MSP430单片机数控恒流源的设计 精品.doc

第一章 引言直流稳流电源基本参数就是输出电流的稳定，即实现恒流，而理想恒流源是不允许输出开路的，实际上当负载R的阻值大到输出电压的极限后，输出电流将下降，而不再恒定。基于上述，本系统采用反激式开关稳压电源替换传统的线性稳压电源，在源头上提升电能的利用率和降低电压纹波；在此基础上，采用LM317和DAC8512配合使输出电压在1.25 V6.25 V内可数字调控，特别地DAC8512为12位分辨率可达1/4096小于1mV显然在理论上可实现1mA的步进，当负载在1.25欧6.25欧内变化，完全能满足设计要求。再有，为了实现系统可预设输出电流给定值达到自我稳定，引入电流反馈将系统在自我调节到最终稳定的过程的电流值实时引入主控系统，作为下一次调节幅度的参考，具体方案是在输出回路上串联电阻，通过测量此精密电阻两端电压，实现电流的变向采样；所选用的采用电阻为0.1欧，主要介于功耗和误差的考量。由于本系统最终实现电流在 20mA1A内连续变化，那么加在采样电阻上的压差极其微弱，故本系统将此压差经运放OP07放大30倍至60mV3V之间，再经过滤波、钳位送至高精度16位AD7790采样量化将数字量送入主控制器，由主控制器操控12位DAC8512完成对输出量的微调。考虑到在此过程中，负载大到上述提到的极限后输出电流达不到预期，源于输出电压达到了极限，利用此特征将LM317的输出电压值经分压处理后引入MSP430主控片内AD进行检测。最后由四位共阳极数码管实现当前稳定状态下的电流值。第二章 方案设计2.1设计思路基于MSP430单片机强大的系统功能和超低功耗的特点，本设计采用其作为主控制器。利用其内置的中断控制，存储器保护以及系统的调试和控制功能和配合AD、DA、运放等模块完成对输出电流进行精准而可靠的采集和控制输出端电流精准对的微动，完成最终的输出稳定。由于设计要求达到20mA1000mA的电流调节幅度，而本系统采用反激式开关稳压电源的最大输出功率仅为8W左右，经LM317调压输出的电压区间为1.25V6.25V，那么主控制器、AD、DA、运放、显示及驱动电路等电路的总功耗必须小于2W，而本设计采用四位共阳数码管势必要损耗1W左右，借此MSP430是首选，AD选用超低功耗AD7790，DA选用DAC8512 SO8贴片、运放选用OP07贴片，两个双电源12V稳压芯片选用TO-92封装；最大限度的降低系统的控制及显示驱动部分的功耗，拓宽输出端功率的可调范围。2.2总体方案在8W左右的稳压电源的基础上，实现负载在一定程度内变化时达到最终的电流稳定。其中包括：输出达+15V开关稳压电源、各级稳压电路、LM317与DAC组成的电压可调电路、采样电阻和OP07运放构成的前端采样电路、滤波钳位电路、显示及驱动电路，在主控MSP430F1232的统一操控下完成设计要求。方案设计总框图如在：2.2.1方案论证与比较控制部分方案的选择与论证方案一：单片机STM32Cortex-M3超级单片机完成对其他各部分控制。方案二：采用单片机89C51作为控制部分。方案三：采用MSP430超低功耗单片机作为控制部分。方案论证：方案一所使用的STM32-cortexM3是一款高速、低功耗、性价比高的超级单片机，其内部具有强大的存储能力，在一定程度上不必考虑代码的冗余且能实现各种复杂的控制功能，更重要的是其内部集成的2个AD模块和2通道DA模块，可大大简化系统的硬件；但该芯片是贴片封装且管教分布较为密集会给后期硬件的设计带来不便，其10位AD/DA也无法满足本设计的最高要求。方案二采用AT89C51单片机，可在开发环境及代码编写上相对来说较为简单，源于51内核的单片机是基础教程且网上资源相当丰富基本可以涵盖多数控制操作，但功耗比较大、数据传输速率低。方案三采用MSP430单片机，具有超低功耗且运行速度介于方案一、二之间内部集成的10位AD可作为LM317输出电压的极限检测，再有其指令系统较上述两种最少，故具有相当高的抗干扰能力，给整个系统的稳定提供了基础。所以本系统采用MSP430F1232作为主控芯片。 n DA、AD选择方案的选择与论证方案一：采用PCF8591作为调压、采样芯片。方案二：DA选用DAC8512，AD选用AD7790分别实现调压和采样。方案论证 :采用方案一可大幅简化硬件设计，因为PCF8591自带4通道AD和一通道DA，但其精度只有8位无法满足设计要求的最大标准且功耗较方案二大。方案二使用DAC8512,、AD7790，首先在采样及控制精度上完全能达到设计要求的最大标准且在转换速度上远大于方案一，这在为系统的快速响应和控制提供了条件。故选择方案二。n 采样电阻的选择与论证方案一：采用高精度0.1欧电阻与运放再通过滤波钳位后送入AD采样。方案二：采用大于1欧电阻再通过滤波钳位后送入AD采样。方案论证 :选用方案二可大大简化硬件的设计同时也提高了系统稳定性，但从功耗上考量，当输出电流达到1A左右时采样电阻上的损耗可达1W左右，这是相当可怕的。对于方案二，避开了一的矛盾，大大降低了无用功耗。故选择方案二。n 显示器的选择与论证方案一：采用四位共阳数码管，外加驱动电路作显示。方案二：采用LCD1602液晶作显示。方案三：采用LCD12864液晶作显示。方案论证：采用数码管显示，其段和位端需外加驱动电路，较方案二、三电路复杂，但其功耗是可调的，即通过动态扫描的频率来控制，而且性价比较后两者是最高的。方案二、三虽在硬件上很是简单，但功耗和驱动代码较方案一大和复杂。故选择方案一。第三章 系统硬件与软件设计3.1 部分单元电路设计n 单片机主控电路图本系统的的控制部分主要是通过MSP430F1232超低功耗单片机进行控制，该单片机片内集成10位AD、速度可达8MIPS、极高的抗干扰能力、易操作等特点。该单片机的最小系统电路图如图3.1所示。图3.1 单片机的最小系统电路图n 按键模块电路以及按键功能的详述 按键模块电路图如图3.2所示。按SW1键进入用户预置输出电流设置确定预设当前电流值显示实时输出的电流。 按SW2键 在用户预置状态下，用作预设电流的加操作 在主界面下，用作向上步进1mA输出电流。 按SW3键 在用户预置状态下，用作预设电流的减操作 在主界面下，用作向下步进1mA输出电流。 图3.2 按键模块电路图n 显示单元电路及其分析四位共阳极数码管分为8个段（a-dp）控制线和四个位（S1-S4）控制线。考虑到单片机驱动能力有限及灌电流存在上限两个障碍，故本设计将四位共阳极数码管的段和位都加驱动电路；即共阳端使用S8550PNP管驱动控制，而段信号使用S8050NPN管驱动。具体电路图如图3.3所示。图3.3显示单元电路图n 开关稳压电源模块及其电路分析 本模块采用一块专用PWM控制芯片NCP1014完成完成对输出电压的检测、控制、稳定。电路的具体工作方式如下：将输入的100V220V的交流信号经桥整流为脉动的直流，再经过高压电容滤波输出后，一端送入高频变压器的与PWM控制芯片的DEAIN脚形成激励回路，另一端经高压瓷片电容滤波到地（此举是为了从一定程度上隔离交直流的热、冷地），而NCP1014自身的工作电压由Q_C1两端产生的脉动直流对Q_C2进行充电供应。芯片的PWM产生脚DRAIN与内部一个MOSFET漏极相连，显然当变压器工作时其原级线圈势必会产生高压，这对其内部的MOSFET管造成毁灭性的冲击，为此Q_D1、QD_2将漏极漂移电压限制在安全值内，变压器副级线圈经HER107进行半波整流后再经兀 型滤波网络得到输出电压。为了保证输出电压的绝对稳定，NCP1014自带一个电流反馈输入引脚，通过光耦变向的检测输出电压变化致使的电流变化，当输出端电压增加时经光耦隔离反馈到芯片的FB脚的电流升高，芯片内部通过调节DRAIN脚输出方波的占空比实现降压，反之同理。 另外TL431在电路中仅起到钳位输出电压值得目的。输出电压大致计算公式：Vout=2.5（1+Q_R4/Q_R3）V 。具体原理图如下： 图3.4开关稳压电源电路n 恒流源产生及采样控制电路在上述产生较为稳定的+15V的基础上，再将电压引入LM317进行最终的电压转电流的稳定。电流具体工作如下：由LM317输出电压计算公式Vout=1.25*（1+P_R2/PR1）+Vdac。当系统上电后，DAC初始输出为0V，Vout的最小输出电压可通过调节P_R1、P_R2的比例调节最小可达约1.25V，随着DAC输出电压的升高（0-5V）Vout变化范围会在1.25V6.25V之间，而对于12位DAC8512来说最小步进单位小于1mV，显然题设的1mA的单位变化。对于系统而言负载大小显然是个未知数，要实现恒流势必要引入电流反馈，通过测量采样电阻AD_R两端的电压差变向检测电流变化，由于AD_R仅有0.1欧，当输出回路电流达到最大的1A是其两端电压也仅只有0.1V，这很不利于AD的采样，故将其产生的压差送入OP07进行30倍的放大到60mV3V的电压区间，再经磁珠FB,电容AD_C2进行滤波，AD_D1与AD_D2负责钳位安全的采样电压（这主要考虑到当负载发生突变致使输出回路产生高电流，加在AD_R两端电压经运放再次放大后会远大于3.3V或小于0V，对AD产生冲击，故加入。）。MAD_R1、MAD_R2构成LM317输出分压电路，在电流调节的过程中，通过分的的电压变向检测输出电压的极限。此电压信号由单片机片内10AD完成测量。 图3.5恒流源产生及采样控制电路n 各级稳压电路 此模块主要负责系统各个模块的不同电压产生及供应。具体工作电压对应模块是：P_U1和P_U4将开关电源输出的+15V电压转双12V为运放提供工作电压，由OP07的数据手册知采用双电源供电达到12左右其失调电压在30uV左右。而P_U5输出的+5V一方面为DAC8512供电，再者为下一级AMS1117转3.3V供应输入电压，P_U2输出的+3.3V分别为主控、AD7790、显示驱动电路供应电压。 图3.6 各级稳压电路3.2 软件设计本设计软件模块采用C语言编写程序，根据本设计任务要求，程序流程图如下：开机上电初始化是否有键按下进入预定电流输入设置进入1MA输出电流步进判断是否完成设置调用自动调节输出电流子程序判断按键操作是否完成调用1MA步进子程序调用显示子程序交替显示当前电流值与预置电流值否否否是是是第四章 4.1测试仪器1. 数字万用表：一台2. 可调电阻箱：一台3. 示波器：一台4. 单片机仿真下载器：一台5. 电脑：一台4.2测试及性能分析系统硬件方案完成后，各模块焊接、检测完毕后，连线无误，再逐步对各模块进行测试。指标测试:、输出电流范围：1mA-1000mA可以通过按键设置电流值，并且实际输出值与给定值之间的偏差=给1%+10mA。、具有“+”“-”步进调整功能，步进电流=10mA。输出电流范围为20mA1000mA，步进1mA。下面列出部分测试结果：给定值 （mA）实际值（mA）偏差（mA）显示值（mA）偏差（mA）21.840.161.90.164.281.724.91.11213.421.4212.90.92425.11.125.11.1474704709696.70.796.30.31921911189.22.8300302.62.6298.51.5400402240115005000499.10.95505491548.71.3600 5991 602 2表4.14.3结果与误差分析4.3.1系统测试结果系统的最终测试结果如下：1. 系统具体功能：输出电流可在1600mA数字可调且能交替显示预定值与给定值；2. 可设置并显示输出电流给定值且输出电流与给定值误差的绝对值小于2mA；3. 负载变化，输出电流的绝对值小于5mA；4. 最小步进电流可达1mA，绝对误差不大于5mA。4.3.2控制部件低功耗设计设计中我们选用TI公司的超低功耗430单片机，模数转换器选用超低功耗16位AD7790， DA选用DAC8512 SO8贴片、运放选用OP07贴片，两个双电源12V稳压芯片选用TO-92封装；最大限度的降低系统的控制及显示驱动部分的功耗。4.3.3系统误差分析根据反复试验得知系统误差的产生有以下几点：1. 由于本系统采用开关电源电路设计，仅适用于低于8W的器件，而本系统的控制部件的功耗大约有3W左右，为了使的输出电压的稳定，本系统采用开关稳压芯片，缺点是线性稳压电路,所有有其特有的内部功率损耗大,全部压降均转换为热量损失了,效率低，致使输出电流紧限于1600mA。2. 本系统通过反复测量标称电阻在不同电压下电流值大小，进行标定（即将接入系统的不同负载所产生的电流值与对应的AD值进行绑定，在此基础上进行线性化计算），建立一个数据表，通过最小二分法，查表并计算出当前电流值，进行显示。所以，本系统的数据测量的准确性以及密度决定了