数控恒流源设计报告加程序

数控恒流源设计报告背景数控恒流源是单片机运用数字控制技术控制恒流源的一种设计方案。当前，数字化数控恒流源的应用，随着电子技术的发展使用范围越来越广，在电子测量仪器、激光、传感技术、超导、现代通信等高新技术领域，恒流源都被广泛应用，且发展前景较为良好。同时，也不仅局限于此。电子领域，数控恒压技术已经很成熟，但是恒流方面特别是数控恒流的技术是有待发展，高性能的数控恒流器件的开发和应用存在巨大的发展空间。所以设计一个数控恒流源方案来提高恒流源的稳定性、适用范围以及精度很有必要。目录第一章设计方案第二章恒流电路第三章MSP430F149单片机及电源第四章AD模块第五章DA模块第六章键盘模块和显示模块第七章软件设计第八章实验总结第一章设计方案本设计本设计是基于单片机控制的直流恒流源,分为以下几个组成部分:单片机控制系统、A/D和D/A转换模块、电源模块、恒流源模块、负载及键盘液晶显示模块,系统框图如图所示。系统框图用430单片机作为整机的控制单元，通过改变Ｄ/A转换器的输入数字量来改变输出电压值，从而间接地改变压控恒流源的输出电流大小。为了能够使系统具备检测实际输出电流值的大小，可以将电流转换成电压，并经过A/D转换器进行模数转换，用单片机实时对电压进行采样，与输入预期值比较，并通过430单片机进行进行数据处理微调输出，提高精度实时显示。第二章恒流电路数控直流电流源可以采用电流输出型D/A转换器来实现，单由于其输出电流的幅值一般在uA数量级，因此需要进行电流放大若干倍才能达到所需要的要求电流值，电路实现很困难。若选择电压输出型DAC，再通过V-I转换电路变成与之成比例的电流信号，则电路实现相对简单，因此设计直流电源时常采用该种方案实现，在这种方案中，V/I转换电路设计是关键。通常的V/I转换有两种方式，一种是负载共地的方式，一种是负载共电源的方式。我们选用的是负载共地的方式，因为有很多电路负载在连接的时候需要进行共地。R6为电流反馈采样电阻，R5为限流电阻，RL为负载电阻。R7为A/D转换采样电阻，R6采样到的电流信号加到电路的输入端，构成电流并联负反馈电路。由虚断知，运算放大器输入端没有电流流过，则(Vi–V2)/R1=(V1–V4)/R2……a同理(V3–V2)/R3=V2/R4……b由虚短知V1=V2……c如果R1=R2=R4=R3，则由abc式得V3-V4=Vi上式说明R6两端的电压和输入电压Vi相等，则通过R7和RL的电流I=Vi/R6。如果负载RL100KΩ，且运算放大器的放大增益足够大时，通过负载RL的电流仅有输入电压Vi决定，并且I=Vi/R6。所以R1、R2、R3、R4选用100kΩ。为了方便采样，我们选择R6为1Ω电阻。Vi为0~1V，我们做的恒流源输出电流在0~100mA，R6=1/0.1=10Ω。为了扩大电流的输出能力，在上电路的负反馈没有通过电阻直接反馈，而是串联了三极管的发射结，进行电流放大。因为在恒流源电路中,MOSFET管的输入电容太大,而一般运放的输出电阻都在几十欧姆以上,会造成闭环的延迟,而高增益的闭环负反馈中的迟延很容易振荡,三极管的放大倍数选大些,也可以用复合管,实际上电阻的误差比三极管基极电流的影响可能要大,还可以通过调节电阻的值来调节.所以我们选用的是三级管而不是MOSFET管。第三章MSP430F149单片机及电源3.1MSP430F149单片机MSP430F149单片机是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机。由于它具有极低的功耗、达到60KB的FLASH容量、丰富的片内外设和相对较小的体积及方便灵活的开发环境，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的“芯星”。开发板资源描述:【1】.板载MSP430F149芯片【2】.集成USB型BSL编程器（对自身或其他板子进行bsl编程）【3】.提供32.768KHZ和8MHZ两种晶振连接方式【4】.采用USB供电和程序下载，优质电容滤波【5】.采用标准JTAG接口（14针），支持硬件仿真。【6】.所有IO口（包括AD电源等）均引出（未焊接排针，可自己向上或向下焊接）。【7】.4路彩色LED全部上拉，可以借此观察程序运行状态。【8】.2个优质独立按键。【9】.板载手动复位电路。【10】.板载蜂鸣器电路，可做音乐实验等。【11】.提供NRF24L01+无线模块接口。【12】.板子集成USB转串口功能。【13】.向外提供3.3v和5v电源排针。MSP430的端口有P1、P2、P3、P4、P5、P6、S和COM（型号不同，包含的端口也不仅相同，如MSP430X11X系列只有P1,P2端口，而MSP430X4XX系列则包含全部上述端口），它们都可以直接用于输入/输出。MSP430系统中没有专门的输入/输出指令，输入/输出操作通过传送指令来实现。端口P1`P6的每一位都可以独立用于输入/输出，即具有位寻址功能。常见的键盘接口可以直接用端口进行模拟，用查询或者中断方式控制。由于MSP430的端口只有数据口，没有状态口或控制口，在实际应用中，如在查询式输入/输出传送时，可以用端口的某一位或者几位来传送状态信息，通过查询对应位的状态来确定外设是否处于“准备好”状态。端口的功能。（1）P1,P2端口：I/O,中断功能,其他片内外设功能如定时器、比较器；（2）P3,P4P5P6端口：I/O,其他片内外设功能如SPI、UART模式，A/D转换等；（3）S,COM端口：I/O,驱动液晶。MSP430各端口具有丰富的控制寄存器供用户实现相应的操作。其中P1,P2具有7个寄存器，P3~P6具有4个寄存器。通过设置寄存器我们可以实现：（1）每个I/O位独立编程；（2）任意组合输入，输出和中断；（3）P1,P2所有8个位全部可以用作外部中断处理；（4）可以使用所以指令对寄存器操作；（5）可以按字节输入、输出，也可按位进行操作。端口P1,P2的功能可以通过它们的7个控制寄存器来实现。这里，Px代表P1或P2。（1）PxDIR：输入/输出方向寄存器。8位相互独立，可以分别定义8个引脚的输入/输出方向。8位再PUC后都被复位。使用输入/输出功能时，应该先定义端口的方向。作为输入时只能读，作为输出时，可读可写。0：输入模式；1：输出模式。如：P1DIR|=BIT4;//P1.4输出，P2DIR=0XF0;//高4位输出，低4位输入。（2）PXIN：输入寄存器，为只读寄存器。用户不能对它进行写入，只能通过读取其寄存器的内容来知道I/O口的输入信号。所以其引脚的方向要选为输入。如再键盘键盘扫描程序中经常要读取行线或者列线的端口寄存器值来判断案件情况。例如：unsignedcharkey;P1DIR&=~BIT4;//P1.4输入……key=P1IN&0X10;//输出端口P1.4的值……（3）PXOUT：输出寄存器。该寄存器为I/O端口的输出缓冲寄存器，再读取时输出缓存的内容与引脚方向定义无关。改变方向寄存器的内容，输出缓存的内容不受影响。如：PIOUT|=0X01;//P1.0输出1，PIOUT&=~0X01;//P1.0输出0。（4）PXIFG：中断标志寄存器。他的8个标志位标志相应引脚是否有中断请求有待处理。0：无中断请求，1：有中断请求。其中断标志分别为PXIFG.0~PXIFG.7。应该注意的是：PXIFG.0~PXIFG.7共用一个中断向量，为多源中断。当任一事件引起的中断进行处理时，PXIFG.0~PXIFG.7不会自动复位，必须由软件来判断是对哪一个事件，并将相应的标志复位。另外，外部中断事件的时间必须保持不低于1.5倍的MCLK时间，以保证中断请求被接受，且使相应中断标志位置位。（5）PXIES：中断触发沿选择寄存器。如果允许PX口的某个引脚中断，还需定义该引脚的中断触发方式。0：上升沿触发使相应标志置位，1：下降沿触发相应标志置位。如：MOV.B#07H,&P1IES;p1低3位下降沿触发中断。（6）PXIE：中断使能寄存器。PX口的每一个引脚都有一位用以控制该引脚是否允许中断。0：禁止中断，1：允许中断。MOV.B#0E0H,&P2IE;P2高3位允许中断。（7）PXSEL：功能选择寄存器。P1,P2两端口还具有其他片内外设功能，将这些功能与芯片外的联系通过复用P1,P2引脚的方式来实现。PXSEL用来选择引脚的I/O端口功能与外围模块功能。0：选择引脚为I/O端口，1：选择引脚为外围模块功能。如：P1SEL|=0X10;//P1.4为外围模块功能。端口P3、P4、P5、P6没有中断能力，其余功能同PI,P2。除掉端口P1,P2与中断相关的3个寄存器，端口P3,P4,P5,P6的4个寄存器（用法同P1，P2）分别为PXDIR，PXIN，PXOUT，PXSEL可供用户使用。端口COM和S，他们实现与液晶片的直接接口。COM为液晶片的公共端，S为液晶片的段码端。液晶片输出端也可经软件配置为数字输出端口。3.2电源模块：5v12v佰嘉达D-120A双组电源佰嘉达D-120A双组电源是开关电源（英文：SwitchingModePowerSupply），又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置。其功能是将一个位准的电压,透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源体积小、重量轻：由于没有工频变压器，所以体积和重量只有线性电源的20～30%。功耗小、效率高：功率晶体管工作在开关状态，所以晶体管上的功耗小，转化效率高，一般为60～70%，而线性电电源只有30～40%。所以选择开关电源转化和提供12V和5V电压。第四章DA模块因为MSP430F149单片机内部并没有内置DAC12模块，所以必须外接DAC芯片进行DA转换。考虑到恒流源的精度和步进的大小，我们决定使用12位的DAC芯片来进行DA转换。经过挑选，我们使用12位的TLV5618。其连接图如下DA模块电路图特性双通道12位电压输出型DAC可编程设置时间：3uS—10uS兼容TMS320和SPI接口可直接代替TLC5618应用数字电路控制数字偏移及增益控制工业生产控制机器和自动控制装第五章AD模块这里采用的是MSP430F149单片机内部的ADC12模块，需在单片机外接如图所示的一些元件辅助芯片。ADC12提供4种转换模式：单通道单次转换序列通道单次转换单通道多次转换序列通道多次转换这里我们只用单通道单次转换对选定的通道进行单次转换要进行如下设置：x=CSStartAdd，指向转换开始地址ADC12MEMx存放转换结果ADC12IFG.x为对应的中断标志ADC12MCTLx寄存器中定义了通道和参考电压转换完成时必须使ENC再次复位并置位（上升沿），以准备下一次转换。在ENC复位并再次置位之前的输入信号将被忽略。AD模块电路图不论用户使用何种转换模式，都要处理以下问题：设置具体模式输入模拟信号关注转换结束信号存放转换数据以及采用查询或者中断方式读取数据二、ADC12寄存器说明1．ADC12CTL0控制寄存器0，各位定义：15～1211～876543210SHT1SHT0MSC2.5VREFONADC12ONADC12TOVIEADC12TVIEENCADC12SCADC12SC——采样/转换控制位。在不同条件下，ADC12SC的含义如下所示：ENC——转换允许位。0：ADC12为初始状态，不能启动A/D转换；1：首次转换由SAMPCON上升沿启动ADC12TVIE——转换时间溢出中断允许位（当前转换还没完成时，又发生一次采样请求，则会发生转换时间溢出）0：没发生转换时间溢出1：发生转换时间溢出ADC12OVIE——溢出中断允许位（当ADC12MEMx中原有数据还没有读出，而又有新的转换结果数据要写入时，则发生溢出）0：没发生溢出1：发生溢出ADC12ON——ADC12内核控制位0：关闭ADC12内核1：打开ADC12内核REFON——参考电压控制位0：内部参考电压发生器关闭1：内部参考电压发生器打开2.5V——内部参考电压的电压值选择位0：选择1.5V内部参考电压1：选择2.5V