimum step value is 0.1 V, just setting the voltage what you want. The power supply can still output stable and precise voltage with various resistances, it also have protection function of over-current, and simple circuit.

micro-controller; stabilized voltage supply; high precision; regulator chip

2016-06-28；

2016-07-25。

李銀橋(1993-)，男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，主要從事空間信息處理及傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究。

劉學(xué)鋒(1967-)，男，湖北荊門人，教授，主要從事空間信息處理及傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究。

1671-4598(2016)12-0231-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.067

TM44

A