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基于PID控制的数字恒流源报告剖析

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天津工业大学测控仪器设计报告组号 2 组组员吴东航1110340108章一林1110340114郭伍昌1110340109 学院机械工程学院专业测控技术与仪器指导教师隋修武2015 年1 月16 日目录1 课程设计的目的和意义 (3)2 设计任务 (3)3 设计背景 (3)4 总体设计方案 (4)5 硬件电路设计 (4)5.1 采样模块 (4)5.2 滤波模块...................................................................................... 错误！未定义书签。

5.3 运算放大模块 (6)5.4 A/D转换模块 (7)5.5 显示模块 (9)6 软件电路设计 (10)6.1流程图 (10)6.2 PID控制算法 (13)6.3 PWM输出 (13)6.4 A/D转换 (14)7 调试与仿真结果分析 (14)8 心得体会 (14)9参考文献 (15)附录一电路图 (16)附录二程序 (17)摘要：针对各种低压电器校验及性能测试过程中需要高稳定、高精度的恒流源要求, 在对现有主要恒流源产品设计仔细分析的基础上, 设计了一种以AT89C51为核心的高稳定数控恒流源。

整个系统采用闭环PID控制, 输出PWM波控制恒流源的电流。

经实际应用测试, 该恒流源输出电流可在10 mA 左右恒定, 当电源电压变化、负载电路变化时，恒流源的精度在±1mA以内。

1 课程设计的目的和意义测控系统设计是测控技术与仪器专业实践教学环节的重要组成部分，是“测控系统原理与设计”课程理论教学的有益补充，“测控系统原理与设计”是测控技术与仪器专业的一门综合性专业课，在理论教学的同时，要求学生掌握传感器的选型，测控电路的分析、设计、调试，微处理器的电路与程序设计、控制算法设计、计算机的综合应用等，以便对测控系统形成完整的认识。

通过本课程设计，完成基于PID控制的数字恒流源的设计，熟悉和掌握工业生产和科学研究中的测量和控制系统的组成原理及设计方法，学会运用所学的单片机、测控电路、控制算法等方面的知识，进行综合应用，设计出完整的测控系统，实现预期功能，培养自学能力、动手能力、分析问题能力和应用理论知识解决实际问题的能力。

2 设计任务设计基于PID控制的数字恒流源，设计要求如下1、采用8051系列单片机输出PWM波控制恒流源的电流。

2、采用PID控制算法，实现对恒流源的闭环控制。

3、恒流源的电压为5V，恒流输出10mA。

4、采用LCD液晶1602显示电流值。

5、当电源电压变化、负载电路变化时，恒流源的精度在±1mA以内。

3 设计背景相对于电压源, 电流源具有抗干扰能力强, 信号传输不受距离影响等。

电流源是一种能向负载提供恒定电流的电路。

它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点, 又可以作为其有源负载以提高放大倍数, 在差动放大电路、脉冲产生电路中得到了广泛应用。

一般的恒流电流源往往是固定的一种输出电流值,或仅有几挡电流值, 往往存在调节范围小、稳定性差等缺点, 不便于通用,且所设定的输出电流值是否准确不经测试无法知道。

低纹波、高精度稳定直流电流源是一种非常重要的特种电源, 在现代科学研究和工业生产中得到了越来越广泛的应用。

4 总体设计方案以AT89C51为核心，采用闭环PID控制，输出PWM波控制恒流源的电流，经信号调理后，通过A/D转换送入单片机，通过LCD显示电流。

由于单片机控制算法灵活, 程序相对简单, 且成本较低, 故选用AT89C51单片机实现数字控制。

为实现电流模拟量到数字量的转换，故选用ADC0809实现A/D转换。

通过三极管C9014及相关电路实现电流信号的放大。

为获得稳定的电流设计一个RC滤波电路去除干扰。

具体来说, 该数字恒流源主要由以下模块构成：采样模块、滤波模块、运算放大模块、A/D转换、显示模块等。

图1为系统结构框图。

图1 系统结构框图5 硬件电路设计5.1 采样模块通过单片机输出的PWM波，由于从PWM处输出的方波通过三极管后，通过采样电阻R6，以保证IN1处的电压恒定，为了使得A/D转换标度变换计算方便，减少计算机的计算量，因此R6电阻阻值采用100欧姆，当电流输出为10mA的时候，对应电压值为1V。

为了使得输出的电压值趋于平缓，因此增加电容C4（100uF），将交流转换为直流电压输出。

当三极管工作在非线性区（即三极管工作在饱和区或截止区），此时三极管相当于开关器件。

PWM波为高电平时，三极管b-e端导通，保证IN1处输出恒定电压；PWM波为低电平时，b-e端截止，IN1出R6处无电流。

三极管采样模块电路设计如图2所示。

本设计中采用三极管C9014充当放大器件，9014是非常常见的晶体三极管，在收音机以及各种放大电路中经常看到它，应用范围很广，它是NPN型小功率三极管。

图3为三极管C9014的管脚图。

图2 采样模块电路设计图3 C9014管脚图5.3 运算放大模块电阻R7和C5构成简单的滤波电路，由于标度变换使得运放为1，因此将反向输入和输出连在一起构成电压跟随器。

在这里我们选用了两个方案，第一种用OP07构成电压跟随器，OP07闭环带宽约为400~500kHz，并且当VCC给5V时，运放线性区最大输出电压一般只有3V左右，经实验测得由OP07构成的电压跟随器输出不稳定。

第二种方案选用LM324构成的电压跟随器，经实验测得满足要求。

从运放的输出端输出送入A/D转换模块。

运算放大电路如图5所示。

本设计中采用LM324四运放集成芯片，它采用14脚双列直插塑料封装。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

每一组运算放大器可用图6所示的符号来表示,它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

图6为LM324的引脚图。

图5 信号放大模块电路设计图6 LM324引脚图5.4 A/D转换模块通过ADC0809将获得的电流转换成数字量后，送入单片机。

ADC0809是8位的逐次逼近型A/D转换器，带8个模拟输入通道，芯片内带地址译码器输出带三态数据锁存器。

本例所使用的IN0通道地址为000，由于本例仅使用了IN0通道，因此电路中直接将这ADDC、ADDB、ADDA三只引脚全部接地。

A/D转换电路如图7所示。

START引脚在一个高脉冲后启动A/D转换，当EOC引脚出现一个低电平时转换结束，然后由OE引脚控制，从并行输出端读取一字节的转换结果。

转换过程中芯片所需要的时钟信号由单片机定时器中断子程序提供。

图8为ADC0800的引脚图。

图7 A/D转换模块电路设计图8 ADC0809引脚图5.6 A/D参考电压模块5.5 显示模块采用LCD1602显示电流值。

本设计中将单片机P0口通过排阻与1602相连，构成电路的显示模块。

如图10所示。

LCD1602是工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。

具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的特点，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。

1602的各管脚功能如图10所示， 1脚VSS为电源地；2脚VCC接5V 电源正极；3脚V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K 的电位器调整对比度）；4脚RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

5脚RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作； 6脚E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令；7～14脚D0～D7为8位双向数据端；15～16脚空脚或背灯电源；15脚背光正极；16脚背光负极。

图10 显示模块电路设计图11 LCD1602引脚图6 软件电路设计6.1流程图系统软件完成以下几个功能:(1)系统初始化, 包括各外围接口芯片的初始化；(2)用PID 算法实现对恒流源的闭环控制，由PID计算后得到的输出值控制PWM波；(3)实现A/D 转换；(4)LCD的送显功能；(5)移动滤波部分。

主程序流程图如图12所示，LCD1602子程序流程图如图13所示，移动滤波子程序流程图如图14所示，A/D转换子程序流程图如图15所示。

图12 系统主程序流程图图13 LCD1602子程序流程图图14移动滤波子程序流程图6.2 PID控制算法比例、积分、微分控制( PID控制) 是过程控制中应用最广泛的一种控制方式。

比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差；在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系，为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”，积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零；在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系，自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，应使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零，即加入微分环节。

在本系统中, 采用增量式PID 控制对电流偏差值进行处理, 其公式如下：如令，，（式中，为纯比例作用下的临界振荡周期），则有这样整个问题便简化为只要一个参数，故称其为归一参数整定法。

改变，观察控制效果，直到满意为止，该法为实现简易的自整定控制带来方便。

K ，通过PID增量式得出PID=，再加上控制目在本系统中，另 3.6p标来控制PWN波的占空比，即 PWM_ON=Last_out+PID，从而通过PID控制算法，实现对恒流源的闭环控制。

6.3 PWM输出PWM波是通过定时中断实现的，定时时间为0.2ms，即每0.2ms中断一次。

PWM 波的占空比经过PID控制算法，从而达到跟踪的目的。

因此，经过PID增量控制算法后得到的PWM_ON=Last_out+PID修订了的值。

将PWM波的周期设定为200个定时周期即0.2ms*200=40ms，每进一次中断服务子程序就比较一下高电平数是否到了PWM_ON，如果没到，就让输出为一个定时周期的高电平，要是高电平数到了PWM_ON，就输出（FFH-PWM_ON）个低电平，一直到200个定时周期结束为一个PWM波周期。

此时让高电平数仍从0开始加起，再看是否到了PWM_ON，从而决定输出是高电平还是低电平，可以循环。

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数控恒流源实验报告设计

数控恒流源实验报告设计

数控恒流源实验报告设计摘要：本系统是以msp430单片机为控制器,由矩阵键盘、液晶显示器、D/A转换电路、恒流源电路、电流采样电路及直流稳压电源电路组成的数控恒流源实验电路。

该电流源具有输出电流稳定、可调范围输出电流与输入电压呈线性关系的特点。

系统基本工作原理为：键盘设定直流电源的输出电流，单片机通过D/A转换电路控制恒流源的输入电压，由于恒流源输入电压与负载电流的线性关系且负载电流只随输入电压变化而变化从而实现数控恒流的目的，另外单片机通过电流采样电路及A/D转换回检负载电流并通过液晶将采样电流值显示出来。

最后经实验验证，本系统输出电流稳定，不随负载变化而变化。

关键字：键盘、D/A、恒流源、采样电路、A/D一、方案论证与比较1.1直流稳压电源方案一：采用单极开关电源，由220V交流整理后，经开关电源稳压输出。

该方案的优点是电路效率高，但是此方案产生的直流纹波和干扰比较大，而且开关电源结构复杂。

方案二：采用交流电压经桥式电路整流滤波输出，直接进入稳压电路。

此方案的优点是电路简单、容易实现、方便调试，只是该方案功率损耗较大，但是在小型非连续工作系统中这些功耗可以承受。

综合考虑，选择方案二。

1.2恒流源模块方案一：由运算放大器、大功率场效应管、采样电阻、负载电阻等组成恒流源。

此方案既能满足输出电流达到2A的要求，也能较好地实现电压近似线性控制电流。

方案二：可通过由集成稳压器构成开关恒流源来构成恒流电路。

通过三端集成稳压器可构成开关稳压源。

当把电阻设为一定值时，当回路中负载发生变化时可有集成稳压器进行自动补偿从而使输出电流保持不变，但此电路带负载能力及调节精度存在一定难度。

综合考虑，本系统采用了方案一。

集成稳压器构成的开关恒流源电路图如下：二、系统设计2.1系统方案设计本系统以直流电流源为核心，msp430单片机为控制器，通过矩阵键盘来设置直流电源的输出电流，由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换模块输出模拟量，控制直流电流源的输入电压，随着输入电压的变化而输出不同的电流，设置步进等级可达1mA。

采用PID控制的LED恒流源设计

采用PID控制的LED恒流源设计

c 8051f 020、 显示电路、 信号处理电路提供电源。
显示电路
工
电压电流采样电路 主控芯片
c8051fD20
丁
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(2) 降压主电路 降压主电路如图3 所示。在
N B u c k 电路中， 采用
图 1
LED 恒 流 驱 动 电 源 总 体 结 构 框 图
沟 道 IF R 640N 作 为 开 关 管 ，电 感 量 为 220 u H ， 开
module uses the contact voltage regulator and perform re c tifie r , filte r and voltage s ta b ility fo r the o u tp u t ; B uck c irc u it adopts low resistance and ra p id response tim e M O SFE T ; CPU determ ines the constant voltage mode and constant cu rre n t mode according to the sam pling cu rre n t and changes the output pulse duty ra tio ,w h ic h adopts P ID C o n tro l , and makes the LE D d rive power supply in constant voltage or constant cu rre n t . Results show that the system cu rre n t is o f h igh p re cisio n , sm all rip p le voltage , stable ru n n in g and high e ffic ie n c y . Key words：B U C K c ir c u it 曰 Constant -C u rre n t C o n tro l； P ID S ource ； c 8051f 020 c o n tro lle r； P W M duty ra tio ； P ID A lg o rith m C o n tro l 曰 The LE D Constant C urrent
2017毕业论文-数控恒流源的设计

2017毕业论文-数控恒流源的设计

2017毕业论文-数控恒流源的设计2017毕业论文-数控恒流源的设计兰州工业高等专科学校毕业论文摘要恒流源,是一种能够向负载提供恒定电流的电源。

恒流源的应用范围非常广泛,并且在许多情况下是必不可少的。

本文设计了一种基于单片机控制的数控直流恒流源。

该恒流源以AT89S52为控制核心，采用了高共模抑制比低温漂的运算放大器OP07和达林顿管TIP122构成恒流源的主体，配以高精度采样电阻及12位D/A芯片MAX532、16位A/D芯片AD7715，完成了单片机对输出电流的实时检测和实时控制。

人机接口采用4×4键盘及LED数码管显示器，控制界面直观、简洁，具有良好的人机交互性能。

在软件设计上采用增量式PID控制算法，即数字控制器的输出只是控制量的增量。

该系统已基本达到预期的设计目标，具有功能强、性能可靠、体积小、电路简单的特点，可以应用于需要高稳定度的小功率恒流源的领域。

关键词：恒流源；AT89S52；PID控制算法；数字控制。

The abstract Constant current, is one kind can provide theconstant current to the load the power source.The constant current application scope is extremely widespread, and in many situations is essential.This article has designed one kind the numerical control cocurrent constant current which controls based on the monolithic integrated circuit. This constant current take AT89S52 as the control core, has used operational amplifier OP07 and Darington which Gao Gongmu the rejection ratio low temperature floats manages the TIP122 constitution constant current the main body, matches by the high accuracy sampling resistance and 12 D/A chip MAX532, 16 A/D chip AD7715, has completed the monolithic integrated circuit to the output current real-time examination and the real-time control. The man-machine connection uses 4×4 the keyboard and the LED nixietube monitor, the control interface is direct-viewing, is succinct, has the good man-machine interaction es the increase type PID control algorithm in the software design, namely the digital controller output only is controls the quantity the increase. This system had achieved basically the anticipated design goal, has the function strongly, the performance reliable, the volume small, the electric circuit simple characteristic, may apply in needs the high stability the low power constant current domain. Key word: Constant current;AT89S52; PID control algorithm; Numerical control. 目录第1章绪论5 第2章系统的总体设计6 2.1 设计指标要求6 2.2 总体方案的选取及系统6 2.2.1 方案一：6 2.2.2 方案二：7 第3章系统的硬件设计8 3.1 单片机的功能介绍8 3.1.1 主要功能特性：8 3.1.2 引脚功能说明8 3.1.3 时钟电路及复位电路11 3.2 恒流源基本设计原理与实现方法13 3.2.1 引起稳定电源输出不稳定的主要原因13 3.2.2 恒流源的基本设计原理14 3.2.3 系统电源设计15 3.3 A/D 模块选择16 3.3.1 AD7715简介16 3.3.2 硬件电路设计18 3.4 D/A 模块选择19 3.4.1 MAX532简介19 3.4.2 硬件电路设计21 3.5 键盘接口电路设计22 3.5.1 键盘工作方式23 3.5.2 接口电路设计23 3.5.3 按键抖动及消除24 3.6 显示器接口电路设计25 第4章系统的软件设计27 4.1 控制算法27 4.2 软件流程图29 4.2.1 主程序流程图29 4.2.2 键盘中断子程序30 4.2.3 显示中断子程序31 第5章总结33 致谢34 参考文献35 附录A 总电路图36 第1章绪论恒流源,是一种能向负载提供恒定电流之电路。

基于单片机控制的恒流测试系统的开题报告

基于单片机控制的恒流测试系统的开题报告

基于单片机控制的恒流测试系统的开题报告一、选题背景随着电子技术的飞速发展，电子产品的应用越来越广泛。

在电子产品中，电池是不可或缺的能源源。

因此，对于电池的性能测试和监控显得尤为重要。

电池的性能测试主要分为静态测试和动态测试两种。

在动态测试中，恒流测试是一种常用的测试方法，通过该方法可以测试并记录电池在不同时间下的电流值、电压值、电荷量、放电时间等数据，实现对电池的准确测试和监控。

基于此，本项目选题基于单片机控制的恒流测试系统，旨在设计和实现一种低成本、高精度、易操作的电池恒流测试系统，其具体实现将通过以下三个方面：1.自动控制：系统的主要目标是恒流测试，因此需要设计恒流电路，并通过单片机的自动控制调整电路中的恒流控制元件，以保证恒流输出；2.数据采集：通过单片机的ADC接口，测量和记录电池在不同时间下的电流值、电压值等数据，并实现属性分析与显示；3.软件设计：通过开发一款适用于该系统的软件，用户可以尽可能地方便、快速地掌握电池的实时性能参数，提高系统的数据处理效率。

二、研究意义目前在电池测试领域，常常需要进行恒流测试。

因此，对于一款精度和数据稳定性都良好的电池恒流测试系统，对于电池制造商和用户来说都是非常有价值的。

首先，该系统可以全面评估和监测各种类型的电池的性能，进而为各种应用场合的电池提供决策支持。

其次，该系统能够实时地指示电池的性能表现，提供可靠的测试数据来进行专业合理的电池安装、测试及维护。

第三，随着人们对电池安全性越来越关注，该系统可以实时监测电池状况，比如温度过高或者过度放电等情况，从而即时通知电池生产商或者用户进行操作，保障电池的安全运作。

三、研究内容1.硬件设计（1）搭建恒流测试电路，并保证电路中的恒流控制元件的合理性和合法性，以保证系统输出的恒定的测试电流。

（2）设计数据采集系统，包括由单片机实现ADC转换，用于为系统的数据处理提供数字数据，以及用于显示电池电流和电压信息的LCD液晶屏。