【正文】 反饋量 反饋量 給定值 數(shù)模轉(zhuǎn)換 穩(wěn)壓管 模數(shù)轉(zhuǎn)換 負(fù)載電阻 AC/DC 開(kāi)關(guān)管 HCPL7870 FPGA 顯示 鍵盤 PWM 調(diào)制波 PWM調(diào)制波 恒流輸出 光電耦合 A/D芯片 L ~220V 數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì) 4 方案二：采用 MSP430F169 單片機(jī)。此單片機(jī)的運(yùn)算能力強(qiáng) ,軟件編程靈活 ,自由度大。 圖 23 方案三原理方框圖 方案三與前面的方案相比，具有以下特點(diǎn)：系統(tǒng)為雙環(huán)控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差?。怀杀据^低，技術(shù)成熟；軟硬件相結(jié)合，可靠性高 ，功能全，擴(kuò)展余地達(dá)，理論上可達(dá)到設(shè)計(jì)題目的所有性能指標(biāo)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定使用方案三?？刂撇糠诌x用單片機(jī)與專用的 PWM調(diào)制芯片相結(jié)合的方式來(lái)控制 MOSFET 開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通。但經(jīng)仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，該方案有如下幾個(gè)缺點(diǎn)：系統(tǒng)成本較高；由于使用的是離散數(shù)字 PWM 調(diào)制方式，當(dāng) FPGA 芯片使用 50MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，若 PWM得占空比要實(shí)現(xiàn) 2021個(gè)分度，則 PWM 的最高頻率只能達(dá)到 25KHZ，根據(jù)輸出電流 的紋波與輸出的頻率成反比的規(guī)律，在 25KHZ 頻帶范圍內(nèi)，輸出電流紋波較大，給后級(jí)的穩(wěn)流濾波電路電路帶來(lái)困難，影響輸出的電流指標(biāo)，難以達(dá)到發(fā)揮部分的要求：采用的是離散的數(shù)字信號(hào)反饋控制，對(duì)數(shù)字信號(hào)的量化精度要求較高。其工作過(guò)程如下：市電經(jīng)隔離變壓器降壓后，通過(guò)整流橋整流，電容器濾波，變成平穩(wěn)的直流電，完成 AC/DC 的變換過(guò)程；通過(guò)由 FPGA（可編程邏輯器件）產(chǎn)生 PWM調(diào)制波控制開(kāi)關(guān)管的通斷構(gòu)成斬波電路，輸出高頻的直 流脈沖，經(jīng)儲(chǔ)能電感平波、電容高頻濾波后，輸出可調(diào)的直流電；使用 HCPL7870光電隔離 A/D轉(zhuǎn)換芯片（轉(zhuǎn)換精度達(dá) 15）對(duì)輸出電流進(jìn)行采集，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外，由于流 過(guò)的電流較大，需要并串多個(gè)數(shù)字電位器才能滿足輸出的電流要求，且系統(tǒng)為開(kāi)環(huán)控制，穩(wěn)定性差，精度較低。 數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì) 2 第二章 數(shù)控直流電流源方案選擇 總體方案選擇 方案一：根據(jù)傳統(tǒng)線性恒流源的原理，以集成穩(wěn)壓芯片（如 LM337）與數(shù)字電位器構(gòu)成電流源的主體部分，通過(guò)單片機(jī)改變數(shù)字電位器的阻值，以實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源輸出值的調(diào)整，并使用數(shù)碼管LED顯示其數(shù)值，其原理方框圖如圖 21所示。融 會(huì)貫通自己所學(xué)的理論基礎(chǔ)知識(shí)。 熟悉 Altium Designer軟件繪制電路原理圖的基本方法和技巧；掌握硬件電路的焊接和調(diào)試方法。 25 附 錄 23 結(jié) 論 22 測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析 22 A/D采樣子程序 21 IAR Embedded Workbench IDE 軟件使用 17 信息與控制工程學(xué)院硬件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 III SG3525 的工作原理 16 SG3525 的特點(diǎn) 16 SG3525 引腳功能 16 SG3525 功能簡(jiǎn)介 15 PWM 控制芯片 SG3525 13 MSP430F169 單片機(jī) ADC12 寄存器設(shè)置 9 1602 液晶寄存器功能 9 1602 液晶顯示器 8 MSP430F169 引腳功能 7 MSP430 系列單片機(jī) 5 第三章 數(shù)控直流電流源系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 5 檢測(cè)方案選擇 3 顯示器選擇 2 器件的選擇 1 第二章 數(shù)控直流電流源方案選擇 ～ 五、指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及學(xué)生成績(jī) 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ) : 年 月 日 年 月 日 成績(jī) 指導(dǎo)教師 (簽字 ): 數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì) II 目 錄 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 ～ 第三周 調(diào)試程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字直流電流源的基本功能。 ～ 第二周 按 照原理圖焊接電路板，并檢查和調(diào)試硬件電路。 （ 5）改變負(fù)載電阻大?。?10Ω～ 15Ω之間），輸出電流穩(wěn)態(tài)誤差值小于 10mA 。 數(shù)控直流電流源 系統(tǒng)應(yīng)具有以下基本功能 。 信息與控制工程學(xué)院硬件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì) 學(xué)生學(xué)號(hào)： 09580113 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 教 授 起止日期： ～ 吉林化工學(xué)院 Jilin Institute of Chemical Technology 信息與控制工程學(xué)院硬件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 I 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 一、 設(shè)計(jì)題目：數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì) 二、設(shè)計(jì)目的 1．掌握 MSP430F169單片機(jī)的設(shè)計(jì)； 2．掌握數(shù)控直流電流源電路及顯示驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)； 3．熟練掌握單片機(jī)的編程方法； 4．掌握利用 IAR 進(jìn)行程序編輯，程序調(diào)試及程序下載的方法。 三、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)數(shù)控直流電流源系統(tǒng)。 （ 1） 15DC供電（可以使用成品穩(wěn)壓電源），輸出電流范圍： 200mA～ 2021mA； （ 2）帶負(fù)載能力：≥ 10Ω（在負(fù)載電阻 10Ω時(shí)，效率≥ 70%）； （ 3）具有“ +”、“ ”步進(jìn)調(diào)整按鍵，能 夠調(diào)整輸出電流，設(shè)置范圍 200mA～ 2021mA， （ 4）能夠數(shù)字顯示輸出電流給定值和實(shí)際輸出電流值 。 四、設(shè)計(jì)時(shí)間及進(jìn)度安排 設(shè)計(jì)時(shí)間共三周（ ～ ） ,具體安排如下表： 周安排 設(shè) 計(jì) 內(nèi) 容 設(shè)計(jì)時(shí)間 第一周 設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)和數(shù)字直流電流源電路的原理圖，學(xué)習(xí)單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具 IAR 的使用。學(xué)習(xí)單片機(jī)的編程驅(qū)動(dòng)方法以及掌握利用 IAR 進(jìn)行軟件調(diào)試程序。完成并提交硬件 設(shè)計(jì)作品及硬件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書，課程設(shè)計(jì)答辯。 I 第一章 數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)目的 2 總體方案選擇 3 控制芯片選擇 4 鍵盤模塊選擇 4 開(kāi)關(guān)管選擇 4 PWM 芯片選擇 7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述 8 MSP430 系列單片機(jī)的特點(diǎn) 9 1602 液晶引腳功能 10 1602 液晶的字符集 11 1602 液晶操作時(shí)序 11 A/D轉(zhuǎn)換模塊 13 MSP430F169 單片機(jī) ADC12 模塊特點(diǎn) 13 D/A轉(zhuǎn)換模塊 15 D/A 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 15 MSP430F169 單片機(jī) DAC12 寄存器設(shè)置 18 斬波與濾波穩(wěn)流 20 第四章 數(shù)控直流電流源軟件調(diào)試 21 IAR Embedded Workbench IDE 簡(jiǎn)介 21 IAR Embedded Workbench IDE 操作步驟 21 主程序 21 定時(shí)器 A中斷子程序 22 測(cè)試工具 24 參考文獻(xiàn) 26 信息與控制工程學(xué)院硬件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 1 第一章 數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)目的 通過(guò) 數(shù)控直流電流源的設(shè)計(jì)， 掌握基于 MSP430F169單片機(jī)和 SG3525芯片實(shí)現(xiàn)直流電流源控制的電路設(shè)計(jì)和軟件編程方法；掌握 MSP430單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器模塊、 A/D 模塊、 D/A模塊的編程方法；掌握利用 IAR進(jìn)行程序編輯，程序調(diào)試及程序下載的方法。最重要的是從設(shè)計(jì)這個(gè)過(guò)程中學(xué)習(xí)怎么與隊(duì)員之間合作，學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的基本思路與過(guò)程。提高自己將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際作品的的動(dòng)手能力。該方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但由于目前數(shù)字電位器分度有限，市場(chǎng)上能找到的最高分度只有 10 位，如 MAXIM 公司的 MAX5484，難以實(shí)現(xiàn)發(fā)揮部分的功能。 圖 21 方案一原理方框圖 方案二：根據(jù)開(kāi)關(guān)電源的原理，經(jīng) AC/DC/DC 變換過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)可調(diào)穩(wěn)流的功能，主電路由整流濾波電路、斬波電路和恒流電路構(gòu)成。該系統(tǒng)組成原理方框圖圖 22 所示，由于 FPGA 的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率高（一般使用 50MHz），且以并行處理數(shù)據(jù)，所以該方案可靠性高，編程容易。 負(fù)載電阻 18V 恒流輸出 單片機(jī) LM337 MAX5484 鍵盤 顯示 信息與控制工程學(xué)院硬件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 3 圖 22 方案二原理方框圖 方案三：按照方案二 AC/DC/DC 的設(shè)計(jì)思路，再在斬波電路的前級(jí)增加一級(jí)穩(wěn)壓電路，使用集成穩(wěn)壓器來(lái)降低電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)斬波電路的影響。 其輸出電流的大小通過(guò)隔離型電流傳感器轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，并將這一模擬量分為兩路：一路直接反饋到 PWM集成芯片的反饋輸入端，構(gòu)成連續(xù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)；另一路經(jīng)模 /數(shù)轉(zhuǎn)換芯片變成數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)處理，作為輔助的調(diào)節(jié)反饋量，使用軟件算法來(lái)修正給定量，減小穩(wěn)態(tài)誤差，其組成原理框圖如圖 23所示。 器件的選擇 方案一：采用目前比較通用的 51 系列單片機(jī)。雖然該系統(tǒng)采用單片機(jī)為核心 ,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外圍電路的智能控制 ,但核心控制部件使用 89C51時(shí) ,為達(dá)到設(shè)計(jì)精度的要求 ,外圍電路必須加上 12 位的 A/D 和 D/A,這就使得整個(gè)系統(tǒng)硬件電路變得復(fù)雜 ,而且 12 位的 A/D和 D/A器件價(jià)格較高 ,使得系統(tǒng)的性價(jià)比偏低。 此單 片機(jī)功能較強(qiáng) ， 性價(jià)比高 、 集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗小及具有較高的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力 。 通過(guò)采樣取樣 ,結(jié)合內(nèi)部 A/D 構(gòu)成閉環(huán)反饋調(diào)整控制。 鑒于上面考慮 ,我們采用方案二。數(shù)碼管亮度高，體積小，重量輕 。 方案二：采用 12864LCM 點(diǎn)陣顯示器，點(diǎn)陣顯示界面友好，顯示信息量豐富，接口電路簡(jiǎn)單，可以和單片機(jī)直接相連。 方案三： 采用 1602 字符液晶顯示器， 能夠同時(shí)顯示 16 02 即 32個(gè)字符。 考慮到本題顯示信息比較簡(jiǎn)單，只需要顯示給定輸出電流和實(shí)際輸出電流，我們決定選擇 1602字符液晶顯示器作為本系統(tǒng)的顯示 模塊。 方案二：采用 4 4 矩陣鍵盤，其優(yōu)點(diǎn)是按鍵數(shù)目較多，方便數(shù)據(jù)輸入，但需要單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，耗電量較高，編程較難。 根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料，對(duì)比 MOSFET 與 IGBT 兩種開(kāi)關(guān)管，其性能參數(shù)的對(duì)比如表 21 所示。為了獲得很好的濾波效果，希望其斬波的頻率越高越好（至少在 100kHz 以上）。 PWM 芯片選擇 PWM芯片根據(jù)其控制形式可分為電壓模式控制和電流模式控制兩種。根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料，對(duì)比 TL49 UC3573和 SG3525三款芯片如下： TL494內(nèi)有兩個(gè)誤差信號(hào)比較器，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓模式控制和電流模式控制，但在本系統(tǒng)中不能發(fā)揮這一優(yōu)勢(shì)