基于PID控制的数字恒流源报告.

1、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 日天津工业大学11级测控仪器设计报告24目录1课程设计的目的和意义 32设计任务33设计背景34总体设计方案45硬件电路设计45.2滤波模块5.1采样模块错误！未定义书签5.3运算放大模块 65.4 A/D转换模块 75.5显示模块6软件电路设计106.1流程图106.2 PID控制算法 136.3 PWM 输出136.4 A/D 转换147调试与仿真结果分析 148心得体会149参考文

2、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，恒流源的精度在土 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，

3、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

4、环控制。3、恒流源的电压为5V,恒流输出10mA4、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，恒流源的精度在土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

5、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AT89C5为核心，采用闭环PID控制，输出PW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AT89C5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 ADC080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

6、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PW波,由于从pwi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勺时候，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。PW波为高电平时，三极管b-e端导通，保证IN1处输出恒定电压；PW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

7、设计如图2所示。本设计中采用三极管C901就当放大器件，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NP型小功率三极管。图3为三极管C9014的管脚图。图2 米样模块电路设计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 OPO构成电压跟随器，OPO闭环带宽约为400500kHz并且当VC(给5V寸，运放 线性区最大输出电压一般只有3V左右，经实验测得由OP0构成的电压跟随器输出 不稳定。第二种方案选用LM324勾成的电压跟随器，经实验测

8、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LM32四运放集成芯片，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勺引脚图。c OSfiAK) 、 Vo

9、*(同相输入知4MT3(Tv(x U/ 5输入2匸焉出2 7堆入412昵EGndl图6 LM324引脚图5.4 A/D转换模块通过ADC080将获得的电流转换成数字量后，送入单片机。ADC080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 ADD三只引脚全部接地。A/D转换电路如图7所示。STAR引脚在一个高脉冲后启动A/D转换，当E0引脚出现一个低电平时转换结束，然后由0E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

10、时钟信号由单片机定时器中断子程序提供。图 8为ADC080的引脚图。P2.0P231I2346D3P2AP3.1D1IN3IN2IN4INIIN5INOIN6ADDAIN7ADDBSTARTADDCEOCALEOUT5OUT1OEOUT2CLOCKOUT3VCCOUT4VREF+OUTSGNDVREF-OUT7OUT610ADC080912827891112U142423 262521 D7o20 D619 D518 D417 DO11615 D21r22 P2.0II图7 A/D转换模块电路设计EN3DST2INIIN5INOLN6AIKT7BSTCEOCARFD3D7OF1XCLK小VCC

11、IXJONTJ VREF*m0228互26252423222120亘TkT?6L5图8 ADC0809弓I脚图5.6 A/D参考电压模块为了实现标度变换，米用TL431构成的可调稳压模块作为A/D的参考电压。将参考电压调成2.55V，通过式（1 ）计算得到，电压值和转换值的对应关系为100倍，这样减少了 CPU的计算量，减少了失误。参考电压模块电路图如图9。2.55 _ Ni255 一 Di(1)5.5显示模块采用LCD160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

12、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；714脚D0- D7为8位双向数据端

13、；1516脚空 脚或背灯电源；15脚背光正极；16脚背光负极。U2LCD1602Da 巾口 寸ct 8 ZG s Qc co 刃ANcc-XJ二059二oroii-rik、CCDC0ND CCLO ref(+)7 6 5 4 3 2 1HOLIN7N6IN5N4IN3EOST CCKARTref(D DDDA DDDDDDLeC B A IN0N1IN2畀1!1 12222R ?lcUDV SSV DDrWSR/WDeD1D2D3D4D5D6B LA7B LKIN4INO UTO U! 4G X XP3 FNDTATA.7 .L1 L2 /R / dIrP2 P2 P2P2 F .0 .1 .

14、2 .3 .1 1_2 2 2B127816lh569011121314附录二程序#in elude #in elude vintrin s.h #in clude#in elude#i nclude #in clude 相关宏定义II#defi ne uint un sig ned int#defi ne uchar un sig ned char#defi ne delay4us() _nop_();_no p_( );_n op_( );_n op_();II-1602端 口定义-IIsbit RS = P2A5;sbit RW =卩2人6;sbit E = P2A7;IIADC0808

15、引脚定义IIsbit CLK=P2A4;sbit START=P2A0;sbit E0C=P2A1；sbit OE=P2A2;II-PWM 输出 口定义-IIsbit PWMout =卩3人3;II-标志位及变量定义-/bit flag仁0;bit flag2=0;uchar CYCLE;II 周期uchar PWM_ON=50;II 低电平时间uint ten_minu te=0;uint one_minu te=0;uchar i=0;uchar Display_Buffer = 00.00mA;uchar code Lin e1 = Curre nt Value:;uchar value

16、_buf10;II-PID参数定义IIint d;II设定恒流值II定义偏差II前一拍误差II前两拍误差uchar M=0; double SetPoi nt;double Error=0.0;double error1=0.0;double error2=0.0; int Last_out=0;天津工业大学11级测控仪器设计报告int dd;double Kp;/-毫秒级延时子程序-/void DelayMS(uint ms) / 延时程序uchar x,j;for(j=0;jms;j+) for(x=0;x=148;x+);/LCD1602相关子程序/-查忙-/bit LCD_Busy_C

17、heck()bit result;RS = 0;RW = 1;E = 1;delay4us();result = (bit)(P 0&0x80);E = 0;return result;-写指令-/void LCD_Write_Comma nd(uchar cmd)while(LCD_Busy_Check();RS = 0;RW = 0;E = 0;_nop_();_nop_();P0 = cmd;delay4us();E = 1;delay4us();E = 0;/-设置显示位置-/void Set_Disp_Pos(uchar pos)LCD_Write_Comma nd(pos | 0x

18、80);void LCD_Write_Data(uchar dat)/ 写数据while(LCD_Busy_Check();RS = 1;RW = 0;E = 0;P0 = dat;delay4us();E = 1;delay4us();E = 0;/-LCD初始化-/void LCD_I nitialise()/ 初始化LCD_Write_Comma nd(0x38); DelayMS(5);LCD_Write_Comma nd(OxOc); DelayMS(5);LCD_Write_Comma nd(0x06); DelayMS(5);LCD_Write_Comma nd(0x01); D

19、elayMS(5);void LCD_SHOW(ui nt b)Set_Disp_Pos(0x01);for(i=0;i14;i+)LCD_Write_Data(Li ne1i);Display_BufferO=b/1OOO+O; /数据显示Display_Buffer1=b%1OOO/1OO+O;Display_Buffer3=b%100/10+0;Display_Buffer4=b%1O+O;Set_Disp_Pos(0x46);for(i=0;iCYCLE-1) PWM_ON=CYCLE; if(PWM_ON1) PWM_ON=1;Last_out=PWM_ON;/移动平均滤波法uchar filter()uchar i;double sum=0;int value;for(i=0;i9;i+)所有数据左移，低位扔掉value_bufi=value_bufi+1; /sum+= value_bufi;value_buf9 =Get_AD_Result(); /采集到的数据放入最高位sum += value_buf9;/value = sum/10;value = sum/10.0/5/31*25;