【正文】 于單片機(jī)高精度數(shù)控直流電流源。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)電源亟待改進(jìn)電源。（只能接近，不可能完全達(dá)到） 數(shù)控直流電流源的必要性 作為常用的電子儀器在學(xué)校和研發(fā)和檢測(cè)部門都有者相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，特別在電路原理實(shí)驗(yàn)和電子元件老化測(cè)試中都離不開電流源。發(fā)現(xiàn)小了，就設(shè)法使之增大，發(fā)現(xiàn)大了，就設(shè)法使之減小。所以理想恒流源都不允許輸出開路。為了保證電流不變，輸出電壓必須始終符合 V=I*R。電源作為電路的動(dòng)力源泉更是扮演著越來越重要的角色，不論是學(xué)校實(shí)驗(yàn)室還是維修中心都離不開實(shí)驗(yàn)電流源，然而傳統(tǒng)的電流源不論是在控制精度還是輸出特性上都無法滿足要求。而本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的直流電流源能較好地解決以上傳統(tǒng)電流源的不足。軟件方面主要利用 PID 算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的精確控制。采用單片機(jī)作為核心，輔以帶反饋?zhàn)苑€(wěn)定的串調(diào)恒壓源，可以連續(xù)設(shè)定電流值。由 D/A 轉(zhuǎn)換器TLC561 ZLG728中文字庫液晶顯示塊、放大電路和大功率調(diào)整電路組成。系統(tǒng)可靠性高，體積小，操作簡單方便，人機(jī)界面友好。 本數(shù)控直流電流源以單片機(jī) MSP430F2274 為控制核心，由 D/A 轉(zhuǎn)換器 TLC561ZLG728中文字庫液晶顯示塊、放大電路和大功率調(diào)整電路組成。 隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和 D/A， A/D 技術(shù)的不斷成熟使得數(shù)控電源成為可能，數(shù)控電流源不論是在控制精度還是在可操作性上都有傳統(tǒng)電源無法比擬的優(yōu)勢(shì)。即負(fù)載需要多大電壓，恒流源就必須輸出多大電壓， “無條件 ”予以滿足。對(duì)于實(shí)際電路，當(dāng) R 大到一定程度，電壓輸出能力就會(huì)不夠，輸出電流必然下降，不再恒定。形象地說，電流負(fù)反饋電路則是采樣輸出電流，計(jì)算誤差，據(jù)此調(diào)節(jié)自身狀態(tài)，使輸出電流穩(wěn)定，因而，輸出特性接近恒流源。 隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步對(duì)電子儀器的要求不斷提高，電源作為電路的動(dòng)力源泉更是 扮演著越來越重要的角色，不論是學(xué)校實(shí)驗(yàn)室還是維修中心都離不開實(shí)驗(yàn)電源，然而傳統(tǒng)的電源不論是在控制精度還是輸出特性上都無法滿足要求。 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 數(shù)控直流電流源簡介 低紋波、高精度穩(wěn)定直流電流源是一種非常重要的特種電源 , 在現(xiàn)代科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn) 中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。它可實(shí)現(xiàn)以下功能 : ( 1) 具有多個(gè)量程 ,用戶可根據(jù)實(shí)際需要選定。 課題進(jìn)展 1 查閱 MSP430 與數(shù)控直流電流源相關(guān)資料，確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 2 確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案， 完成系統(tǒng)框圖和原理圖設(shè)計(jì) 3 使用 PROTEL繪制原理圖和電路版圖 。 7 修改論文準(zhǔn)備答辯 后話 由于本人能力水平有限，也缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。稱之為混合信號(hào)處理器，主要是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以供 “單片 ”解決方案。開發(fā)語言有匯編語言和 C 語言。 節(jié)能狀態(tài)下， 。 32KB+256 字節(jié) FLASH， 1KB RAM CPU內(nèi)含有 16 個(gè)寄存器，分為 4 個(gè)特殊寄存器和 12 個(gè)普通寄存器。其中 P1 和 P2 端口具有中斷功能?？梢宰鳛?SPI 使用，提供同步通信功能，也可以作為 IrDA 編碼器和譯碼器使用。 D/A芯片 TLC5615 TLC5615 是一個(gè)串行 10 位 DAC 芯片，性能比早期電流型輸出的 DAC 要好。 引腳功能： 8 腳直插式 TLC5615 的引腳分布如圖 各引腳功能如下： ● DIN，串行二進(jìn)制數(shù)輸入端； ● SCLK，串行時(shí)鐘輸入端； ● CS ，芯片選擇，低有效； ● DOUT，用于級(jí)聯(lián)的串行數(shù)據(jù)輸出； ● AGND，模擬地； ● REFIN，基準(zhǔn)電壓輸入端； ● OUT， DAC 模擬電壓輸出端； ● DDV ，正電源電壓端。當(dāng) CS 為低電平時(shí)，在每一個(gè) SCL K 時(shí)鐘的上升沿將 DIN 的一位數(shù)據(jù)移入 16 位移寄存器。 從圖中可以看出 ,最大串行時(shí)鐘速率為： f(sclk )max =1/ Wt (CH)+Wt (CS)≈14MHz 兩種工作方式： 從圖 可以看出， 16 位移位寄存器分為高 4 位虛擬位、低 2 位填充位以及 10 位有效位。其中， REFINV 是參考電壓， N 為輸入的二進(jìn)制數(shù)。 典型應(yīng)用：儀器儀表，工業(yè)控制器，條形顯示器，控制面板等。 1016 SGSA 段 g段 a 驅(qū)動(dòng)輸出 17 DP 小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)輸出 1825 DIG0DIG7 數(shù)字 0數(shù)字 7 驅(qū)動(dòng)輸出 26 OSC2 振蕩器輸出端 27 OSC1 振蕩器輸入端 28 /RESET 復(fù) 位端 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 總體方案設(shè)計(jì)與比較 方案一：通過編碼開關(guān)來控制存儲(chǔ)器的地址；根據(jù)地址輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字量送數(shù)模（ D/A）進(jìn)行轉(zhuǎn)換；再根據(jù)輸出的電壓量來控制電流的變化；同時(shí)；通過四個(gè)編碼開關(guān)的BCD 碼送給 4511 及數(shù)碼管顯示。 電源電路 本設(shè)計(jì)共用到電源有 兩 種：即 177。 b 穩(wěn)壓電路：由于得到的輸出電壓 U4受負(fù)載 、輸入電 壓 和 溫度的影響不穩(wěn)定，為了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路，從而得到穩(wěn)定的電壓 U0。 圖 +5V電源原理圖 +5V Power principle diagram 圖 中提供的 +5V的電源用于 LM358 。 圖 硬件連接圖 Hardware connection diagram 恒流源電路 方案一：本設(shè)計(jì)在起初利用圖 所示 恒流源電路 ， 運(yùn)放的輸出端通過三極管與反向輸出端相連，構(gòu)成負(fù)反饋電路，由于運(yùn)放的同相輸入端與反相輸入端在理論上是虛短的，且運(yùn)放的輸入電阻無窮大，因此反相端和同相端的電位相等，即 UiUi?39。因此可以通過改變同相輸入端的電壓來調(diào)整輸出電流 Io 的大小。 LM358 和晶體管 Q Q2 組成電壓－電流轉(zhuǎn)換器， U1A、 U1B 和電阻 R1－ R8 利用 D/A 的輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓進(jìn)行數(shù)控。電路原理圖如圖 所示。 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 圖 方案二恒流源電路原理圖 Scheme ii constant current source circuit principle diagram 數(shù)碼管顯示電路 本題采用 ZLG7289來控制按鍵，控制 4個(gè)鍵和四個(gè)數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn) 20～ 2021mA電流的輸入。 Protel 設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一套建立在 PC 環(huán)境下的 EDA 電路集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它以卓越的功能旺盛的生命力緊跟計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和 EDA 技術(shù)的發(fā)展步伐。 ? 多樣的模板。 ? 優(yōu)越的混合信號(hào)電路仿真。 印制電路板的制作過程 如圖 所示： 圖 印制電路板制作過程 PCB manufacture process 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 程序語言介紹 編寫計(jì)算機(jī)程序所用的語言足程序設(shè)計(jì)語言。每一種機(jī)器語言所編寫的程序只適用于某種特定類型的計(jì)葬機(jī)。 匯編語言 程序設(shè)計(jì)自動(dòng)化的第一階段，就是 使用匯編語言。 匯編語言也是面向機(jī)器的語言，執(zhí)行速度與機(jī)器語言相仿，但它比機(jī)器語言易讀、好記，也不容易出錯(cuò)，這對(duì)縮短編程、讀取和修改帶來很大方便。匯編語言的優(yōu)點(diǎn)：占用的內(nèi)存單元和 CPU資源少；程序簡短，執(zhí)行速度快；可直接調(diào)用計(jì)算機(jī)的全部資源，并可有效的利用計(jì)算機(jī)的專有特性；能準(zhǔn)確掌握指令的執(zhí)行時(shí)間，適用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng) 高級(jí)語言 高級(jí)語言克服了匯編語言的缺點(diǎn)，是種面向問題或過程的語言。 在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，由于牽涉的程序規(guī)模較大，有 C 語言編程有著相對(duì)的優(yōu)勢(shì)，因此，我采用的是高級(jí)語言 C 語言。 控制點(diǎn)目前包含三種比較簡單的 PID 控制算法，分別是：增量式算法，位置式算法，微分先行。 由于這一性質(zhì)，當(dāng)被控量接近給定值的時(shí)候，反號(hào)的比例作用阻礙了積分作用，因而避免了積分超調(diào)以及隨之帶來的振蕩，這顯然是有利于控制的。 (3) PID 增量算法的飽和作用及其抑制 在 PID 增量算法中，由于執(zhí)行元件本身是機(jī)械或物理的積分儲(chǔ)存單元，如果給定值發(fā)天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 19 生突變時(shí)，由算法的比例部分和微分部分計(jì)算出的控制增量可能比較大，如果該值超過了執(zhí)行元 件所允許的最大限度，那么實(shí)際上執(zhí)行的控制增量將時(shí)受到限制時(shí)的值，多余的部分將丟失，將使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程變長，因此，需要采取一定的措施改善這種情況。 (2) 積分分離法 在基本 PID 控制中，當(dāng)有較大幅度的擾動(dòng)或大幅度改變給定值時(shí)， 由于此時(shí)有較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項(xiàng)的作用下，往往會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)量和長時(shí)間的波動(dòng)。若閾值太大，達(dá)不到積分分離的目的，若太小又有可能因被控量無法跳出積分分離區(qū)，只進(jìn)行 PD 控制，將會(huì)出現(xiàn)殘差。 Ti…… 積分時(shí)間常數(shù)。因?yàn)榘磳?shí)際偏差計(jì)算出的控制量并沒有執(zhí)行。微分先行 PID 算法又叫測(cè)量值微分 PID 算法。Ｋ p 太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。 (2) 積分控制Ｔｉ對(duì)系統(tǒng)性能的影響： 積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，Ｔｉ?。ǚe分作用強(qiáng)）會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。 C 語言程序設(shè)計(jì)流程 用 C 語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)與使用其他高級(jí)語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的過程是類似的。 在 MSP430F2274 單片機(jī)中，程序存儲(chǔ)器 ROM 是 FLASH 類型的。它們的 組織結(jié)構(gòu)如圖 所示 ： 圖 4. 1 存儲(chǔ)器組織圖 Fig. 4. 1 Memory anization chart MSP430F2274 寄存器介紹 在 MSP430 系列單片機(jī)中， CPU內(nèi)部共有 16 個(gè)寄存器。在程序開始執(zhí)行前，必須將它的起始地址，即程序的一條指令所在的內(nèi)存單元地址送入 PC，因此程序計(jì)數(shù)器（ PC）的內(nèi)容即是從內(nèi)存提取的第一條指令的地址。 常熟發(fā)生器主要用來產(chǎn)生常數(shù)，在采用 C 語言編寫程序時(shí)，不需要關(guān)心該寄存器。在不同的模式下，電壓低的系統(tǒng)功耗小。 程序流程圖是人們對(duì)解決問題的方法、思路或算法的一種描述。 主程序流程圖 本設(shè)計(jì)主程序 流程 如圖 所示 ，開始時(shí)中文顯示液晶進(jìn)行初始化，然后通過按鍵程序輸入預(yù)設(shè)鍵，系統(tǒng)判斷是否有鍵按下，若無則重新判斷；若有則根據(jù)按鍵號(hào)轉(zhuǎn)致相應(yīng)的程序。 開始時(shí)清除液晶顯示，然后對(duì)液晶功能極性設(shè)置，設(shè)置好以后開始設(shè)定進(jìn)入點(diǎn)，接著顯示狀態(tài)設(shè)定，最后等待按鍵值輸入。開始時(shí)進(jìn)行通道選擇，并且允許 A/D 轉(zhuǎn)換。開始時(shí)進(jìn)行初始化，然后啟動(dòng)D/A。程序方面，也還有很多需要改進(jìn)的地方，使程序變得更簡練，更具可讀性。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。在編譯方面，它也支持 IAR、 Keil 和 MPLAB 等多種 編譯器 。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型 上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 30 1. 使用 Keil 軟件編寫源程序，生成 .hex文件，用 Proteus 下載。目前，市場上可售的直流電流源很多都滿足不了用戶的需求，為了能獲得高精度、低紋波、寬范圍、穩(wěn)定可靠、操作方便的直流電流源，我也嘗試著去做數(shù)控直流電流源。從做這個(gè)設(shè)計(jì)，更讓我感覺到了態(tài)度決定一切。 (3) 紋波電流極小，小于 。 本設(shè)計(jì)的不足之處：由于沒有將實(shí)際作品做出來，我只能推斷在設(shè)計(jì)中的功率管工作在不斷的導(dǎo)通閉合狀態(tài)，電路在紋。 它的特點(diǎn)有：能獲得高精度、低紋波、寬 范圍、穩(wěn)定可靠、操作方便。 本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以下功能： (1) 具有多個(gè)量程，用戶可根據(jù)實(shí)際需要選定。 從開始的對(duì)這個(gè)直流電流源的不知到后來逐漸 去搞懂，真的花了很長時(shí)間。 3. 測(cè)試和調(diào)試源代碼 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 31 結(jié) 論 經(jīng)過一段時(shí)間的設(shè)計(jì)，我的這個(gè)關(guān)于數(shù)控直流電流源的設(shè)計(jì)終于完成了。 功能模塊 （ 1）智能原理圖設(shè)計(jì)（ ISIS） 豐富的器件庫：超過 27000 種元器件，可方便地創(chuàng)建新元件； 智能的器件搜索：通過模糊搜索可以快速定位所需要的器 件； 智能化的連線功能：自動(dòng)連線功能使連接導(dǎo)線簡單快捷，大大縮短繪圖時(shí)間； 支持總線結(jié)構(gòu)：使用總線器件和總線布線使電路設(shè)計(jì)簡明清晰； 可輸出高質(zhì)量圖紙：通過個(gè)性化設(shè)置，可以生成印刷質(zhì)量的 BMP 圖紙，可以方便地供 WORD、 POWERPOINT 等多種文檔使用。這些功能是： （ 1）原理布圖 （ 2） PCB 自動(dòng)或人工布線 （ 3） SPICE 電路仿真 革命性的特點(diǎn) ： （ 1）互動(dòng)的電路仿真 用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如 RAM， ROM，鍵盤，馬達(dá)， LED， LCD， AD/DA，部