【正文】 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。 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。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) 高級語言 高級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。 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。 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。 ? 多樣的模板。 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。 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)對電壓進(jìn)行數(shù)控。 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。 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。 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。其中， REFINV 是參考電壓， N 為輸入的二進(jìn)制數(shù)。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。 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。其中 P1 和 P2 端口具有中斷功能。 節(jié)能狀態(tài)下， 。稱之為混合信號(hào)處理器，主要是由于其針對實(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。 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 。 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。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。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。 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。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。軟件方面主要利用 PID 算法來實(shí)現(xiàn)對輸出電流的精確控制。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。所以理想恒流源都不允許輸出開路。（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)和電子元件老化測試中都離不開電流源。 為此 , 結(jié)合單片機(jī)技術(shù)及 V/I 變換電路 , 采用反饋調(diào)整控制方案設(shè)計(jì)制作了一種新型的基于單片機(jī)高精度數(shù)控直流電流源。 6 完成論文初稿。這種方式只需要一臺(tái) PC 機(jī)和一個(gè) JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。 內(nèi)部 CPU結(jié)構(gòu)遵循精簡指令集 RISC 設(shè)計(jì)（ Reduced Instruction Set Computer)。 具有串行通信模塊，該模塊既可以支持自動(dòng)波特率檢測的增強(qiáng)型 UART，提供一部通信功能。 圖 TLC5615 的內(nèi)部功能框圖 Internal functions diagram of TLC5615 TLC5615功能簡介 TLC5615 的內(nèi)部功能框圖如圖 它主要由以下幾部分組成： (1) 10 位 DAC 電路； (2) 一個(gè) 16 位移位寄存器 ,接受串行移入的二進(jìn)制數(shù)，并且有一個(gè)級聯(lián)的數(shù)據(jù)輸出 DOUT； (3) 并行輸入輸出的 10 位 DAC 寄存器，為 10 位 DAC 電路提供待轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)據(jù)； (4) 電壓跟隨器為參考電壓端 REFIN 提供很高的輸入阻抗，大約 10MΩ； (5) 2 電路提供最大值為 2 倍于 REFIN 的輸出； (6) 上電復(fù)位電路和控制電路。注意， CS 的上升和下降都必須發(fā)生在 SCL K 為低電平期間。 ZLG7289A 具有片選信號(hào)，可方便地實(shí)現(xiàn)多于 8 位的顯示或多于 64 鍵的鍵盤接口。其電路方框圖如圖 所示： 圖 方案二方框圖 Plan two charts 輸入顯示 鍵盤 單片機(jī) MSP430 D/A 轉(zhuǎn)換 輸出顯示 A/D采樣 恒流源 電源模塊 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 單元電路 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件以 MSP430F2274 單片機(jī)為核心，外圍包括電源模塊、數(shù)碼管顯示模塊、 D/A轉(zhuǎn)換 模塊及恒流源模塊。12V Power supply circuit 圖 中電路提供 +12 V的電源；主要用于 LM1117，再由 LM1117 產(chǎn)生 電源變壓 器 整流 電路 濾波 電路 穩(wěn)壓 電路 U1 U2 U3 U4 U5 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 為 MSP430F2274 的工作電壓。 。輸出電流采樣電路是采用取采樣電阻兩端的電壓差，根據(jù) I=V/R 換算得到電流值的。 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 圖 數(shù)碼顯示管電路圖 Digital display tube diagram Protel 99SE介紹 Protel 99SE 是 Protel 公司于 2021年推出的產(chǎn)品，在 Protel 系列產(chǎn)品中， Protel 99SE以其強(qiáng) 大的功能，方便快捷的設(shè)計(jì)模式和人性化的設(shè)計(jì)環(huán)境，贏得了眾多電路設(shè)計(jì)這得青睞，成為當(dāng)前電子工業(yè)中印刷電路板設(shè)計(jì)的主流軟件。 ? 增強(qiáng)的手動(dòng)布線方式。它是直接用二進(jìn)制形式指令表示命令的一種語言，所以它不需要翻譯就能直接被執(zhí)行。匯編語言輸入到計(jì)算機(jī)后．在執(zhí)行時(shí)首先被一種稱之為匯編程序的系統(tǒng)程序翻譯成機(jī)器語言程序，然后才能由計(jì)算機(jī)執(zhí)行。它不但直觀、易學(xué)，而且通用性強(qiáng)，便于移植到不同類型的機(jī)器上 使用。 (2) 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程加速 在增量式算法中，比例項(xiàng)與積分項(xiàng)的符號(hào)有以下關(guān)系：如果被控量繼續(xù)偏離給定值，則這兩項(xiàng)符號(hào)相同，而當(dāng)被控量向給定值方向變化時(shí)，則這兩項(xiàng)的符號(hào)相反。具體地說，在 計(jì)算 Ui 時(shí)，將判斷上一個(gè)時(shí)刻的控制量 Ui1 是否已經(jīng)超出限制范圍，如果已經(jīng)超出，那么將根據(jù)偏差的符號(hào)，判斷系統(tǒng)是否在超調(diào)區(qū)域，由此決定是否將相應(yīng)偏差計(jì)入積分項(xiàng)。 Kp…… 比例系數(shù)。因此在微分項(xiàng)中不考慮給定值，只對被控量（控制器輸入值）進(jìn)行微分。如果Ｋｃ的符號(hào)選擇不當(dāng)對象狀態(tài) (pv 值 )就會(huì)離控制目標(biāo)的狀態(tài) (sv 值 )越來越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況Ｋ p 的符號(hào)就一定要取反。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器地址空間 計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)配置有兩種典型結(jié)構(gòu)，即：哈佛結(jié)構(gòu)和普林斯頓結(jié)構(gòu)。而程序計(jì)數(shù)器正是起到這種作用，所以通常又稱為指令計(jì)數(shù)器。 工作模式與功耗如圖 所示 ： 圖 4. 3 工作模式圖 Fig. 4. 3 Work mode chart 從 圖 我們可以得到 :系統(tǒng)功耗與工作電源是成正比例關(guān)系的。 一般來說，在進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候，利用程序流程圖有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 24 ●采用簡單規(guī)范的符號(hào)，畫法簡單； ●結(jié)構(gòu)清晰，邏輯性強(qiáng)； ●便于描述，容易理解。 圖 鍵盤程序流程圖 keyboard program flow chart 開始 有鍵按下？ 鍵盤消抖 有鍵按下？ 掃描鍵盤得鍵值存入累加器 結(jié)束 N N Y Y 清除液晶顯示 液晶功能設(shè)置 設(shè)定進(jìn)入點(diǎn) 等待按鍵值輸入 顯示狀態(tài)設(shè)定 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 26 A/D轉(zhuǎn)換流程圖 如圖 所示，該圖為 MSP430 單片機(jī)內(nèi)部自帶的 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換流程圖。但同時(shí)，不足之處還有很多，有一些知識(shí)了解不夠透徹，還需要大量的實(shí)際操作和練習(xí)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、 PCB 設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持 805 HC1 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC3 AVR、 ARM、 8086 和 MSP430 等，2021 年即將增加 Cortex 和 DSP 系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 29 （ 2）完善的電路仿真功能（ Prospice） ProSPICE 混合仿真：基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SPICE3F5，實(shí)現(xiàn)數(shù)字 /模擬電路的混合仿真； 超過 27000 個(gè)仿真器件：可以通過內(nèi)部原型或使用廠家的 SPICE 文件自行設(shè)計(jì)仿真器件， Labcenter 也在不斷地發(fā)布新的仿真器件，還可導(dǎo)入第三方發(fā)布的仿真器件； 多樣的激勵(lì)源：包括直流、正弦、脈沖、分段線性脈沖、音頻（使用 wav 文件）、指數(shù)信號(hào)、單頻 FM、數(shù)字時(shí)鐘和碼流，還支持文件形式的信號(hào)輸入； 豐富的虛擬儀器： 13 種虛擬儀器，面板操作逼真，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、直流電壓 /電流表、交流電壓 /電流表、數(shù)字圖案發(fā)生器、頻率計(jì) /計(jì)數(shù)器、邏輯探頭、 虛擬終端 、 SPI 調(diào)試器、 I2C 調(diào)試器等； 生動(dòng)的仿真顯示：用色點(diǎn)顯示引腳的數(shù)字電平，導(dǎo)線以不同顏色表示其對地電壓大小，結(jié)合動(dòng)態(tài)器件（如電機(jī)、顯示器件、按鈕）的使用可以使仿真更加直觀、生動(dòng)； 高級圖形仿真功能（ ASF）：基于圖標(biāo)的分析可以精確分析電路的多項(xiàng)指標(biāo)，包括工作點(diǎn)、瞬態(tài)特性、頻率特性、傳輸特性、噪聲、失真、 傅立葉 頻譜分析等，還可以進(jìn)行一致性分析 ； （ 3）獨(dú)特的單片機(jī)協(xié)同仿真功能（ VSM） 支持主流的 CPU 類型：如 ARM 8051/5 AVR、 PIC10/1 PIC1 PIC1PIC2 dsPIC3 HC1 BasicStamp、 808 MSP430 等， CPU 類型隨著 版本升級 還在繼續(xù)增加，如即將支持 CORTEX、 DSP 處理器； 支持通用外設(shè)模型：如字符 LCD 模塊、圖形 LCD 模塊、 LED 點(diǎn)陣 、 LED 七段顯示模塊、鍵盤 /按鍵、直流 /步進(jìn) /伺服電機(jī)、 RS232 虛擬終端、電子溫度計(jì)等等，其COMPIM（ COM 口物理接口模型）還可以使仿真電路通過 PC 機(jī)串口和外部電路實(shí)現(xiàn)雙向 異步串行通信 ； 實(shí)時(shí)仿真：支持 UART/USART/EUSARTs 仿真、中斷仿真、 SPI/I2C 仿真、 MSSP仿真、 PSP 仿真、 RTC 仿真、 ADC 仿真、 CCP/ECCP 仿真； 編譯及調(diào)試：支持單片機(jī)匯編