基于MSP430單片機(jī)數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)

1、基于MSP430單片機(jī)數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì) 摘 要 本直流穩(wěn)流電源，利用反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源供應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)的電能，在此基礎(chǔ)上，以MSP430F1232超低功耗單片機(jī)作為主控核心，由12位DAC8512、16位AD7790、可調(diào)穩(wěn)壓芯片LM317實(shí)現(xiàn)參考電壓的設(shè)定及監(jiān)測電流采樣電阻兩端的微弱電壓經(jīng)集成運(yùn)放OP07放大若干倍的電流轉(zhuǎn)電壓值。通過三個(gè)獨(dú)立按鍵和一塊四位共陽極數(shù)碼管共同完成，用戶對(duì)本系統(tǒng)的設(shè)定和交互。簡言之，本系統(tǒng)在負(fù)載一定變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了恒流輸出，即通過控制加載于負(fù)載上的輸出電壓和采樣輸出的電流與給定電流值得比較達(dá)到穩(wěn)流。關(guān)鍵字：反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源；恒流源；MSP430F1232；電壓、電流

2、采樣電路 Stabilized DC Power SupplyABSTRACTThe stabilized DC power supply, the use of power flyback switching regulator power supply of the entire system, on this basis, to MSP430F1232 ultra-low power MCU as the master core, from 12 DAC8512, 16 位 AD7790, adjustable regulator LM317 chip reference voltage

3、 to achieve weak voltage setting and monitoring the current sampling resistor at both ends of the integrated operational amplifier OP07 amplified by several times the current-to-voltage value. Through three separate buttons and a total of four digital tube anode jointly completed, the user setting a

4、nd interaction of the system. Briefly, the present system must change over the load range to achieve a constant output, by controlling the output voltage and the load current is sampled at the output of the load current with a given steady flow reaches worth comparing.Keyword: Flyback switching powe

5、r supply; Constant current source; MSP430F1232; Voltage and current sampling circuit目 錄目 錄II第一章 引言- 1 -第二章 方案設(shè)計(jì)- 1 -2.1設(shè)計(jì)思路- 1 -2.2總體方案- 2 -2.2.1方案論證與比較- 2 -第三章 系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)- 4 -3.1 部分單元電路設(shè)計(jì)- 4 -3.2 軟件設(shè)計(jì)- 9 -4.1測試儀器- 10 -4.2測試及性能分析- 11 -4.3結(jié)果與誤差分析- 11 -4.3.1系統(tǒng)測試結(jié)果- 11 -4.3.2控制部件低功耗設(shè)計(jì)- 12 -4.3.3系統(tǒng)誤差分析-

6、12 -第五章 結(jié)論- 12 -參考文獻(xiàn)- 13 -附1 電路原理圖- 14 -系統(tǒng)總體原理圖- 14 -系統(tǒng)開關(guān)電源部分原理圖- 15 -I第一章 引言直流穩(wěn)流電源基本參數(shù)就是輸出電流的穩(wěn)定，即實(shí)現(xiàn)恒流，而理想恒流源是不允許輸出開路的，實(shí)際上當(dāng)負(fù)載R的阻值大到輸出電壓的極限后，輸出電流將下降，而不再恒定。基于上述，本系統(tǒng)采用反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源替換傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源，在源頭上提升電能的利用率和降低電壓紋波；在此基礎(chǔ)上，采用LM317和DAC8512配合使輸出電壓在1.25 V6.25 V內(nèi)可數(shù)字調(diào)控，特別地DAC8512為12位分辨率可達(dá)1/4096小于1mV顯然在理論上可實(shí)現(xiàn)1mA的步進(jìn)，當(dāng)

7、負(fù)載在1.25歐6.25歐內(nèi)變化，完全能滿足設(shè)計(jì)要求。再有，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可預(yù)設(shè)輸出電流給定值達(dá)到自我穩(wěn)定，引入電流反饋將系統(tǒng)在自我調(diào)節(jié)到最終穩(wěn)定的過程的電流值實(shí)時(shí)引入主控系統(tǒng)，作為下一次調(diào)節(jié)幅度的參考，具體方案是在輸出回路上串聯(lián)電阻，通過測量此精密電阻兩端電壓，實(shí)現(xiàn)電流的變向采樣；所選用的采用電阻為0.1歐，主要介于功耗和誤差的考量。由于本系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)電流在 20mA1A內(nèi)連續(xù)變化，那么加在采樣電阻上的壓差極其微弱，故本系統(tǒng)將此壓差經(jīng)運(yùn)放OP07放大30倍至60mV3V之間，再經(jīng)過濾波、鉗位送至高精度16位AD7790采樣量化將數(shù)字量送入主控制器，由主控制器操控12位DAC8512完成對(duì)輸出量

8、的微調(diào)?？紤]到在此過程中，負(fù)載大到上述提到的極限后輸出電流達(dá)不到預(yù)期，源于輸出電壓達(dá)到了極限，利用此特征將LM317的輸出電壓值經(jīng)分壓處理后引入MSP430主控片內(nèi)AD進(jìn)行檢測。最后由四位共陽極數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)當(dāng)前穩(wěn)定狀態(tài)下的電流值。第二章 方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)思路基于MSP430單片機(jī)強(qiáng)大的系統(tǒng)功能和超低功耗的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用其作為主控制器。利用其內(nèi)置的中斷控制，存儲(chǔ)器保護(hù)以及系統(tǒng)的調(diào)試和控制功能和配合AD、DA、運(yùn)放等模塊完成對(duì)輸出電流進(jìn)行精準(zhǔn)而可靠的采集和控制輸出端電流精準(zhǔn)對(duì)的微動(dòng)，完成最終的輸出穩(wěn)定。由于設(shè)計(jì)要求達(dá)到20mA1000mA的電流調(diào)節(jié)幅度，而本系統(tǒng)采用反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的最大輸出功

9、率僅為8W左右，經(jīng)LM317調(diào)壓輸出的電壓區(qū)間為1.25V6.25V，那么主控制器、AD、DA、運(yùn)放、顯示及驅(qū)動(dòng)電路等電路的總功耗必須小于2W，而本設(shè)計(jì)采用四位共陽數(shù)碼管勢必要損耗1W左右，借此MSP430是首選，AD選用超低功耗AD7790，DA選用DAC8512 SO8貼片、運(yùn)放選用OP07貼片，兩個(gè)雙電源12V穩(wěn)壓芯片選用TO-92封裝；最大限度的降低系統(tǒng)的控制及顯示驅(qū)動(dòng)部分的功耗，拓寬輸出端功率的可調(diào)范圍。2.2總體方案在8W左右的穩(wěn)壓電源的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)負(fù)載在一定程度內(nèi)變化時(shí)達(dá)到最終的電流穩(wěn)定。其中包括：輸出達(dá)+15V開關(guān)穩(wěn)壓電源、各級(jí)穩(wěn)壓電路、LM317與DAC組成的電壓可調(diào)電路、采

10、樣電阻和OP07運(yùn)放構(gòu)成的前端采樣電路、濾波鉗位電路、顯示及驅(qū)動(dòng)電路，在主控MSP430F1232的統(tǒng)一操控下完成設(shè)計(jì)要求。方案設(shè)計(jì)總框圖如在：LM317構(gòu)成的恒流源電路開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊（輸出+15V）輸出DAC8517模塊前端采樣電路各級(jí)穩(wěn)壓模塊濾波鉗位電路按鍵模塊MSP430F1232主控模塊AD7790模塊顯示驅(qū)動(dòng)模塊 圖2.1 方案設(shè)計(jì)總體框圖2.2.1方案論證與比較控制部分方案的選擇與論證方案一：單片機(jī)STM32Cortex-M3超級(jí)單片機(jī)完成對(duì)其他各部分控制。方案二：采用單片機(jī)89C51作為控制部分。方案三：采用MSP430超低功耗單片機(jī)作為控制部分。方案論證：方案一所使用的STM

11、32-cortexM3是一款高速、低功耗、性價(jià)比高的超級(jí)單片機(jī)，其內(nèi)部具有強(qiáng)大的存儲(chǔ)能力，在一定程度上不必考慮代碼的冗余且能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制功能，更重要的是其內(nèi)部集成的2個(gè)AD模塊和2通道DA模塊，可大大簡化系統(tǒng)的硬件；但該芯片是貼片封裝且管教分布較為密集會(huì)給后期硬件的設(shè)計(jì)帶來不便，其10位AD/DA也無法滿足本設(shè)計(jì)的最高要求。方案二采用AT89C51單片機(jī)，可在開發(fā)環(huán)境及代碼編寫上相對(duì)來說較為簡單，源于51內(nèi)核的單片機(jī)是基礎(chǔ)教程且網(wǎng)上資源相當(dāng)豐富基本可以涵蓋多數(shù)控制操作，但功耗比較大、數(shù)據(jù)傳輸速率低。方案三采用MSP430單片機(jī)，具有超低功耗且運(yùn)行速度介于方案一、二之間內(nèi)部集成的10位AD

12、可作為LM317輸出電壓的極限檢測，再有其指令系統(tǒng)較上述兩種最少，故具有相當(dāng)高的抗干擾能力，給整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定提供了基礎(chǔ)。所以本系統(tǒng)采用MSP430F1232作為主控芯片。 n DA、AD選擇方案的選擇與論證方案一：采用PCF8591作為調(diào)壓、采樣芯片。方案二：DA選用DAC8512，AD選用AD7790分別實(shí)現(xiàn)調(diào)壓和采樣。方案論證 :采用方案一可大幅簡化硬件設(shè)計(jì)，因?yàn)镻CF8591自帶4通道AD和一通道DA，但其精度只有8位無法滿足設(shè)計(jì)要求的最大標(biāo)準(zhǔn)且功耗較方案二大。方案二使用DAC8512,、AD7790，首先在采樣及控制精度上完全能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最大標(biāo)準(zhǔn)且在轉(zhuǎn)換速度上遠(yuǎn)大于方案一，這在為系

13、統(tǒng)的快速響應(yīng)和控制提供了條件。故選擇方案二。n 采樣電阻的選擇與論證方案一：采用高精度0.1歐電阻與運(yùn)放再通過濾波鉗位后送入AD采樣。方案二：采用大于1歐電阻再通過濾波鉗位后送入AD采樣。方案論證 :選用方案二可大大簡化硬件的設(shè)計(jì)同時(shí)也提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，但從功耗上考量，當(dāng)輸出電流達(dá)到1A左右時(shí)采樣電阻上的損耗可達(dá)1W左右，這是相當(dāng)可怕的。對(duì)于方案二，避開了一的矛盾，大大降低了無用功耗。故選擇方案二。n 顯示器的選擇與論證方案一：采用四位共陽數(shù)碼管，外加驅(qū)動(dòng)電路作顯示。方案二：采用LCD1602液晶作顯示。方案三：采用LCD12864液晶作顯示。方案論證：采用數(shù)碼管顯示，其段和位端需外加驅(qū)動(dòng)電路

14、，較方案二、三電路復(fù)雜，但其功耗是可調(diào)的，即通過動(dòng)態(tài)掃描的頻率來控制，而且性價(jià)比較后兩者是最高的。方案二、三雖在硬件上很是簡單，但功耗和驅(qū)動(dòng)代碼較方案一大和復(fù)雜。故選擇方案一。第三章 系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)3.1 部分單元電路設(shè)計(jì)n 單片機(jī)主控電路圖本系統(tǒng)的的控制部分主要是通過MSP430F1232超低功耗單片機(jī)進(jìn)行控制，該單片機(jī)片內(nèi)集成10位AD、速度可達(dá)8MIPS、極高的抗干擾能力、易操作等特點(diǎn)。該單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路圖如圖3.1所示。圖3.1 單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路圖n 按鍵模塊電路以及按鍵功能的詳述 按鍵模塊電路圖如圖3.2所示。按SW1鍵進(jìn)入用戶預(yù)置輸出電流設(shè)置確定預(yù)設(shè)當(dāng)前電流值顯示實(shí)時(shí)輸

15、出的電流。 按SW2鍵 在用戶預(yù)置狀態(tài)下，用作預(yù)設(shè)電流的加操作 在主界面下，用作向上步進(jìn)1mA輸出電流。 按SW3鍵 在用戶預(yù)置狀態(tài)下，用作預(yù)設(shè)電流的減操作 在主界面下，用作向下步進(jìn)1mA輸出電流。 圖3.2 按鍵模塊電路圖n 顯示單元電路及其分析四位共陽極數(shù)碼管分為8個(gè)段（a-dp）控制線和四個(gè)位（S1-S4）控制線?？紤]到單片機(jī)驅(qū)動(dòng)能力有限及灌電流存在上限兩個(gè)障礙，故本設(shè)計(jì)將四位共陽極數(shù)碼管的段和位都加驅(qū)動(dòng)電路；即共陽端使用S8550PNP管驅(qū)動(dòng)控制，而段信號(hào)使用S8050NPN管驅(qū)動(dòng)。具體電路圖如圖3.3所示。圖3.3顯示單元電路圖n 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊及其電路分析 本模塊采用一塊專用PW

16、M控制芯片NCP1014完成完成對(duì)輸出電壓的檢測、控制、穩(wěn)定。電路的具體工作方式如下：將輸入的100V220V的交流信號(hào)經(jīng)橋整流為脈動(dòng)的直流，再經(jīng)過高壓電容濾波輸出后，一端送入高頻變壓器的與PWM控制芯片的DEAIN腳形成激勵(lì)回路，另一端經(jīng)高壓瓷片電容濾波到地（此舉是為了從一定程度上隔離交直流的熱、冷地），而NCP1014自身的工作電壓由Q_C1兩端產(chǎn)生的脈動(dòng)直流對(duì)Q_C2進(jìn)行充電供應(yīng)。芯片的PWM產(chǎn)生腳DRAIN與內(nèi)部一個(gè)MOSFET漏極相連，顯然當(dāng)變壓器工作時(shí)其原級(jí)線圈勢必會(huì)產(chǎn)生高壓，這對(duì)其內(nèi)部的MOSFET管造成毀滅性的沖擊，為此Q_D1、QD_2將漏極漂移電壓限制在安全值內(nèi)，變壓器副級(jí)

17、線圈經(jīng)HER107進(jìn)行半波整流后再經(jīng)兀 型濾波網(wǎng)絡(luò)得到輸出電壓。為了保證輸出電壓的絕對(duì)穩(wěn)定，NCP1014自帶一個(gè)電流反饋輸入引腳，通過光耦變向的檢測輸出電壓變化致使的電流變化，當(dāng)輸出端電壓增加時(shí)經(jīng)光耦隔離反饋到芯片的FB腳的電流升高，芯片內(nèi)部通過調(diào)節(jié)DRAIN腳輸出方波的占空比實(shí)現(xiàn)降壓，反之同理。 另外TL431在電路中僅起到鉗位輸出電壓值得目的。輸出電壓大致計(jì)算公式：Vout=2.5（1+Q_R4/Q_R3）V 。具體原理圖如下： 圖3.4開關(guān)穩(wěn)壓電源電路n 恒流源產(chǎn)生及采樣控制電路在上述產(chǎn)生較為穩(wěn)定的+15V的基礎(chǔ)上，再將電壓引入LM317進(jìn)行最終的電壓轉(zhuǎn)電流的穩(wěn)定。電流具體工作如下：由

18、LM317輸出電壓計(jì)算公式Vout=1.25*（1+P_R2/PR1）+Vdac。當(dāng)系統(tǒng)上電后，DAC初始輸出為0V，Vout的最小輸出電壓可通過調(diào)節(jié)P_R1、P_R2的比例調(diào)節(jié)最小可達(dá)約1.25V，隨著DAC輸出電壓的升高（0-5V）Vout變化范圍會(huì)在1.25V6.25V之間，而對(duì)于12位DAC8512來說最小步進(jìn)單位小于1mV，顯然題設(shè)的1mA的單位變化。對(duì)于系統(tǒng)而言負(fù)載大小顯然是個(gè)未知數(shù)，要實(shí)現(xiàn)恒流勢必要引入電流反饋，通過測量采樣電阻AD_R兩端的電壓差變向檢測電流變化，由于AD_R僅有0.1歐，當(dāng)輸出回路電流達(dá)到最大的1A是其兩端電壓也僅只有0.1V，這很不利于AD的采樣，故將其產(chǎn)生

19、的壓差送入OP07進(jìn)行30倍的放大到60mV3V的電壓區(qū)間，再經(jīng)磁珠FB,電容AD_C2進(jìn)行濾波，AD_D1與AD_D2負(fù)責(zé)鉗位安全的采樣電壓（這主要考慮到當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變致使輸出回路產(chǎn)生高電流，加在AD_R兩端電壓經(jīng)運(yùn)放再次放大后會(huì)遠(yuǎn)大于3.3V或小于0V，對(duì)AD產(chǎn)生沖擊，故加入。）。MAD_R1、MAD_R2構(gòu)成LM317輸出分壓電路，在電流調(diào)節(jié)的過程中，通過分的的電壓變向檢測輸出電壓的極限。此電壓信號(hào)由單片機(jī)片內(nèi)10AD完成測量。 圖3.5恒流源產(chǎn)生及采樣控制電路n 各級(jí)穩(wěn)壓電路 此模塊主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)各個(gè)模塊的不同電壓產(chǎn)生及供應(yīng)。具體工作電壓對(duì)應(yīng)模塊是：P_U1和P_U4將開關(guān)電源輸出的+1

20、5V電壓轉(zhuǎn)雙12V為運(yùn)放提供工作電壓，由OP07的數(shù)據(jù)手冊(cè)知采用雙電源供電達(dá)到12左右其失調(diào)電壓在30uV左右。而P_U5輸出的+5V一方面為DAC8512供電，再者為下一級(jí)AMS1117轉(zhuǎn)3.3V供應(yīng)輸入電壓，P_U2輸出的+3.3V分別為主控、AD7790、顯示驅(qū)動(dòng)電路供應(yīng)電壓。 圖3.6 各級(jí)穩(wěn)壓電路3.2 軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)軟件模塊采用C語言編寫程序，根據(jù)本設(shè)計(jì)任務(wù)要求，程序流程圖如下：開機(jī)上電初始化是否有鍵按下進(jìn)入預(yù)定電流輸入設(shè)置進(jìn)入1MA輸出電流步進(jìn)判斷是否完成設(shè)置調(diào)用自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電流子程序判斷按鍵操作是否完成調(diào)用1MA步進(jìn)子程序調(diào)用顯示子程序交替顯示當(dāng)前電流值與預(yù)置電流值否否否是是是

21、第四章 系統(tǒng)測試及誤差分析4.1測試儀器1. 數(shù)字萬用表：一臺(tái)2. 可調(diào)電阻箱：一臺(tái)3. 示波器：一臺(tái)4. 單片機(jī)仿真下載器：一臺(tái)5. 電腦：一臺(tái)4.2測試及性能分析系統(tǒng)硬件方案完成后，各模塊焊接、檢測完畢后，連線無誤，再逐步對(duì)各模塊進(jìn)行測試。指標(biāo)測試:、輸出電流范圍：1mA-1000mA可以通過按鍵設(shè)置電流值，并且實(shí)際輸出值與給定值之間的偏差=給1%+10mA。、具有“+”“-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)電流=10mA。輸出電流范圍為20mA1000mA，步進(jìn)1mA。下面列出部分測試結(jié)果：給定值 （mA）實(shí)際值（mA）偏差（mA）顯示值（mA）偏差（mA）21.840.161.90.164.281.

22、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結(jié)果與誤差分析4.3.1系統(tǒng)測試結(jié)果系統(tǒng)的最終測試結(jié)果如下：1. 系統(tǒng)具體功能：輸出電流可在1600mA數(shù)字可調(diào)且能交替顯示預(yù)定值與給定值；2. 可設(shè)置并顯示輸出電流給定值且輸出電流與給定值誤差的絕對(duì)值小于2mA；3. 負(fù)載變化，輸出電流的絕對(duì)值小于5mA；4. 最小步進(jìn)電流可達(dá)1mA，絕對(duì)誤差不大于5mA。4.3.2控制部件低功耗設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中我們選用TI公司的超低功耗430單片機(jī)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用超低功耗16位AD7790， DA選用DAC8512 SO8貼片、運(yùn)放選用OP07貼片，兩個(gè)雙電源12V穩(wěn)壓芯片選用TO-92封裝；最大限度的降低系統(tǒng)的控制及顯示驅(qū)動(dòng)部分的功耗。4.3.3系統(tǒng)誤差分析