基于pid控制的數(shù)字恒流源報(bào)告

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1、天津工業(yè)大學(xué)11級(jí)測控儀器設(shè)計(jì)報(bào)告天津工業(yè)大學(xué)測控儀器設(shè)計(jì)報(bào)告組號(hào)2組組員學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)測控技術(shù)與儀器指導(dǎo)教師2015年1月16日目錄1課程設(shè)計(jì)的目的和意義32設(shè)計(jì)任務(wù)322天津工業(yè)大學(xué)11級(jí)測控儀器設(shè)計(jì)報(bào)告3設(shè)計(jì)背景34總體設(shè)計(jì)方案45硬件電路設(shè)計(jì)45.1采樣模塊45.2濾波模塊65.3運(yùn)算放大模塊65.4A/D轉(zhuǎn)換模塊75.5顯示模塊86軟件電路設(shè)計(jì)106.1流程圖106.2PID控制算法126.3PWM輸出126.4A/D轉(zhuǎn)換137調(diào)試與仿真結(jié)果分析138心得體會(huì)149參考文獻(xiàn)14附錄一電路圖15附錄二程序16摘要：針對(duì)各種低壓電器校驗(yàn)及性能測試過程中需要高穩(wěn)定、高精度的恒流源

2、要求,在對(duì)現(xiàn)有主要恒流源產(chǎn)品設(shè)計(jì)仔細(xì)分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種以AT89C51為核心的高穩(wěn)定數(shù)控恒流源。整個(gè)系統(tǒng)采用閉環(huán)PID控制,輸出PWM波控制恒流源的電流。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用測試,該恒流源輸出電流可在10mA左右恒定,當(dāng)電源電壓變化、負(fù)載電路變化時(shí)，恒流源的精度在±22天津工業(yè)大學(xué)11級(jí)測控儀器設(shè)計(jì)報(bào)告1mA以內(nèi)。1課程設(shè)計(jì)的目的和意義測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)是測控技術(shù)與儀器專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，是“測控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)”課程理論教學(xué)的有益補(bǔ)充，“測控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)”是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門綜合性專業(yè)課，在理論教學(xué)的同時(shí)，要求學(xué)生掌握傳感器的選型，測控電路的分析、設(shè)計(jì)、調(diào)試，微處理器的電路與程序

3、設(shè)計(jì)、控制算法設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)的綜合應(yīng)用等，以便對(duì)測控系統(tǒng)形成完整的認(rèn)識(shí)。通過本課程設(shè)計(jì)，完成基于PID控制的數(shù)字恒流源的設(shè)計(jì)，熟悉和掌握工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中的測量和控制系統(tǒng)的組成原理及設(shè)計(jì)方法，學(xué)會(huì)運(yùn)用所學(xué)的單片機(jī)、測控電路、控制算法等方面的知識(shí)，進(jìn)行綜合應(yīng)用，設(shè)計(jì)出完整的測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，培養(yǎng)自學(xué)能力、動(dòng)手能力、分析問題能力和應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。2設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)基于PID控制的數(shù)字恒流源，設(shè)計(jì)要求如下1、采用8051系列單片機(jī)輸出PWM波控制恒流源的電流。2、采用PID控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源的閉環(huán)控制。3、恒流源的電壓為5V，恒流輸出10mA。4、采用LCD液晶1602顯示

4、電流值。5、當(dāng)電源電壓變化、負(fù)載電路變化時(shí)，恒流源的精度在±1mA以內(nèi)。3設(shè)計(jì)背景相對(duì)于電壓源,電流源具有抗干擾能力強(qiáng),信號(hào)傳輸不受距離影響等。電流源是一種能向負(fù)載提供恒定電流的電路。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點(diǎn),又可以作為其有源負(fù)載以提高放大倍數(shù),在差動(dòng)放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中得到了廣泛應(yīng)用。一般的恒流電流源往往是固定的一種輸出電流值,或僅有幾擋電流值,往往存在調(diào)節(jié)范圍小、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn),不便于通用,且所設(shè)定的輸出電流值是否準(zhǔn)確不經(jīng)測試無法知道。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。22天津工業(yè)大學(xué)11

5、級(jí)測控儀器設(shè)計(jì)報(bào)告4總體設(shè)計(jì)方案以AT89C51為核心，采用閉環(huán)PID控制，輸出PWM波控制恒流源的電流，經(jīng)信號(hào)調(diào)理后，通過A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)，通過LCD顯示電流。由于單片機(jī)控制算法靈活,程序相對(duì)簡單,且成本較低,故選用AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。為實(shí)現(xiàn)電流模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，故選用ADC0809實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。通過三極管C9014及相關(guān)電路實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的放大。為獲得穩(wěn)定的電流設(shè)計(jì)一個(gè)RC濾波電路去除干擾。具體來說,該數(shù)字恒流源主要由以下模塊構(gòu)成：采樣模塊、濾波模塊、運(yùn)算放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換、顯示模塊等。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。PWM波濾波采樣LCD顯示單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換運(yùn)算放大圖1系

6、統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖5硬件電路設(shè)計(jì)5.1采樣模塊通過單片機(jī)輸出的PWM波，由于從PWM處輸出的方波通過三極管后，通過采樣電阻R6，以保證IN1處的電壓恒定，為了使得A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)度變換計(jì)算方便，減少計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，因此R6電阻阻值采用100歐姆，當(dāng)電流輸出為10mA的時(shí)候，對(duì)應(yīng)電壓值為1V。為了使得輸出的電壓值趨于平緩，因此增加電容C4（100uF），將交流轉(zhuǎn)換為直流電壓輸出。當(dāng)三極管工作在非線性區(qū)（即三極管工作在飽和區(qū)或截止區(qū)），此時(shí)三極管相當(dāng)于開關(guān)器件。PWM波為高電平時(shí)，三極管b-e端導(dǎo)通，保證IN1處輸出恒定電壓；PWM波為低電平時(shí)，b-e端截止，IN1出R6處無電流。三極管采樣模塊電路設(shè)計(jì)如

7、圖2所示。本設(shè)計(jì)中采用三極管C9014充當(dāng)放大器件，9014是非常常見的晶體三極管，在收音機(jī)以及各種放大電路中經(jīng)?？吹剿?，應(yīng)用范圍很廣，它是NPN型小功率三極管。圖3為三極管C9014的管腳圖。22天津工業(yè)大學(xué)11級(jí)測控儀器設(shè)計(jì)報(bào)告圖2采樣模塊電路設(shè)計(jì)22天津工業(yè)大學(xué)11級(jí)測控儀器設(shè)計(jì)報(bào)告圖3C9014管腳圖5.3運(yùn)算放大模塊電阻R7和C5構(gòu)成簡單的濾波電路，由于標(biāo)度變換使得運(yùn)放為1，因此將反向輸入和輸出連在一起構(gòu)成電壓