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1、毕业论文毕业设计论文设计(论文)题目： 多亮度等级调光灯制作 下 达 日 期： 2008 年 11 月 日开 始 日 期： 2008 年 11 月 日完 成 日 期： 2009 年 01 月 日指 导 教 师： 学 生 专 业： 班 级： 学 生 姓 名： 教 研室主任： 信息工程 系摘 要本系统基于单片机MSP430F449为控制核心。通过控制可控硅的导通角控制灯的明亮程度。系统的硬件部分主要包括键盘、MSP430F449单片机、延时计数器、光电耦合电路、主控制电路，同步和过零检测电路。控制信号为简单的键盘输入，当不同的按键按下，可以直观的看到灯的多种亮度。主控制电路为非门、光电耦合器和双向
2、可控硅及电阻电容共同组成，在这里与双向可控硅并联的电阻和电容起对可控硅的保护作用。同步信号是通过变压器变压并经过光电耦合电路取得。软件是由C语言编写，编译链接后下载到MSP430F449中运行。软件能够实现本设计的功能要求，程序通过键盘信号采集、时序生成和对延时计数器赋值来产生符合要求的控制信号。本设计结构简单，易于实现，性能稳定实用。关键词：MSP430F449微控制器，单片机，可控硅AbstractThe MSP430F449 MCU-based system for the control of the core uses SCR to control the on-angle cont
3、rol of the bright lights degree。The hardware，includes some of the major keyboard，MSP430F449 microcontroller，Phase delay circuit，photoelectric coupled circuit，the main control circuit，synchronization and zero detection circuit。Control signal for the simple keyboard input，when a different button press
4、，you can see the lights of the visual variety of brightness.Keywords: MSP430F449 Microcontroller，Single-Chip Microcomputer，SCR目 录摘 要1目 录2第一章 绪论51.1单片机介绍51.2单片机的分类51.3单片机的发展趋势61.4单片机的组成及特点71.4.1单片机的组成81.4.2单片机的特点81.5单片机的发展91.5.1单片机发展的三大阶段91.5.2单片机发展简史91.6单片机的应用10第2章 设计方案论述112.1可控硅介绍112.1.1可控硅的分类112.1
5、.2可控硅的主要参数112.1.3常用封装形式122.1.4主要生产厂家122.2可控硅的结构和特性122.3 调光灯设计的功能要求和工作原理132.4可控硅作用、特点132.4.1单向可控硅132.4.2单向可控硅基本结构132.4.3双向可控硅142.5可控硅的导通原理142.6方案论证与比较152.6本章小结16第3章 MSP430芯片介绍163.1 MSP430芯片简介163.2 MSP430 单片机的发展173.3 MSP430 单片机的特点183.4 MSP430 系列与89C51系列的比较193.5 MSP430 产品系列类型描述203.6本章小结21第4章 多亮度等级调光灯的设
6、计214.1设计原理214.2功能简介214.3 硬件部分214.3.1硬件结构图224.3.2电路说明224.3.4硬件流程图：224.4控制器的选择思路234.5可控硅主驱动电路244.6控制电路244.7 人机交互-键盘接口254.8本章小结25第5章 软件设计265.1软件开发环境介绍265.1.2 嵌入式IAR Embedded Workbench IDE265.1.2 一个可扩展的模块化的环境265.1.3 特性265.1.4 项目管理275.1.5 源代码控制275.1.6窗口管理275.1.7 文本编辑器275.2 软件设计285.2.1 软件组成285.2.1 程序流程图如下
7、285.3 软件实现295.4测试的方法与仪器295.5测试数据及测试结果分析295.6 本章小结30课题背景30参考文献31附 录32. 硬件结构图32.元器件清单32致 谢33毕业设计总结34第一章 绪论1.1单片机介绍单片机(Single-Chip Microcomputer),又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电
8、脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者
9、搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。1.2单片机的分类应用中的单片机
10、种类繁多，现介绍几种主要的单片机如下:ATMEL公司的AVR单片机：是增强型RISC内载Flash的单片机，芯片上的Flash存储器附在用户的产品中，可随时编程，再编程，使用户的产品设计容易，更新换代方便。AVR单片机采用增强的RISC结构，使其具有高速处理能力，在一个时钟周期内可执行复杂的指令，每MHz可实现1MIPS的处理能力。AVR单片机工作电压为2。76。0V，可以实现耗电最优化。AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备，工业实时控制，仪器仪表，通讯设备，家用电器，宇航设备等各个领域。Motorola单片机：Motorola是世界上最大的单片机厂商。从M6800开始，开发了广泛的品种，4
11、位，8位，16位32位的单片机都能生产，其中典型的代表有:8位机M6805，M68HC05系列，8位增强型M68HC11，M68HC12，16位机M68HC16，32位机M683XX。Motorola单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于工控领域及恶劣的环境。MicroGhip单片机: MicroChip单片机的主要产品是PIC 16C系列和17C系列8位单片机，CPU采用RISC结构，分别仅有33，35，58条指令，采用Harvard双总线结构，运行速度快，低工作电压，低功耗，较大的输入输出直接驱动能力，价格低，一
12、次性编程，小体积。适用于用量大，档次低，价格敏感的产品。在办公自动化设备，消费电子产品，电讯通信，智能仪器仪表，汽车电子，金融电子，工业控制不同领域都有广泛的应用，PIC系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高。发展非常迅速。Scenix单片机: Scenix公司推出的8位RISC结构SX系列单片机与Intel 的Pentium II等一起被评选为1998年世界十大处理器。在技术上有其独到之处: SX系列双时钟设置，指令运行速度可达50/75/100MIPS(每秒执行百万条指令，XXX M Instruction Per Second) ;具有虚拟外设功能，柔性化I/O端口，所有的I/O端
13、口都可单独编程设定，公司提供各种I/O的库函数，用于实现各种I/O模块的功能，如多路UART，多路A/D，PWM，SPI，DTMF，FS，LCD驱动等等。采用EEPROM/FLASH程序存储器，可以实现在线系统编程。通过计算机RS232C接口，采用专用串行电缆即可对目标系统进行在线实时仿真。东芝单片机: 东芝单片机门类齐全，4位机在家电领域有很大市场，8位机主要有870系列，90系列，该类单片机允许使用慢模式，采用32K时钟时功耗降至10UA数量级。东芝的32位单片机采用MIPS 3000A RISC的CPU结构，面向VCD，数字相机，图像处理等市场。 8051单片机: 8051单片机最早由I
14、ntel公司推出，其后，多家公司购买了8051的内核，使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大，应用也最广泛，有人推测8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片。 LG公司生产的GMS90系列单片机，与Intel MCS-51系列，Atmel 89C51/52，89C2051等单片机兼容，CMOS技术，高达40MHZ的时钟频率，应用于: 多功能电话，智能传感器，电度表，工业控制，防盗报警装置，各种计费器，各种IC卡装置，DVD，VCD，CD-ROM。 Zilog单片机: Z8单片机是Zilog公司的产品，采用多累加器结构，有较强的中断处理能力，开发工具价廉物美。Z8单片机以低价位
15、面向低端应用。我想很多人都知道Z80单板机，直到90年代后期，很多大学的微机原理还是讲述Z80。1.3单片机的发展趋势现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期。世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：1.低功耗CMOS化：MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化
16、物半导体工艺)。像80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。2.微型单片化：现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中
17、断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。3.主流与多品种共存：现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片
18、机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场份额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。在单片机家族中，
19、80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS 51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。80C51单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。1.4单片机的组成及特点单片机是微型机的一个主要分支，在结构上
20、的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。1.4.1单片机的组成单片机一般由以下几个部分组成： 中央处理单元：数据处理、测试位，置位，复位 位操作 只读存储器：永久性存储应用程序，掩模ROM、EPROM、EEPROM 随机存取内存：在程序运行时存储工作变量和资料 并行输入/输出口(I / O)：作系统总线、扩展外存、I / O接口芯片 串行输入/输出口：串行通信、扩展I / O接口芯片 定时/计数器：计数满溢出、中断标志位置位、向CPU提出中断请求 时钟电路：内振、外振 中断系统：中断源、2级
21、优先 看门狗电路：Watchdog单片机通过内部总线把计算机的各主要部件连接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。单片机中的CPU、存储器等部件将在后面章节陆续介绍。1.4.2单片机的特点由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。单片机主要发如下特点：.有优异的性能价格比。.集成度高
22、、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。.控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。.低功耗、低电压，便于生产便携式产品。.外部总线增加了I C(Inter-Integrated Circuit)及SPI(Serial Peripheral Interface)等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结
23、构。.单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。1.5单片机的发展1.5.1单片机发展的三大阶段单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段：SCM即单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。MCU即微控制器(Micro Controller Unit)阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，
24、突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。SOC即片上系统 (System On Chip) 阶段，单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。
25、1.5.2单片机发展简史如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段：第一阶段(1976-1978)：单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。MCS48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola 、Zilog等，都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。 第二阶段(1978-1982)单片机的完善阶段。Intel公司在MCS 48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS 51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。 1、完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构
26、，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。2、CPU外围功能单元的集中管理模式。3、体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 4、指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。第三阶段(1982-1990)8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS 96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着MCS51系列的广泛应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换
27、部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路功能，强化了智能控制的特征。第四阶段(1990-)：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。1.6单片机的应用单片机主要有单机应用和多机应用，且由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：.单机应用:(一个系统使用一块单片机普通应用模式) .家用电器:自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提
28、高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。如高档的洗衣机，空调器，电冰箱，彩电，DVD，音响，手机，高档电子玩具等电器，用单片机做自动控制。.智能设备:用单片机改造普通仪器，仪表，读卡机等，使其(集测量，处理，控制功能为一体)智能化，微型化。单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。机电一体化是机械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体
29、积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。.网络与通信的智能接口:在大型计算机控制的网络或通信电路与外围设备的接口电路中，用单片机来控制或管理，可大大提高系统的运行速度和接口的管理水平。.工业测控:单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。对工业设备(如机床，汽车，高档中西餐厨具，锅炉，供水系统，生产自动化，自动报警系统，卫星信号接收等)进行智能测控，大大地降低了劳动强度和生产成本，提高了产品
30、质量的稳定性。.多机应用:(一个系统使用多块单片机高科技应用模式) .功能弥散系统:.并行多机处理系统:在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单 片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。.局域网络系统: 综上所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大
31、部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。第2章 设计方案论述2.1可控硅介绍晶闸管又叫可控硅。可控硅(SCR: Silicon Controlled Rectifier)是可控硅整流器的简称。可控硅有单向、双向、可关断和光控几种类型。它具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、控制方便等优点，被广泛用于可控整流、调压、逆变以及无触点开关等各种自动控制和大功率的电能转换的场合。它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域，成为工业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民用电器等方面争相采用的元件。2.1.1可控硅的分类自从2
32、0世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。可控硅从外形上分主要有螺旋式、平板式和平底式三种。其中螺旋式的应用较多。按其工作特性，可控硅(THYRISTOR)可分为普通可控硅(SCR)即单向可控硅、双向可控硅(TRIAC)和其它特殊可控硅。2.1.2可控硅的主要参数可控硅的主要参数有： .额定通态平均电流IT在一定条件下，阳极-阴极间可以连续通过的50赫兹正弦半波电流的平均值。.正向阻断峰值电压VPF 在控制极开路未加触发信号，阳极正向电压还未超过导能电压时，可以重复加在可控硅两端的正向峰值电压。
33、可控硅承受的正向电压峰值，不能超过手册给出的这个参数值。.反向阴断峰值电压VPR当可控硅加反向电压，处于反向关断状态时，可以重复加在可控硅两端的反向峰值电压。使用时，不能超过手册给出的这个参数值。.控制极触发电流Ig1 、触发电压VGT在规定的环境温度下，阳极-阴极间加有一定电压时，可控硅从关断状态转为导通状态所需要的最小控制极电流和电压。.维持电流IH在规定温度下，控制极断路，维持可控硅导通所必需的最小阳极正向电流。 近年来，许多新型可控硅元件相继问世，如适于高频应用的快速可控硅，可以用正或负的触发信号控制两个方向导通的双向可控硅，可以用正触发信号使其导通，用负触发信号使其关断的可控硅等等。
34、2.1.3常用封装形式常用可控硅的封装形式有TO-92、TO-126、TO-202AB、TO-220、TO-220AB、TO-3P、SOT-89、TO-251、TO-252等。2.1.4主要生产厂家主要厂家品牌有：ST，NXP/PHILIPS，NEC，ON/MOTOROLA，RENESAS/MITSUBISHI，LITTELFUSE/TECCOR，TOSHIBA，JX ，SANREX，SANKEN ，SEMIKRON ，EUPEC，IR等。2.2可控硅的结构和特性可控硅由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极：第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G
35、，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。晶闸管和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。可控硅有三个电极-阳极（A）阴极（C）和控制极（G）。它有管芯是P 型导体和N 型导体交迭组成的四层结构，共有三个PN 结。如图：可控硅和只有一个PN 结的硅整流二极度管在结构上迥然不同。可控硅的四层结构和控制极的引用，为其发挥“以小控大”的优异控制特性奠定了基础。在应用可控硅时，只要在控制极加上很小的电流或电压，就能控制很大的阳极电流或电压。目前已能制造出电流容量达几百安培以至上千安培的可控硅元件。一般把5安培以下的可控硅叫小功率可控 硅，50安培以
36、上的可控硅叫大功率可控硅。 要使晶闸管导通，一是在它的阳极A与阴极K之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极K之间输入一个正向触发电压。晶闸管导通后，松开按钮开关，去掉触发电压，仍然维持导通状态。晶闸管的特点是“一触即发”。但是，如果阳极或控制极外加的是反向电压，晶闸管就不能导通。控制极的作用是通过外加正向触发脉冲使晶闸管导通，却不能使它关断。那么， 用什么方法才能使导通的晶闸管关断呢?使导通的晶闸管关断，可以断开阳极电源(图中的开关S)或使阳极电流小于维持导通的最小值(称为维持电流)。如果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电压，那么，在电压过零时，晶闸管会自行关断。2.3 调光
37、灯设计的功能要求和工作原理本设计要求具有对灯泡亮度调节的功能，通过电路实现可控硅不同导通角的控制来进行明显不同亮度的显示。具体的调节原理不做要求。调光灯的工作原理是通过改变电阻来实现调节灯的亮暗的，电压一定时，电阻越大，功率越小，耗电量越小，灯越暗。2.4可控硅作用、特点普通二极管整流电路存在一个局限性：在输入的交流电压一定时，输出的直流电压也是一个固定值，不能任意调节，但在许多情况下，都要求直流电压能进行调节，即有可控、可调的特点，可控硅的出现有效地解决了这个问题，使半导体器件从弱电领域进入强电领域。优点：体积小、动作迅速、寿命长。缺点：控制比较复杂。用途：整流、调节、开关、逆变。2.4.1
38、单向可控硅单向可控硅是一种可控整流电子元件，能在外部控制信号作用下由关断变为导通，但一旦导通，外部信号就无法使其关断，只能靠去除负载或降低其两端电压使其关断。单向可控硅是由三个PN结PNPN组成的四层三端半导体器件与具有一个 PN结的二极管相比，单向可控硅正向导通且受控制极电流控制；与具有两个PN结的三极管相比，差别在于可控硅对控制极电流没有放大作用。2.4.2单向可控硅基本结构单相可控硅具有：a、三个PN结，b、3个电极的四层结构，如图1示：2.4.3双向可控硅双向可控硅具有两个方向轮流导通、关断的特性。双向可控硅实质上是两个反并联的单向可控硅，是由NPNPN五层半导体形成四个PN结构成、有
39、三个电极的半导体器件。由于主电极的构造是对称的（都从N层引出），所以它的电极不像单向可控硅那样分别叫阳极和阴极，而是把与控制极相近的叫做第一电极A1，另一个叫做第二电极A2。双向可控硅的主要缺点是承受电压上升率的能力较低。这是因为双向可控硅在一个方向导通结束时，硅片在各层中的载流子还没有回到截止状态的位置，必须采取相应的保护措施。双向可控硅元件主要用于交流控制电路，如温度控制、灯光控制、防爆交流开关以及直流电机调速和换向等电路。单向可控硅和双向可控硅，都是三个电极。单向可控硅有阴极（K）、阳极（A）、控制极（G）。双向可控硅等效于两只单项可控硅反向并联而成。即其中一只单向硅阳极与另一只阴极相边
40、连，其引出端称T2极，其中一只单向硅阴极与另一只阳极相连，其引出端称T2极，剩下则为控制极（G）。2.5可控硅的导通原理为了说明可控硅的工作原理，将单相可控硅可切割为二个三极管，每一个晶体管的基极与另一个晶体管的集电极相连。如图2示。a、阳极与阴极之前只加正向电压，可控硅处于反向阻塞状态。b、控制极与阴极之间加正向电压，可控硅不导通。c、阳极与阴极之间加正向电压(触发脉冲)，同时在控制极与阴极之间加正向电压，可控硅很快处于导通状态，且可以允许大电流流过，(其电流值只受外接电阻的限制)，阳极和阴极之间的压降为1V左右。如图2示：假设EG产生控制电流IG，加入可控硅的控制极，则经T2放大后，电流为
41、IG加入可控硅的控制极，则经T2放大后，电流为TC2=2IG，而Ic2=Ib1，IG=1IB1=12IG，这个电流又流入T2的基极，再一次放大，这两个晶体管之间存在着一个正反馈环，形成强烈的正反馈。因此，很快使两个晶体管饱和导通，导通后其压降很小，电源电压几乎全部加在负载上。在可控硅导通之后，即使控制极电流消失，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持，它仍然处于导通状态，所以，控制极的作用，仅仅是触发可控硅使其导通，导通之后，控制极就失去作用了。2.6方案论证与比较方案一：纯模拟电路通过改变电阻和电容的值来改变灯的亮度。一般只能实现对灯光点亮的快慢进行调节，不能满足本设计的功能要求，故
42、不采纳。方案二：采用数字和模拟混合电路并通过调节电灯电压信号的占空比实现对灯光亮度的控制。包括单片机、晶闸管等主要器件。方案示例：基于51单片机和晶闸管驱动器的灯控系统 此方案中，其控制电路主要由AT89C2051单片机和过零触发光电隔离双向晶闸管等组成的可编程控制电路和直流稳压电源(未画出)组成。如图所示。通过单片机AT89C2051执行程序经I/O口向过零触发驱动电路发命令，实现灯光的控制。此方案能够实现本设计的功能要求，元器件简单、廉价，但原理上是通过占空比来调节灯光亮度，信号频率参数不确定，造成在电灯两端的电压信号频率不确定，造成非50HZ电信号，对电网有污染。因此方案经过实现和进一步
43、讨论，不予采用。方案三：采用数字和模拟混合电路，并通过调节电灯电压信号的占空比实现对灯光亮度的控制。包括单片机、晶闸管等主要器件。方案构思：基于MSP430F449单片机和数控可控硅触发电路的灯控系统此方案是基于MSP430F449单片机为设计的控制核心，且采用光电偶合器将触发电路和主路电之间进行隔离，因而该电路具有可靠性和控制精度高，抗干扰能力强等优点。因此我们决定采用此方案。2.6本章小结 本章主要对可控硅进行了介绍，介绍了可控硅的分类、可控硅的主要参数、常用封装形式、主要生产厂家，分析了可控硅的作用、特点以及单相可控硅基本结构。最后根据多亮度等级调光灯制作的设计功能要求，对各设计方案进行
44、了论证与比较，最后阐述了设计的测试的方法与仪器测试数据及测试结果分析。第3章 MSP430芯片介绍3.1 MSP430芯片简介MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。3.2 MSP430 单片机的发展MSP430 系列是一个 16 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在 1996 年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，
45、已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。回忆 MSP430 系列单片机的发展过程，可以看出有这样三个阶段：开始阶段:从 1996 年推出 MSP430 系列开始到 2000 年初，这个阶段首先推出有 33X 、32X 、31X 等几个系列，而后于 2000 年初又推出了 11X 、11X1 系列。MSP430 的 33X 、32X 、31X 等系列具有 LCD 驱动模块，对提高系统的集成度较有利。每一系列有 ROM 型( C )、OTP 型( P )、和 EPROM 型( E )等芯片。EPROM 型的价格昂贵，运行环境温度范围窄，主要用于样机开发。这也表明了这几个系列的开发模式，即：用户可以用
46、 EPROM 型开发样机；用 OTP 型进行小批量生产；而 ROM 型适应大批量生产的产品。2000 年推出了 11X/11X1 系列。这个系列采用 20 脚封装，内存容量、片上功能和 I/O 引脚数比较少，但是价格比较低廉。这个时期的 MSP430 已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点，但也有不尽如人意之处。它的许多重要特性，如：片内串行通信接口、硬件乘法器、足够的 I/O 引脚等，只有 33X 系列才具备。33X 系列价格较高，比较适合于较为复杂的应用系统。当用户设计需要更多考虑成本时，33X 并不一定是最适合的。而片内高精度A/D 转换器又只有 32X 系列才有。寻找突破，引入Flash技术:随着 Flash 技术的迅速发展，TI 公司也将这一技术引入 MSP430 系列中。在 2000 年 7 月推出 F13X/F14X 系列，在 2001 年 7 月到 2002 年又相继推出 F41X 、F43X 、F44X 这些全部是 Flash 型单片机。F41X 单片机是目前应用比较广的单片机，它有 48 个 I
