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

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