2022年全国大学生电子设计竞赛报告 .pdf

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1、2012全国大学生电子设计竞赛TI杯模拟电子系统设计专题邀请赛高效 LED 驱动电路（ A题）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - I 摘要本文研究设计了一个高效LED驱动电路，驱动 5 只串联高亮 LED ，并且整体只有一个输入电压3.3V。该装置采用 TI 公司的 TPS61040作为 DC-DC 核心，并用 MSP430FR5739 控制，保证了整块系统的效率和低功耗。关键词： LED 驱动TPS61040 DC

2、-DC MSP430FR5739 低功耗名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - II 目录1系统方案 . . 31.1单片机供电选择. 31.2单片机显示模块的论证与选择. 32系统理论分析与计算. . 42.1TPS61040 电路分析 . 43电路与程序设计. . 43.1电路的设计 . 43.1.1系统总体框图 . 43.1.2恒流源电路原理图. 53.1.3恒压源电路原理图. 53.2程序的设计 . 63.2.1

3、 程序功能描述与设计思路. 63.2.2 程序流程图 . 74 测试方案与测试结果. 84.1 测试方案 . 84.2 测试条件与仪器. 84.3 测试结果及分析. 84.3.1 测试结果 (数据 ) . 84.3.2 测试分析与结论. 8名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - 3 微弱信号检测装置（ A 题）1系统方案本题目要求整体电路必须采用3.3V 单路直流稳压电源供电，不得采用额外供电方式。限定采用TI 公司 T

4、PS61040 作为 DC-DC 变换器核心芯片。并且单片机限定使用SEED-EXP430F5529A、MSP-EXP430FR5739、MSP-EXP430G2LaunchPad三块开发板其中之一，开关 S1 断开后，电路由电容C 供电。控制 LED 驱动电路，在保证LED 串上电流不小于 0.5mA 的前提下，尽可能延长对LED 的供电时间。考虑低功耗因素，故采用 MSP430FR5739单片机控制，为了必要的显示功能，系统配备了128x64黑白液晶。整体框图如图 1 所示。图 1 LED 发光装置供电方式示意图1.1 单片机供电选择方案一：直接采用外部3.3V 输入供电方案二：采用一级D

5、C-DC 稳定到 3.3V 再给单片机供电如果直接采用外部3.3V 输入供电，由于设计要求在断开S1后在保证 LED 串上电流不小于 0.5mA 的前提下，尽可能延长对 LED 的供电时间，并且要求单片机检测流过LED串的电流，所以单片机需要一个稳定的参考，结合低功耗应该，应选择使用单片机内部2.0V 参考源， 则单片机供电电压必须高于2.2V， 而 TPS61040的工作电压最低可达1.8V，并且其工作效率较高，这对断开S1后尽可能延长对LED 串的供电时间有很大帮助。综合考虑，选择方案二。1.2 单片机显示模块的论证与选择方案一： MSP-EXP430FR5739配合普通并行接口液晶方案二

6、： MSP-EXP430FR5739配合 LCD12864 方案三： MSP-EXP430FR5739配合串口液晶方案四：其他单片机配合串口液晶应 题 目 要 求 ， 我 们 必 须 选 择SEED-EXP430F5529A 、 MSP-EXP430FR5739、MSP430G2LaunchPad三块开发板其中之一，综合考虑我们选择MSP-EXP430FR5739。由于 MSP-EXP430FR5739上的单片机外部引出的I/O 口管脚有限（ 18 个） ，所以不能使用并行口液晶， 必须使用串口液晶。 其他液晶通常功耗较高， 不适合低功耗应用。 12864可以工作在串口模式下，并且其功耗较低，

7、显示内容也能满足要求。综合考虑采用方案二。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - 4 2系统理论分析与计算2.1 TPS61040电路分析TPS61040典型应用电路如图2 所示，其中211233. 1RRVVOUT。图 2 TPS61040 典型应用电路TPS61040的恒流源电路如图3 所示，由于 TPS61040内部 FB 的参考输入电压恒定设置为 1.233V，所以我们可得，流过电阻Rs 的电流即为流过LED 串

8、的电流，并且sOUTRVI233.1。图 3 TPS61040 恒流源电路3电路与程序设计3.1 电路的设计系统总体框图系统总体框图如图4 所示。系统总体由3.3V 供电， 3.3V 电源分作两路，一路由TPS61040组成恒流源电路给LED 串测试系统使用，另一路由TPS61040组成恒压电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - 5 供给 MSP430 单片机。 MSP430 单片机控制恒流源电路的电流并给予一定的显

9、示，ADC可采集恒流源输出电流相应的变化以作为后续控制的参考。图 4 系统总体框图3.1.1恒流源电路原理图该模块 TPS61040工作在横流模式下，OUTI可以通过调节电阻Rs来调节，公式为sOUTRVI233.1。 因为本题目要求在断开S1后能通过电容供电尽可能的延长对LED 串的供电时间，但是断开 S1 后流过 LED 串的电流可以在 0.5mA 这个比较小的值， 所以我们选用 TS5A3159 模拟开关快速设定输出电流为0.5mA，其流过电流可达100mA 以上，满足设计要求。并且TS5A3159 的内阻很小（ 1 ） 、供电电压低（ 1.65V-5.5V） 、工作电流小（ 50nA）

10、 ，不会消耗太多能量，但给控制带来了极大的方便。此部分电路图如图5 所示。图 5 TPS61040 横流电路图3.1.2恒压源电路原理图该模块 TPS61040工作在横压模式下，其输出电压可通过R1 和 R2 的比值调节，3.3V 输入TPS61040 恒流源电路TPS61040 恒压电路MSP430FR5739 单片机控制显示ADC 采集控制测试点测试系统供电名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - 6 公式为21123

11、3.1RRVVOUT，此部分电路可以让MSP430单片机在主电路断开S1后能够正常工作相当长的一段时间，保证了控制的稳定性与精确性。电路图如图6 所示。图 6 TPS61040 恒压源电路图3.2 程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路程序要实现一个最主要功能：控制 LED 灯 DC/DC 模块，采集 LED 灯工作电流， 系统工作电压，自动进入超低功耗模式，显示电流电压。系统采用 while(1)超级循环为主体。超级循环每循环一次就进入低功耗模式LM3 ，等待定时器中断将 CPU 唤醒，并进入下一次循环。定时器设定为每100ms中断一次。这样可以让单片机的功耗更低。ADC 采集模块，采用

12、了两种采集方案：第一种：单通道单次采集，采集多次，求平均。该方法简单快速，适用于采集稳定的电压。该方法，刚好针对采集系统电源电压。第二种：当通达多次采集，求平均，ADC 的驱动时钟来着 PWM 输出模块的时钟，这样 ADC 的采集可以和 PWM 实现同步。该方法主要针对采集DC/DC 采样电阻上的电压，因为 DC/DC 受 PWM 控制，采样电阻上的电压有PWM 频率成分的电压波动。采用该同步 ADC 采样，可以精确的获得实际值，ADC 采样结果飘动很小。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - -

13、- - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - 7 3.2.2程序流程图初始化系统进入超低功耗模 （DC/DC进入节能模式；关闭显示。 ）系统电压采集LED 电流采集CPU 休眠（ LM3 ）开始设置初始LED 工作电流为 1mA ， 确定系统初始电源电压。按键轮询进入超低功耗？工作状态指示灯亮？打开状态指示LED 灯关闭状态指示LED 灯按键消息处理。加减LED 电流设定值。是否为超低功耗模式？Y Y Y N N N 显示电流电压定时器中断将CPU唤醒名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - -

14、名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - 8 4 测试方案与测试结果4.1测试方案按照题目要求，测试时上电流过LED 串的电流设置为1mA，测试期间OUTI的值可以用按键以 3mA 的步进递增，设置到了22mA 再按键则循环回到1mA 初始值。测试中测试了在断开 S1 后依靠电容供电，保证OUTI不小于 50mA 的情况下最大可持续工作时间。4.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：Agilent MSO-X3054A 数字示波器，AgilentU1272A

15、 数字万用表，DF1371SC2A学生电源。4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果 (数据) 设置值（ mA ） 真实值（ mA ）显示值（ mA ）0.50.507无1.00.9500.944.03.8523.967.06.8666.9010.09.8789.9013.012.88712.9016.015.89216.0819.018.89519.0222.021.88022.04断开 S1 后 Iout0.5mA，最大可持续工作时间为60S。并且 LED 指示灯指示正常。4.3.2测试分析与结论根据上述测试数据可得，在1mA-22mA 范围内，以 3mA 步进设置输出，实际值与设置值、实际值与显示值的误差范围均在0.2mA 内。在断开 S1 后，依靠电容供电可以保证系统供给LED 串电流不小于 50mA 下持续工作 60S。 Iout 在 1mA-0.5mA 之间时，LED 指示灯熄灭， Iout 大于 1mA 或小于 0.5mA 时， LED 指示灯亮。本系统能以高精度控制恒流源电流供LED 串使用，并满足高效率与低功耗。 从上表中可知，本设计达到设计要求。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - -