基于MSP430的数控恒流源.docx
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基于MSP430的数控恒流源
题目名称:
数控直流电流源设计与总结报告
摘要:
本系统以MSP430单片机为主控制器,通过键盘来设置直流电源的输出电流,设置步进等级可达2mA,并可由数码管显示实际输出电流值和电流设定值。
本系统由单片机程控输出数字信号,经过D/A转换器(AD7543)输出模拟量,再经过运算放大器隔离放大,控制输出功率管的基极,随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。
单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控,输出电流经过电流/电压转变后,通过A/D转换芯片,实时把模拟量转化为数据量,再经单片机分析处理,通过数据形式的反馈环节,使电流更加稳定,这样构成稳定的压控电流源。
关键词:
MSP430压控电流源A/DD/A
Abstract:
inthissystemMSP430microcomputer(SCM)ismaincontroller,outputcurrentofDCpowercanbesetbyakeyboardwhichsteplevelreaches1mA,whiletherealoutputcurrentandthesetvaluecanbedisplayedbyLED.Inthesystem,thedigitallyprogrammablesignalfromSCMisconvertedtoanalogvaluebyDAC(AD7543),thentheanalogvaluewhichisisolatedandamplifiedbyoperationalamplifiers,issenttothebaseelectrodeofpowertransistor,soanadjustableoutputcurrentcanbeavailablewiththebaseelectrodevoltageofpowertransistor.Ontheotherhand,TheconstantcurrentsourcecanbemonitoredbytheSCMsystemreal-timely,itsworkprocessisthatoutputcurrentisconvertedvoltage,thenitsanalogvalueisconvertedtodigitalvaluebyADC,finallythedigitalvalueasafeedbackloopisprocessedbySCMsothatoutputcurrentismorestable,soastablevoltage-controlledconstantcurrentpowerisdesigned.
Keywords:
MSP430voltage-controlledconstantcurrentsourceA\DD\A
1.方案设计与论证
系统框图如图1所示,它由控制部分、键盘、DA转换器、AD转换器、电流源模块、数码管显示模块组成;
图1.直流恒流源系统方框图
1.1控制部分
方案1:
采用中小规模集成电路构成控制部分;
缺点:
外围器件多,容易出现故障;
优点:
价格便宜;
方案2:
采用以单片机为核心的单片机最小系统;
优点:
价格便宜,外围器件少,可靠性高;
缺点:
没有FPGA灵活;
方案3:
采用可编程逻辑器件如(FPGA)构成控制部分;
优点:
灵活方便操作;
缺点:
价格太昂贵;
方案选定:
由于单片机价格便宜且可靠性高,易控制,所以我们选择了第二种方案;
1.2恒流源部分
方案1:
由三端式集成稳压源构成恒流源;
图1.2.1稳压源构成恒流源
说明:
此方案是根据稳压源输出恒定电压,如果采样电阻R不变,则输出为恒定电压,从而达到了恒流的功能;
优点:
若稳压源为精密稳压源,则输出恒定的电流,电路清晰简单;外围元件少,价格便宜;
缺点:
精密的数控电位器R难以购买;
方案2:
由数控稳压源构成恒流源;
图1.2.2数控稳压源构成恒流源
说明:
稳压源由控制部分控制,让数控稳压源输出恒定电压,精密电位器R不变时,则获得恒定电流;
优点:
原理清楚;
缺点:
数控稳压源的地是浮地,系统不共地,不好处理;
方案3:
采用电流串联负反馈构成恒流源;
说明:
此方案采取的是电流串联反馈的形式,根据反馈原理达到恒流的目的;
优点:
原理清楚,价格便宜;
缺点:
对运放的要求高,由于OP07CP有很好的效果,所以此方案有很好的效果;
方案选定:
根据以上分析和优缺点的比较,我们选择方案3;
2.系统设计
2.1总体设计
2.2单元模块功能介绍及电路设计
2.2.1MSP430核心控制模块
说明:
MSP430内部嵌有12位高精度AD转换器;
2.2.2键盘模块
说明:
此键盘为4*4矩阵键盘模式;
2.2.3数码管显示模块
说明:
此模块为电流显示模块;
2.2.4DA转换模块
说明:
此模块为DA转换模块,它的输出控制恒流源;
2.2.5直流恒流源模块
说明:
此模块的功能是将通过DA的调节作用,运放的反馈调节使输出的电流达到稳定功能;
2.3电路参数的计算及元器件的选择
2.3.1运放同相输入端电压的确定
分析:
由于采样电阻是四个1
的电阻并联;当电流达到最大时反馈到运放反相端的电压最大为500Mv,所以同相端的最大电压为500Mv,我们可以根据此电压来确定前向电阻和电位器的阻值;
2.3.2运放的选择
分析:
运放的Vin+=Vin-,在任何正常工作状态下,误差都应小,温度引起的Vin+-Vin-应该越小越好;并且要求低噪声,带宽比较宽,综合分析应该选择OP07CP;
2.3.3采样电阻的选择
分析:
如果采用电阻过大,则会导致采样功率过高,对采样温度要求高,所以为了达到稳定性,采样电阻上的功率不能太大,所以我们选择了4个1
的0.25W功率的电阻并联;利用并联来分担功率;
2.3.4电流放大器三极管的选择
由于经过三极管的电流很大,所以要选择大功率的三极管,大功率三极管又需要基极驱动,所以我们选择了复合管的形式,利用9013作为TIP3055的驱动;如下图所示:
2.4特殊器件的介绍
本次测量最关键的是三极管和负载的选择,由于本次设计的功率很大,所以我们要慎重选择好元器件,要分析好每块的功率,负载的功率一般也很大,所以我们选择的是镍铬合金,它的承受的功率比较大;
负载:
镍铬合金
三极管:
大功率的三极管
3.软件设计
流程图如下所示:
4.系统测试
4.1测试方法
硬件测试:
将学习板的DA的电压提供给运放的前级,通过改变电压来测试输出端的电流;记录下输入的DA的数字量与输出的电流值;
软件测试:
通过键盘设置电流,并由精密电流表测试电流,通过改变负载,来测试分析此设计是否正确;
4.2测试结果
键盘设定值(mv)
实际测量值(mv)
负载(欧姆)
键盘设定值(mv)
实际测量值(mv)
负载(欧姆)
52
52.3
10.3
200
200.3
10.3
52
52.4
8.6
200
200.2
8.6
52
52.4
5
200
200.01
5
54
54.2
10.3
250
250.33
10.3
54
54.3
8.6
250
250.2
8.6
54
54.2
5
250
250.4
5
56
55.99
10.3
300
300.89
10.3
56
55.98
8.6
300
300.56
8.6
56
55.99
5
300
300.45
5
58
57.9
10.3
320
320.3
10.3
58
57.8
8.6
320
320.23
8.6
58
57.6
5
320
320.67
5
66
65.55
10.3
410
410.34
10.3
66
65.44
8.6
410
410.23
8.6
66
65.55
5
410
410.15
5
100
100.09
10.3
450
450.21
10.3
100
100.08
8.6
450
450.34
8.6
100
100.08
5
450
450.33
5
112
111.59
10.3
500
500
10.3
112
111.59
8.6
500
500
8.6
112
111.59
5
500
500.01
5
4.3结果分析
此结果经过软件修正,基本符合要求,达到了预定的精度值,但仍然存在误差,基本误差原因如下:
1.DA转换的量化误差;
2.取样电阻R上因温度影响而引起的量化误差;
3.DA转换器的精度不够而引起的误差;
4.精密电位器滑动头接触不良而引起的误差;
5.总结
在设计制作数控直流恒流源的过程中,我们深切体会到,实践是理论运用的最好检验。
本次设计是对我们三年所学知识的一次综合性检测和考验,无论是动手能力还是理论知识运用能力都得到了提高,同时加深了我们对网络资源认识,大大提高了查阅资料的效率,使我们有充足的时间投入到电路设计当中。
本系统的研制主要应用到了模拟电子技术、数字电子技术、单片机控制技术、大功率电源设计、电子工艺等多方面的知识,所设计的基于单片机程序控制的压控恒流源,达到了题目基本要求。
由于我们DA芯片的精度不高,我们的测量范围只能达到500MA,但实际的输出电流是可以达到2A的,只是在数控的部分DA器件的限制导致我们不能达到要求;在数据测试和调试方面,由于仪表存在误差和电路器件因工作时间过长温度升高而产生的误差,使得测量数据不是很精确,本系统就此通过软件设计,减少误差的存在,使输出电流的误差范围减小到±5mA,大大提高了系统的精度。
参考文献:
[1]洪利.MSP430单片原理与应用实例.北京航空航天大学出版社.2010
[2]徐向民.AltiumDesigner快速入门.北京航空航天大学出版社.2008
[3]曾 波.数控恒流源.电子世界,第九期,2005
[4]何希才.电子电路.北京:
北京航空航天大学出版社,2003
[5]李义府.模拟电子技术基础.长沙:
国防科技大学出版社,2004
[6]李朝青.单片机原理及接口技术.北京:
北京航空航天大学出版社,1994
附录:
附1:
元器件明细表
名称
型号
规格
数量
电阻
1
金属膜电阻
4
电阻
3
金属膜电阻
1
电阻
22K
金属膜电阻
1
电阻
3.3K
金属膜电阻
1
电位器
2K
10圈精密微调电位器
1
电位器
5K
10圈精密微调电位器
2
电位器
10K
10圈精密微调电位器
1
电位器
500
10圈精密微调电位器
1
电容
1UF以下
50V耐压CBB电容
1
电容
1UF极性电容
1UF/35V
10
运放
OP07CP
集成运放
1
场效应管
IRF530
MOSFET场效应管
1
附2:
仪器设备清单
●数字信号发生器
●数字万用表
●模拟示波器
●稳压电源
●精密电流测量表
附3:
电路图图纸
附3.1PCB电路图如下:
附3.2实物原理图如下:
- 配套讲稿:
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- 基于 MSP430 数控 恒流源