大学生电子设计大赛LED照明用不间断恒流电源.docx
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大学生电子设计大赛LED照明用不间断恒流电源
大学生电子设计大赛
（J题）
《LED照明用不间断恒流电源》
（高职高专组）
参赛学生：
指导老师：
学校：
院系：
时间：
目录
摘要-------------------------------------------------02
一、方案设计与论证----------------------------------03
1、主控电路-------------------------------------------------03
2、显示电路-------------------------------------------------03
二、电路与程序设计-----------------------------------03
1、电路总体框图---------------------------------------------03
2、单元电路的设计-------------------------------------------03
三、分析与计算及改进-------------------------------------------04
1、整流滤波后电压的大小-------------------------------------04
2、提高效率的方法-------------------------------------------05
四、测试方案与测试结果---------------------------------------05
1、测试仪器及设备-------------------------------------------05
2、测试结果分析---------------------------------------------05
五、结论---------------------------------------------------------06
六、参考文献----------------------------------------------------06
附录--------------------------------------------------------------07
1、MSP430F149最小系统原理图---------------------------------07
2、电路总体框图---------------------------------------------07
3、降压电路原理图-------------------------------------------08
4、升压电路原理图-------------------------------------------08
5、LED驱动电路原理图---------------------------------------08
6、备用电源欠压保护电路设计框图----------------------------09
7、自动调光电路设计框图------------------------------------09
8、EMI抑制电路设计-----------------------------------------09
摘要
本系统有主电源和备用电源两部分，主电源和备用电源能进行自主切换并实现恒流输出，电源具备短路保护和欠压保护功能。
系统以MSP430F149单片机为主控制器结合变压器、整流滤波、DC-DC变换、A/D模块ADS1251U电压信号采集、D/A模块DAC8522输出数字信号实现LED亮度自动调节。
12864液晶实时显示数据，本系统较好的完成了设计任务的基本要求和发挥部分的要求，在部分电路的设计中优于设计指标。
关键字：
MSP430F149单片机、12864液晶屏、DAC8522、ADS1251U、DC-DC变换
一、方案设计与论证
1、主控电路
根据要求，我们拟定了以下两种方案并进行了综合的比较论证，具体如下：
方案一：
采用89C52单片机操作简单，价格低廉，运用技术成熟，应用范围广泛，可以实现要求的一些基本功能。
但考虑该单片机功耗相对较大，运算速度较慢，所以我们不采用这种方案。
方案二：
控制器模块采用MSP430F149单片机作为控制芯片，MSP430F149芯片具有功耗低、运算速度快、精度高、I/O口丰富等特点，适合多个外部中断处理，片内集成12位ADC，采样速率高。
方案选择：
综合以上考虑，我们选择方案二。
MSP430F149单片机最小系统图（见附录）。
2、显示电路
方案一：
用数码管进行显示。
数码管显示速度快，操作简单，显示效果简洁明了。
但是不能显示字母和汉字，显示内容较少，人机关系较差。
而且需要单片机实时扫描，占用单片机CPU内存多。
方案二：
1602字符液晶，只能显示两行字母和数字，使用不便。
方案三：
12864图形液晶，内带中文字库，可直接显示中文，多种显示模式，使用方便。
方案选择：
综合以上考虑，我们选择方案三。
采用12864液晶，操作简单，可直接用MSP430F149单片机IO口控制。
12864液晶使用ST7920控制器，5V电压驱动，带背光，内置8192个16*16点阵、128个字符（8*16点阵）及64*256点阵显示RAM。
与外部CPU接口采用并行或串行两种控制方式。
二、电路与程序设计
1、电路总体框图
（见附录）。
2、单元电路的设计
2.1降压电路
降压电路（该原理图见附录）采用降压芯片LMK2596S进行降压，该电路为变压器次级输出的20V交流电经过整流、滤波后通过DC-DC电路降压到8V，最大电流为1A。
2.2升压电路：
升压电路（该原理图见附录）采用升压芯片XL6009进行升压，当主电源断电后，备用电源（3V-4.2V）经过升压电路升压后，输出电压为8V，输出电流最大1A。
2.3LED驱动电路设计
该电路（原理图见附录）采用大功率CMOS管IRF840进行设计，将RP1调整到适当的位置，通过调整电位器RP2能使IRF840漏极电流在300Ma~500mA内恒流输出。
2.4备用电源欠压保护电路设计
该电路利用单片机对备用电源电压进行采样，当采样值低于3V时单片机动作控制继电器断开，使备用电源与升压电路断开，用以保护蓄电池。
2.5短路保护电路
在220v输出电路中加有自恢复保险丝来保护电路，当后级电路中发生短路情况后，保险丝会自动切断电路，当电路正常后，保险丝会自动恢复畅通，正常工作。
2.6自动调光电路设计
自动调光电路采用光敏电阻作为感光元件，利用光敏电阻的采取的感光强弱来转换成高低电平信号，使用模数转换芯片ADS1251U将电压信号采回到单片机，当光照强度较高时，单片机控制设置的负载电流为500mA,让LED亮度可随环境光线增强而自动降低。
2.7开机冲击电流
开机冲击电流采用热敏电阻串联在电源输入端，温度较低时电阻很大，随着电阻发热温度升高，电阻逐渐变小，达到抑制开关冲击电流过大的目的。
2.8EMI抑制电路设计
本电路是利用电感和电容的特性，使频率为50Hz左右的交流电可以顺利通过滤波器，但高于50Hz以上的高频干扰杂波被滤波器滤除，这就使开关电源产生的高频谐波被滤掉而不会污染电网。
三、分析与计算及改进
1、整流滤波后电压的大小
用20V的交流变压器将220V市电变压并整流后直流电压为U,经滤波后的电压为U1，则：
U1=U*1.2=24V
考虑在全波整理信号滤波之前加入校正电路，可以有效的改善整流滤波后交流电的纹波，可以提高滤波后的电压值，进而改善电路的功率因数。
2、提高效率的方法
在设计电路中选择合适的开关器、变压器、滤波器、输出整流器、等所有功率器件，以及供电输入端和负载端，尽可能使用最少的元器件，降低开关频率;控制电路尽可能使用数字方法实现等都可以有效地提高系统的效率。
四、测试方案与测试结果
1、测试仪器及设备
（1）工频变压器
（2）RigolDM3052台式数字万用表
（3）RigolDP1116A可编程线性直流电源
（4）DT9205A数字万用表
（5）RigolDS1302CA高性能数字示波器
2、测试结果分析
在输入电压220v、50HZ电压变化范围+15%~20%条件下，变压器次级输出的20V交流电经过整流桥、滤波后通过DC-DC电路降压到8V，最大电流为1A。
测试结果分析如下表：
测试次数
输入电压（v）
输出电压（v）
输出电流（A）
1
176
7.98
0.98
2
186
7.98
0.98
3
196
7.99
0.99
4
206
7.99
0.99
5
216
8.0
1.0
6
226
8.0
1.0
7
236
8.0
1.0
8
246
8.01
1.01
9
253
8.01
1.01
当主电源断电后，备用电源（3V-4.2V）经过升压电路升压后，输出电压为8V，输出电流最大1A。
从下表两次测试结果可以得出：
当电池电压低于3V时升压电路关断，输出为0V，静态电流在20uA到50uA之间。
A、当升压电路输入电压在3V~4.2V内测试数据下：
测试次数
输入电压（v）
输出电压（v）
输出电流（A）
1
3.0
7.98
0.98
2
3.1
7.98
0.98
3
3.2
7.98
0.98
4
3.3
7.99
0.99
5
3.4
7.99
0.99
6
3.5
7.99
0.99
7
3.6
8.0
1.0
8
3.7
8.0
1.0
9
3.8
8.0
1.0
10
3.9
8.0
1.0
11
4.0
8.0
1.0
12
4.1
8.0
1.0
13
4.2
8.0
1.01
B、当输入电压小于3V时，测试结果如下：
测试次数
输入电压（v）
输出电压（v）
静态电流（ua）
1
2.0
0.0
0
2
2.1
0.0
0
3
2.2
0.0
0
4
2.3
0.0
1
5
2.4
0.0
2
6
2.5
0.0
2
7
2.6
0.0
3
8
2.7
0.01
5
9
2.8
0.01
5
10
2.9
0.01
6
五、结论
本系统利用MSP430F149单片机控制，结合数模和模数转换、液晶显示等外围电路，经过我们四天三夜的设计与制作，完成了题目的基本要求与发挥要求，并在此基础上加入了我们自己的想法。
在制作过程中我们遇到了一些困难，曾一度陷入困境，但通过团队的共同努力，从各个方面仔细分析，多角度思考，终于解决了所有问题，圆满的完成了作品，提高了我们分析及解决问题的能力，同时也深刻的体会到了共同协作和团队精神的重要性，使我们获益匪浅。
六、参考文献
【1】秦增煌.电工学模电部分（第七版）.北京.高等教育出版社，2009年
【2】谭浩强.C程序设计（第四版）.北京.清华大学出版社，2010.
【3】黄根春等编著.全国大学生电子设计竞赛教程——基于TI器件设计方法.北京.电子工业出版社,2011年
【4】胡大可.,MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用.北京航空航天大学出版社，2001年
附录：
1、MSP430F149最小系统原理图
图1
2、电路总体框图
1、
2、
3、
4、
5、
6、
图2
3、降压电路原理图
图3
4、升压电路原理图
图4
5、LED驱动电路原理图
图5
6、备用电源欠压保护电路设计框图
图6
7、自动调光电路设计框图
图7
8、EMI抑制电路设计
图8
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