基于MSP430单片机的数控直流电流源的设计毕业设计.docx
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基于MSP430单片机的数控直流电流源的设计毕业设计
毕业设计论文
基于MSP430单片机的数控直流电流源的设计
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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作者签名:
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摘要
本系统是一个基于单片机的数控直流电流源系统。
采用单片机作为核心,辅以带反馈自稳定的串调恒压源,可以连续设定电流值。
由D/A转换器TLC5615、ZLG7289、中文字库液晶显示块、放大电路和大功率调整电路组成。
通过独立键盘输入给定值,由D/A转换器将数字信号转换成模拟信号,经D/A输出电压作为恒流源的参考电压,利用晶体管平坦的输出特性得到恒定的电流输出,最后用中文液晶显示输出。
其中单片机选用美国TI公司的MSP430F2274作为控制核心,利用闭环控制原理,加上反馈电路,使整个电路构成一个闭环。
软件方面主要利用PID算法来实现对输出电流的精确控制。
系统可靠性高,体积小,操作简单方便,人机界面友好。
关键字:
数控MSP430PID算法反馈电路单片机
DigitalControlledDCCurrentSourceDesignBasedOnMSP430MCU
ABSTRACT
ThissystemisabasedonSCMnumericalcontroldccurrentsourcesystem.Usingsinglechipmicrocomputerasthecore,withthestringswithfeedbackfromstabilityconstantpressuresource,cantonesetbycontinuous.ByD/AconverterZLG7289,ChinesewordstockTLC5615,liquidcrystaldisplay(LCD)block,amplifyingcircuitandhigh-powerregulatingcircuitcomponent.ThegivenvaluethroughindependentkeyboardinputbyD/Aconverter,convertsdigitalsignalsintoanalogsignals,theD/AconstantcurrentsourcevoltageoutputasAreferencevoltage,usingtheplainoutputcharacteristicgetthetransistorconstantcurrentoutput,finallyuseChineseLCDdisplayoutput.OneoftheAmericanTIcompanymicrocontrollerchooseMSP430F2274ascontrolcore,usingtheclosed-loopcontrolprinciple,plusfeedbackcircuit,makewholecircuitconstituteaclosed-loop.MainlyusingPIDalgorithmsoftwaretoachieveoutputcurrenttheprecisecontrol.Thesystemreliabilityhigh,smallvolume,easytooperate,friendlyman-machineinterface.
KeyWords:
NumericalControlMSP430PIDAlgorithmFeedbackCircuitSCM
前言
直流电流源是电子技术常用的设备之一,广泛应用于教学、科研等领域。
传统直流电流源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低、体积大、读数欠直观、复杂度高。
而本设计基于单片机控制的直流电流源能较好地解决以上传统电流源的不足。
本数控直流电流源以单片机MSP430F2274为控制核心,由D/A转换器TLC5615、ZLG7289、中文字库液晶显示块、放大电路和大功率调整电路组成。
通过4位键盘输入给定值,由D/A转换器将数字信号转换成模拟信号,经D/A输出电压作为恒流源的参考电压,以LM作为电压跟随器,利用晶体管平坦的输出特性得到恒定的电流输出,最后用中文液晶显示输出。
第一章绪论
1.1课题背景
随着电子技术的不断进步,对电子仪器的要求也不断提高。
电源作为电路的动力源泉更是扮演着越来越重要的角色,不论是学校实验室还是维修中心都离不开实验电流源,然而传统的电流源不论是在控制精度还是输出特性上都无法满足要求。
随着单片机技术的不断发展和D/A,A/D技术的不断成熟使得数控电源成为可能,数控电流源不论是在控制精度还是在可操作性上都有传统电源无法比拟的优势。
本文在参考传统电流源以及普通数控电流源的基础上,在充分考虑性价比的同时极大地提高了数控电流源的准确性,通过软件修正以后在使用普通元件的情况下数控电流源的性能也达到了比较高的水平。
1.2数控直流电流源概述
1.2.1电流源简介
所谓恒流源就是输出电流极其稳定不随负载变化。
为了保证电流不变,输出电压必须始终符合V=I*R。
即负载需要多大电压,恒流源就必须输出多大电压,“无条件”予以满足。
从外部看,就是Ro=∞。
如果R→∞,那么V→∞。
所以理想恒流源都不允许输出开路。
对于实际电路,当R大到一定程度,电压输出能力就会不够,输出电流必然下降,不再恒定。
在一般恒流电路中大多采用电流负反馈来恒定电流
负反馈的作用就是“使之稳定”。
通过时刻“检查”控制对象的状态,并进行调整。
发现小了,就设法使之增大,发现大了,就设法使之减小。
形象地说,电流负反馈电路则是采样输出电流,计算误差,据此调节自身状态,使输出电流稳定,因而,输出特性接近恒流源。
衡量“接近”程度的指标就是输出电阻R远大于零。
一般希望Ro→∞。
(只能接近,不可能完全达到)
1.2.2数控直流电流源的必要性
作为常用的电子仪器在学校和研发和检测部门都有者相当广泛的应用,特别在电路原理实验和电子元件老化测试中都离不开电流源。
随着电子技术的不断进步对电子仪器的要求不断提高,电源作为电路的动力源泉更是扮演着越来越重要的角色,不论是学校实验室还是维修中心都离不开实验电源,然而传统的电源不论是在控制精度还是输出特性上都无法满足要求。
首先从精度上来看传统电流源的调整大多采用旋转电位器的方式,在调整时电流值主要从电位器的刻度读出,容易产生读数误差。
从可操作性来看传统电流原电位器上的刻度有限,不可能非常精细,仅仅靠电位器的几个刻度对操作者的技巧要求比较高,同时误差也比较大。
传统的实验电源亟待改进电源。
1.2.3数控直流电流源简介
低纹波、高精度稳定直流电流源是一种非常重要的特种电源,在现代科学研究和工业生产中得到了越来越广泛的应用。
普通电流源往往是用电位器进行调节,输出电流值无法实现精确步进。
有些电流源虽能实现数控但输出电流值往往比较小,且所设定的输出电流值是否准确不经测试无法知道等等。
为此,结合单片机技术及V/I变换电路,采用反馈调整控制方案设计制作了一种新型的基于单片机高精度数控直流电流源。
它可实现以下功能:
(1)具有多个量程,用户可根据实际需要选定。
(2)输出电流值可精确预置,最小步进为1mA,输出电流范围为20~2000mA。
(3)纹波电流很小,小于0.2mA。
(4)LED可同时显示预置电流值、实测电流值及当前量程档,便于用户操作及进行误差分析。
1.3课题进展
1查阅MSP430与数控直流电流源相关资料,确定系统设计方案
2确定系统设计方案,完成系统框图和原理图设计
3使用PROTEL绘制原理图和电路版图。
4完成电路调试及软件调试工作。
5完善软硬件、完成系统调试。
6完成论文初稿。
7修改论文准备答辩
1.4后话
由于本人能力水平有限,也缺乏实践经验。
所以,这设计不能做到尽善尽美,需要老师和同学们多提出宝贵的意见。
能帮助我把这设计做得更好,更具实际生产性和应用性。
第二章芯片简介
2.1单片机芯片MSP430F2274
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(MixedSignalProcessor)。
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,以供“单片”解决方案。
目前MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型三种类型的器件,这些器件的开发手段不同。
对于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后在烧写或掩膜芯片;对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境,因为器件片内有JTAG调试接口,还有可电擦写的FLASH存储器,因此采用先下载程序到FLASH内,再在器件内通过软件控制程序的运行,由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。
这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器,而不需要仿真器和编程器。
开发语言有汇编语言和C语言。
2.1.1MSP430F2274单片机基本特性
非常低的工作电源电压范围:
1.8V到3.6V。
十分低的功率消耗:
活动状态下,1MHZ,2.2V,电流为270uA。
待机状态下,0.7uA。
节能状态下,0.1uA。
极短的唤醒时间,典型时间为1us。
中央处理器CPU为16位。
内部CPU结构遵循精简指令集RISC设计(ReducedInstructionSetComputer)。
32KB+256字节FLASH,1KBRAM
CPU内含有16个寄存器,分为4个特殊寄存器和12个普通寄存器。
强大的时钟模块:
低速晶体振荡器,高速晶体振荡器,DCO振荡器。
这些时钟模块可以产生三个不同的时钟供不同的模块使用。
具有4个8位I/O端口,即32根I/O线。
其中P1和P2端口具有中断功能。
具有3个捕捉/比较寄存器的16位定时/计数器Timer_A和Timer_B以及看门狗定时器(WatchdogTimer)。
内带比较器模块,支持A/D转换,电压检测和外部模拟信号的监控。
具有串行通信模块,该模块既可以支持自动波特率检测的增强型UART,提供一部通信功能。
可以作为SPI使用,提供同步通信功能,也可以作为IrDA编码器和译码器使用。
内带10位200kbps速度的ADC模块。
2.1.2引脚功能
单片机MSP430F2274为38条引脚,采用TSSOP(ThinShrinkSmall-OutlinePackage)DA方式封装。
图2.1MSP430F2274芯片引脚说明
Fig.2.1PinexplainofMSP430F2274chip
从单片机MSP430F2274的管脚图2.1可以看出,它的控制引脚主要来自I/O,这样做的目的是节省引脚数目,以达到减少芯片占用面积的目的。
2.2D/A芯片TLC5615
TLC5615是一个串行10位DAC芯片,性能比早期电流型输出的DAC要好。
只需要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入,易于和工业标准的微处理器或微控制器(单片机)接口,适用于电池供电的测试仪表、移动电话,也适用于数字失调与增益调整以及工业控制场合。
其主要特点如下:
●单5V电源工作;
●3线串行接口;
●高阻抗基准输入端(见图2.2);
●DAC输出的最大电压为2倍基准输入电压;
●上电时内部自动复位;
●微功耗,最大功耗为1.75mW;
●转换速率快,更新率为1.21MHz;
小型(D)封装TLC5615CD和塑料DIP(P)封装TLC5615CP的工作温度范围均为0℃~70℃;而小型(D)封装TLC5615ID和塑料DIP(P)封装TLC5615IP的工作温度在-40℃~85℃的范围内。
图2.2TLC5615的内部功能框图
Fig.2.2InternalfunctionsdiagramofTLC5615
2.2.1TLC5615功能简介
TLC5615的内部功能框图如图2.2它主要由以下几部分组成:
(1)10位DAC电路;
(2)一个16位移位寄存器,接受串行移入的二进制数,并且有一个级联的数据输出DOUT;
(3)并行输入输出的10位DAC寄存器,为10位DAC电路提供待转换的二进制数据;
(4)电压跟随器为参考电压端REFIN提供很高的输入阻抗,大约10MΩ;
(5)×2电路提供最大值为2倍于REFIN的输出;
(6)上电复位电路和控制电路。
引脚功能:
8脚直插式TLC5615的引脚分布如图2.3各引脚功能如下:
●DIN,串行二进制数输入端;
●SCLK,串行时钟输入端;
●
,芯片选择,低有效;
●DOUT,用于级联的串行数据输出;
●AGND,模拟地;
●REFIN,基准电压输入端;
●OUT,DAC模拟电压输出端;
●
,正电源电压端。
图2.3引脚排列
Fig.2.3Pinsarrangement
推荐工作条件:
●
4.5~5.5V,通常取5V;
●高电平输入电压:
不得小于2.4V;
●低电平输入电压,不得高于0.8V;
●基准输入电压:
2V~(VDD-2),通常取2.048V;
●负载电阻:
不得小于2kΩ。
2.2.2TLC5615工作原理
TLC5615工作时序如图2.4所示。
可以看出,只有当片选
为低电平时,串行输入数据才能被移入16位移位寄存器。
当
为低电平时,在每一个SCLK时钟的上升沿将DIN的一位数据移入16位移寄存器。
注意,二进制最高有效位被导前移入。
接着,
的上升沿将16位移位寄存器的10位有效数据锁存于10位DAC寄存器,供DAC电路进行转换;当片选
为高电平时,串行输入数据不能被移入16位移位寄存器。
注意,
的上升和下降都必须发生在SCLK为低电平期间。
从图中可以看出,最大串行时钟速率为:
f(sclk)max=1/
(CH)+
(CS)≈14MHz
两种工作方式:
从图2.2可以看出,16位移位寄存器分为高4位虚拟位、低2位填充位以及10位有效位。
在单片TLC5615工作时,只需要向16位移位寄存器按先后输入10位有效位和低2位填充位,2位填充位数据任意,这是第一种方式,即12位数据序列。
第二种方式为级联方式,即16位数据序列,可以将本片的DOUT接到下一片的DIN,需要向16位移位寄存器按先后输入高4位虚拟位、10位有效位和低2位填充位,由于增加了高4位虚拟位,所以需要16个时钟脉冲。
无论工作在哪一种方式,输出电压为:
。
其中,
是参考电压,N为输入的二进制数。
图2.4TLC5615的时序图
Fig.2.4SequencechartofTLC5615
2.3ZLG7289A芯片介绍
2.3.1芯片简介
ZLG7289A是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的,具有SPI串行接口功能的可同时驱动8位共阴数码管(或64只独立LED)的智能显示驱动芯片,该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵,单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。
ZLG7289A内部含有译码器,可直接接受BCD码或16进制码,并同时具有2种译码方式,此外,还具有多种控制指令,如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。
ZLG7289A具有片选信号,可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口。
典型应用:
仪器仪表,工业控制器,条形显示器,控制面板等。
特点:
●串行接口,无需外围元件可直接驱动LED
●各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性
●(循环)左移/(循环)右移指令
●具有段寻址指令,方便控制独立LED
●64位键盘控制器,内含去抖动电路
2.3.2引脚说明
引脚说明,如表2.1所示:
表2.1引脚说明表
Table.2.1Pinsexplaintable
引脚
名称
说明
1,2
VDD
正电源
3,5
NC
悬空
4
VSS
接地
6
/CS
片选输入端,此引脚为低电平时可向芯片发送指令及读取键盘数据
7
CLK
同步时钟输入端,向芯片发送数据及读取键盘数据时,此引脚电平上升沿表示数据有效。
8
DATA
串行数据输入/输出端,当芯片接收指令时,此引脚为输入端;当读取键盘数据时,此引脚在“读”指令最后一个时钟的下降沿变为输出端。
9
/KEY
按键有效输出端,平时为高电平,当检测到有效按键时,此引脚变为低电平。
10-16
SG-SA
段g-段a驱动输出
17
DP
小数点驱动输出
18-25
DIG0-DIG7
数字0-数字7驱动输出
26
OSC2
振荡器输出端
27
OSC1
振荡器输入端
28
/RESET
复位端
第三章系统硬件设计
3.1总体方案设计与比较
方案一:
通过编码开关来控制存储器的地址;根据地址输出对应的数字量送数模(D/A)进行转换;再根据输出的电压量来控制电流的变化;同时;通过四个编码开关的BCD码送给4511及数码管显示。
此方案的优点是电路简单,缺点是数据量大且存储器存储容量有限,在设计过程中发现编码开关不稳定,所以不宜采用。
其电路方框图如图3.1所示:
图3.1方案一方框图
Fig.3.1Planonecharts
方案二:
采用以MSP430F2274为核心的单片机系统来控制片内自带的10位AD转换模块的数据的输入并将其转换成模拟量输出同时单片机把输入的预值电流送数码管显示,再根据输出的电压量来控制电流的变化,此方案的优点是输入的预值电流信号稳定且避免了大量的数据存储,所以电路设计和制作采用方案二。
其电路方框图如图3.2所示:
图3.2方案二方框图
Fig.3.2Plantwocharts
3.2单元电路设计
系统硬件以MSP430F2274单片机为核心,外围包括电源模块、数码管显示模块、D/A转换模块及恒流源模块。
3.2.1电源电路
本设计共用到电源有两种:
即±12V+5V。
电源原理:
稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成,如图3.3:
图3.3电源方框及波形图
Fig.3.3Powerboxandwaveformfigure
a整流和滤波电路:
整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。
滤波电路一般由电容组成,其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除,以得到较平滑的直流电压U4。
b稳压电路:
由于得到的输出电压U4受负载、输入电压和温度的影响不稳定,为了得到更为稳定电压添加了稳压电路,从而得到稳定的电压U0。
图3.4±12V电源电路图
Fig.3.4±12VPowersupplycircuit
图3.4中电路提供+12V的电源;主要用于LM1117,再由LM1117产生3.3V的电压作为MSP430F2274的工作电压。
图3.5+5V电源原理图
Fig.3.5+5VPowerprinciplediagram
图3.5中提供的+5V的电源用于LM358。
由于要求输出的电流最大值为2000mA,而且主要电流从它通过,所以要用大电容,本设计采用两个2200UF50V的电容并联(同时为了减小纹波系数本设计在两个电容之间接入有源滤波电路),由于的LM358的耐压值最大可达42V,所以LM358可以安全工作。
3.2.2D/A电路
利用MSP430单片机的通用I/O口(P1口)与TLC5615构成的DAC电路如图3.6所示。
分别用P1.0、P1.2模拟时钟SCLK和片选
,待转换的二进制数从P1.1输出到TLC5615的数据输入端DIN。
图3.6硬件连接图
Fig.3.6Hardwareconnectiondiagram
3.2.3恒流源电路
方案一:
本设计在起初利用图3.7所示恒流源电路,运放的输出端通过三极管与反向输出端相连,构成负反馈电路,由于运放的同相输入端与反相输入端在理论上是虚短的,且运放的输入电阻无穷大,因此反相端和同相端的电位相等,即
又由于三极管的发射极
与集电极电流
仅相差微小的基极电流,可视为两者相等即
。
因此可以通过改变同相输入端的电压来调整输出电流
的大小。
例如:
时,
但是在测试
对
的控制比预期效果差,总是小于理论值。
图3.7方案一恒流源电路原理图
Fig.3.7Planaconstantcurrentsourcecircuitprinciplediagram
方案二:
输出电流采样电路是采用取采样电阻两端的电压差,根据I=V/R换算得到电流值的。
图3.8是数控电流源的恒流源电路。
LM358和晶体管Q1、Q2组成电压-电流转换器,U1A、U1B和电阻R1-R8利用D/A的输出实现对电压进行数控。
LM358主要功能是可以实现V/I转换。
TIP42C(10A)是大功率PNP三极管,主要功能是实现功率放大。
输出电流采样电路是采用取采样电阻两端的电压差,根据I=V/R换算得到电流值的。
电路原理图如图3.8所示。
通过对电阻R9两端的电压值进行采样,经过运算放大器送入片内A/D转换器进行转换。
由于R9是2欧姆,所以可以测量0~2000mA的电流范围。
R9两端的电压在0~4V的范围内变化,满足系统设计的精度要求。
图3.8方案二恒流源电路原理图
Fig.3.8Schemeiiconstantcurrentsourcecircuitprinciplediagram
3.2.4数码管显示电路
本题采用ZLG7289来控制按键,控制4个键和四个数码管,实现20~2000mA电流的输入。
数码管显示电路图如图3.9所示。
利用ZLG7289本身的特性可以串行接口无需外围元件可直接驱动LED,各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性,循环左移/循环右移指令,具有段寻址指令方便控制独立LED,并且有4键键盘控制器内含去抖动电路,完全达到题目所提及的要求。
图3.9数码显示管电路图
Fig.3.9Digitaldisplaytubediagram
3.3Prote
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