基于MSP430单片机的数控直流稳压电源的设计

李银桥，刘裕凌，刘学锋，黄 山

(上海大学 通信与信息工程学院，上海 200444)

基于MSP430单片机的数控直流稳压电源的设计

李银桥，刘裕凌，刘学锋，黄 山

(上海大学 通信与信息工程学院，上海 200444)

随着现代电力电子技术的不断发展，大量高精度电子设备出现，这些设备的稳定运行都离不开高品质直流稳压电源的支持;基于MSP430单片机设计并实现了一款数控直流稳压电源，该电源由单片机控制电路、稳压输出电路、液晶显示电路、辅助电源电路等组成;可通过按键实现输出电压的预置，并通过液晶显示，输出电压在0～20 V之间可调，通过“+”“-”两键操作，电压最小步进值为0.1 V，可根据实际需求设置输出电压值;该电源带负载能力强，具有过流过压保护功能，并且具有精度高、稳定性好，线路简单等特点。

单片机；稳压电源；高精度；稳压芯片

0 引言

随着时代的发展，数字电子技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域[1]，各种电子设备大量涌现，为其供电的电源电路在整机电路中的重要性不言而喻，它的性能将会直接地影响到整个电子产品的精度和稳定性等各项指标[2]。尤其在对电源要求较高的场合，对电源的精度和稳定性等性能提出了更高的要求。数控电源自20世纪80年代以来取得了很快的发展[3-6]，但仍存在一些缺点，如数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差等。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。曾素琼等(2015)设计的以51单片机为核心的数控直流电源基本能够实现电压的灵活、稳定输出，精度相对传统电源有所提高[7]，但仍存在一些不足：51单片机内部AD转换为8位，相对MSP430的10位AD，精度偏低；另外，51单片机片内资源相对匮乏，使得外部电路设计复杂。韩雨航等(2013)设计的以MSP430为核心数控直流电源[8]，提高了输出电压的精度，但其通过外部DA转换器产生PWM脉冲，增加了电路的复杂度和成本开销。本文基于MSP430单片机设计并实现一款数控直流稳压电源。MSP430单片机具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富等优点。本文设计的数控直流稳压电源实现了电压的稳定、精确输出，且有较强的带负载能力，电路简单。

1 功能设计

该电源具有电压的键盘设定和液晶显示等功能。键盘设有4个按键：复位键，步进键，增减两个按键。步进键可实现0.1 V、0.5 V、1 V、5 V的电压步进，最小步进值为0.1 V，精度更高，复位键用于恢复设定的电压初始值(10 V)，步进键和增减键用于设定输出电压值。电源启动默认输出电压值为10 V，并且具有自动识别功能，不接受超出使用范围的设定值(0～20 V)。输出电压由LCD1602液晶显示。

2 硬件设计

2.1 电路原理

本电路分为控制模块和稳压模块。控制模块以MSP430为控制核心，反馈电压改变单片机PWM占空比，控制LM2576稳压输出，并由LCD1602液晶显示；稳压模块由LM2576稳压输出电路、辅助电源电路等组成。电路原理如图1所示。

图1 电路原理图

2.2 控制模块

2.2.1 MSP430G2553的引脚分析

MSP430G2553的引脚封装图见参考文献[9]，芯片原理如图2所示。其中，各个引脚的功能为：1号引脚(DVCC)，芯片供电(片内数字电路电源)输入引脚，使用时连接到电源正极；20号引脚(DVSS)，芯片接地引脚，使用时接地；2号引脚(P1.0)，利用它的10位的AD功能；4号引脚(P1.2)，利用定时器的比较输出功能来输出PWM；5、6、7号引脚(P1.3 、P1.4 、P1.5)，作为按键的控制口；3、14、15号引脚(P1.1、P1.6、P1.7)，作为液晶的控制口；8～13、18、19引脚(P2)，作为液晶的数据口；16号引脚(RST)，芯片复位引脚。

图2 MSP430G2553芯片原理图

图5 稳压回路原理图

2.2.2 LCD1602液晶显示模块

显示模块为本设计的重点模块，用于实时显示输出电压值。这里采用LCD1602液晶显示，其主要参数为：显示容量(16*2个字符)，芯片工作电压(4.5～5.5 V)，工作电流(2.0 mA)，模块最佳工作电压(5.0 V)。

数据线DB0-DB7连接单片机的P0口，RS、R/W、E，3条控制线分别接单片机的P1.4、P1.5、P1.6口。电阻R38用来设置背光的亮度。LCD1602液晶显示模块原理如3所示。

图6 辅助电源电路原理图

图3 LCD1602液晶显示模块原理图

2.2.3 输出电压采集反馈电路模块

此模块功能为采集输出电压并反馈给MSP430单片机以进行电压的比较输出。用到的芯片为LF353N，LF353N是一个低成本，高速率，JFET输入的运算放大器，具有很低的偏置电压。只需很低的工作电流就会产生很高增益带宽输出和转换速率，应用于高速集成、数字到模拟转换、采样和保持电路中。输出电压采集反馈电路模块原理如4图所示。

图4 输出电压采集反馈电路模块原理图

2.2 稳压模块

2.2.1 稳压回路电路设计

在稳压回路中所涉及的芯片有肖特基二极管(IN5822)、开关型稳压器(LM2576HVT-ADJ)和整流二极管(1N4007)。稳压回路原理如图5所示。

2.2.2 辅助电源电路的设计

当输入电压发生跳变而反馈电压来不及调整时，输出电压同样会发生跳变，为此，采用辅助电源，使得稳压电路的瞬态稳定性得到了很大的改善。辅助电源电路原理如图6所示，220 V交流电压经过变压器、整流桥，滤波电路，线性稳压芯片LM7805、LM7905得到+5 V、-5 V的输出。

2.3 解决的技术难点

1)调整滤波网络的参数使电压中的交流成分最大限度的衰减以实现直流电压的稳定输出。

2)为增强电源的带负载能力，在电源的输出端添加双向磁珠。

3)为提高电源电路的稳定性，采用高度集成的芯片，如：MSP430G2553。

图7 程序设计流程图

3 软件设计

为实现电压的稳定输出，输出电压采样反馈，输出电压液晶显示等功能，需要软件设计的支持。

3.1 PWM控制

PWM(脉宽调制)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在测量、通信、功率控制与变换等许多领域中，其原理是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形。PWM对脉冲宽度的调节一般采用硬件的方式，如在系统中增加PWM电路或者PWM控制器，但其相应速度慢，成本高，还存在兼容性等问题。另外，控制系统中的信号采样通常是由A/D转换器来完成，因此检测精度要求较高，电路复杂，从而使设计的系统成本居高不下。

本文利用TI生产的新型单片机MSP430G2553中的Timer A定时器实现脉冲调节。为了可在使用少量外围电路的情况下实现控制系统的高精度测量和控制，一方面利用时间量采样，在省去1片A/D的情况下得到12位的高精度；另一方面在定时中断内完全用软件实现PWM调节，以易于进行数据的通信和显示。该方案可以解决中断内波形产生的实时在线计算和计算精度问题，可实时、精确的设定脉冲宽度。

3.2 程序设计

利用C语言对电源的程序进行设计[10]，实现了各项功能。程序主要包括主程序、按键扫描中断子程序、AD采样子程序。主程序包括三部分功能：1)单片机从按键中读取数据，调整PWM波的占空比，控制LM2567的输出电压；2)利用单片机内部AD对输出进行采样，和设置电压进行对比；3)从单片机中读取数据传输到1602液晶显示器，进而显示输出电压值。主程序流程如图7所示。按键扫描中断子程序实现的功能为：外部中断扫描按键是否按下，若检测到有按键被按下则执行相应程序，完成设定电压输出值和更新屏幕显示的操作。AD采样子程序实现功能为：AD采样子程序主要是采集电路中的电压信号，然后通过单片机运算并显示当前的电压大小。

4 性能分析

测试工具：20 V双路直流稳压电源、万用表、负载电阻。测试方法：测试输出电压并和预设电压作比较。

4.1 测试数据及测试结果分析

1)空载时，无反馈和有反馈的输出电压。在空载的条件下，电压设定取值在0～20 V之间，对有反馈和无反馈的输出电压进行测量，观察输出电压与设定值间的差值。

表1 直流稳压电源数据

由表1可知，在电源不带负载的条件下，有反馈和无反馈的输出电压值和设定电压值基本相同。但通过对比可以发现，无反馈输出电压的误差最大可达±0.07 V，有反馈的输出电压误差仅为±0.02 V，稳定度可达99.9%，体现了本数控直流稳压电源的高稳定性和可高精度调控输出的特点。同时，由上表可知电源不可以输出低于1.23 V的电压，因为LM2576芯片的基准电压为1.23 V，故输出电压不能低于芯片基准电压。

2)当负载为220 Ω、50 Ω、5 Ω时，有反馈和无反馈的输出电压电源输出端分别接入220 Ω，50 Ω，5 Ω的负载电阻，对有反馈和无反馈的输出电压进行测量，并与设定值进行对比分析。

由表2可知，在带相同负载的条件下，与无反馈的输出电压值相比，有反馈的输出电压值更加逼近设定值，在输出功率较大时(负载5 Ω)有反馈的输出电压值与无反馈的输出电压值相差较大，有反馈的输出电压值接近设定值。由于本电源的最大输出功率为20 W,所以负载为5 Ω设定电压为15 V、20 V时，即使在有反馈的条件下电压也不能正常输出。加负载后，输出电压在短时间内稳定到准确值，响应迅速。

表2 带负载输出电压测试结果

5 总结

本文主要阐述了以MSP430单片机为核心的数控直流电压源的设计，输出电压范围为1.23～20 V，通过按键实现电压的设置，并通过液晶显示，输出电压稳定性好，调节精度高，并具有较强的带负载能力、误差小、线路简单等优点。由于LM2576稳压芯片基准电压的限制，本电源不能输出低于1.23 V的电压，此不足还有待改进。

[1] 邓 坚, 杨燕翔, 齐 刚. 数控直流稳压电源设计[J]. 计算机测量与控制, 2008, 16(12):1991-1993.

[2] 李金赐, 董智锰. 基于MSP430F169与SG3525的高稳定度数控稳压电源[J]. 福建师大福清分校学报, 2015(2):71-78.

[3] 乔国良. 数控式直流稳压电源[J]. 计算机工程与科学, 1980(4).

[4] 金 光, 华 芳. 一种数控开关电源的设计[J]. 电子技术, 1992(1):9-13.

[5] 马 杰. DC/DC数控电源中降低输出纹波的研究[D]. 浙江大学, 2003.

[6] 刘旭梅. 数控直流稳压电源[J]. 科技致富向导, 2009(6):5-6.

[7] 曾素琼, 许 曾, 韩 健. 精准数控直流稳压电源的设计[J]. 电子质量, 2015(9):22-25.

[8] 韩雨航, 杜延磊. 基于 MSP430单片机的数控直流电源[J]. 电子制作, 2013(7).

[9] Texas Instrument.混合信号微控制器[EB/OL].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/msp430g2553.pdf.

[10] 元器件交易网.LM2576-ADJ中文资料[E/OL].http://wenku.baidu.com/link?url=6yZtfKvqnJSD2twtSbXKoSW_vRqObPBTrva6mnkLYZMAAgPUuYC4VoAXJ2NQ0NGGGg5TNj7A-eEe1jqR5cWzx1jM6Oi1XYPnO_DR4Wr_z87.

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。

李银桥(1993-)，男，山东济宁人，硕士研究生，主要从事空间信息处理及传感器网络方面的研究。

刘学锋(1967-)，男，湖北荆门人，教授，主要从事空间信息处理及传感器网络方面的研究。

1671-4598(2016)12-0231-03

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

TM44

A