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1、数控直流恒流电源参赛学校：白城师范学院参赛作者：孙立江 李四晶 薛天贺指导教师：王海洋 钟利军数控直流恒流电源孙立江 李四晶 薛天贺（白城师范学院 吉林白城 137000）摘要：摘要：本系统以 ADUC812BS 单片机为主控制器，通过 D/A 转换后输出直流可调电压，控制 PWM 电路的波形占空比，从而实现恒流输出控制。本设计采用了PID 控制技术实现了实时快速调节，同时使用了 LCD 显示使人机界面更加友好，通过实际测量表明本设计输出电流调节范围宽、步进精确、误差小仅为 1mA。本设计具有工作稳定，成本低廉，具有很好的推广前景。关键字：恒流源、PWM、D/A 转换、A/D 转换、PID1
2、方案论证方案一：采用目前比较通用的 51 系列单片机。此单片机的运算能力强,软件编程灵活,自由度大。虽然该系统采用单片机为核心,能够实现对外围电路的智能控制,但核心控制部件使用 89C51 时,为达到设计精度的要求,外围电路必须加上 12 位的 A/D 和 D/A,这就使得整个系统硬件电路变得复杂,而且 12 位的 A/D和 D/A 器件价格较高,使得系统的性价比偏低。如图 1 所示。图 1 采用 89C51 实现系统框图方案二： 以 SG3525 产生高频脉冲实现 PWM 控制，ADUC812BS 单片机可实现显示、A/D 和 D/A 转换、过流保护、处理电压反馈信号、对 ADUC812BS
3、 进行控制、显示和人机交换等功能。此单片机功能较强、兼容性好、性价比高;具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗小以及具有较高的数据处理和运算能力,系统时钟频率高，运行速度快;而且由于采用的单片机 ADUC812BS 内部集成了 8 个 A/D、2 个 D/A 转换器,不需外加 A/D、D/A 器件。通过采样取样,结合内部 A/D、D/A,构成闭环反馈调整控制。此种方案既能实现智能化的特点、简化硬件电路、提高测量精度,同时也能利用软件对测量误差进行补偿,这给调试、维护和功能的扩展、性能的提高,带来了极大的方便。由 SG3525 组成的 PWM 控制电路具有频率高、效率高、功率密度高、可靠性
4、高等优点；液晶显示具有显示位数多、显示质量高、可视面积大、画面效果好、外观小巧等优点，如图 2 所示。鉴于上述考虑,我们采用方案二。2 硬件设计根据题目要求和设计构想,确定本系统的结构框图,如图 2 所示。A/DA/D键盘A/D主电路D/A显示检测电路24V 直流电源PWM 电路ADUC812BS图 2 采用 ADUC812BS 实现系统框图及总电路图该系统工作原理为：通过键盘来设置直流电源的输出电流，并由液晶（LCD）显示出实际输出电流值、设定电流值、供给电源电压值和负载两端输出电压值。本系统在设计中选用了单片机 ADUC812BS 做为控制单元，根据给定的标准电流值以及采集到的信号电流值经
5、过内部计算输出数字信号，经过 D/A 转换器，输出模拟量电压来控制由 SG3525 组成的 PWM 电路，改变占空比，从而改变主电路的开关工作状态进而调节输出电流，使输出电流正确的跟随给定值。本系统在硬件上主要分为控制单元、电流调整单元、PWM 信号产生单元、键盘及显示单元、检测报警等四个单元。2.12.1 控制单元控制单元控制单元是以 ADUC812BS 为核心及其附加组成如图（3）所示。ADUC812BS是以 89C51 为内核，内部集成了 8 路 A/D 转换单元及 2 路 12 位高精度 D/A 转换单元，由于本设计需要连续变化的电压输出来控制输出电流，这样采用ADUC2812BS 不
6、仅具有 C51 单片机的一切优点，而且它内部的 D/A 及 A/D 转换单元为我们的设计带来了方便，使我们的系统结构更加精简，工作更加可靠，同时软件开发时间也大大的缩减。图 3 控制单元2.22.2 电流调整单元及检测报警单元电流调整单元及检测报警单元调整单元是由开关管 D1651 及场效应管 IRF640 等组成开关电路，如图（4）所示，本电路具有结构简单工作效率高等优点。检测单元由R1、R2、R10、R9、R8 以及控制单元 ADUC812BS 内部 A/D 转换电路组成。报警单元由 Q4、R11、扬声器等组成。2.32.3 PWMPWM 信号产生单元信号产生单元本单元是由著名的集成电路
7、GS3525 为核心组成的，具体应用电路如图（5）所示，电路中 C3 和 R3 是关键元器件，他们的大小决定着 PWM 波的频率，PWM 波的占空比是通过 9 脚电压来调整的。图 4 主电路 图 5 PWM 控制电路2.4 键盘显示单元键盘显示单元显示单元采用了 LCD12232 组成，它具有两行显示，每行可显示 12 字符，可以同时显示供给电压、负载电压、设定电流、实际输出电流。键盘采用简单的按键连接，工作可靠，电路简单。 3 3 软件设计软件设计( (电路图应用电路图应用 PROTELPROTEL 软件软件) )软件包括主程序模块，数字 PID 控制模块，显示模块，A/D 采集模块，D/A
8、输出模块，检测报警模块。具体软件流程图如图 6 所示。其中的误差调整采用Q3Q4Q2数字 PID 控制（具体算法如图 7 所示），它控制速度快而且鲁棒性好，其算法是本设计软件的核心算法。N开始系统初始化界面初始显示键盘扫描取键值有键按下？步进加步进减启动功能复位D/A 输出采集 A/D 值显示计算预定值和采样值误差调整Y加 10 或 1步进 1 或 10减 10 或 1图 6 程序流程图开路、短 路NY报警输出结束入口计算参数K1,K2,K3设定初值E(K-1)=E(K-2)=0本次采样输入C(K)计算偏差值E(K)=R(K)-C(K)计算控制量 u（K)=K1*E(K)-K2*E(K-1)-
9、K3*E(K-2)输出 u（k）出口图 7 PID 算法流程4 4 测试说明4.14.1 测试仪器测试仪器测试仪器主要包括：数字万用表、毫伏表、电压表、滑动变阻器等。4.24.2 误差测量误差测量设计组装完成后，经过实际误差测量后得出如下技术数据，见如下表 1、表 2、表 3 所示。表 1.负载为 5 欧姆时的测量数据:（单位：mA）预设电流值实际输出电流值绝对误差相对误差101000.000000504910.0204081009910.01010130029910.00334450049910.00200460059910.00166981081000.00000095095000.000
10、0001000100000.0000001100110110.0009081200120110.0008321400140220.0014261500150220.0013311600160220.001248表 2.负载为 10 欧姆时的测量数据:（单位：mA）预设电流值实际输出电流值绝对误差相对误差101110.090909504910.0204081009910.01010135034910.00286545044910.00200460059910.00166985085000.00000095095000.0000001100110110.0009081170117110.00085
11、3表 3.负载为 12 欧姆时的测量数据:（单位：mA）预设电流值实际输出电流值绝对误差相对误差101000.000000504910.0204081009910.01010115014910.00671130029910.00334435034910.00286550049910.00200475075000.00000095095000.0000001000100000.0000001060106110.0009415 结论该设计具有输出电流范围大，步进精确可达 1 毫安，给定显示误差小可达到 0.5 毫安左右，输出误差小在 5 毫安以下，输出效率可达 80%，具体技术指标详见下表 4 所
12、示。表表 4.4. 技术指标技术指标1、输出电流范围为 0mA1600mA，步进为 1mA；2、具有供电电源电压值、电流值、输出电流值、负载两端电压值显示功能（要求实际输出 电流与显示电流值的差值小于 1 个读数值） ；3、改变负载电阻（155 之间可调节）时，实际输出电流值与给定电流值间的差值小 于 1mA；4 、改变输入电源电压（增加或减少 20%） ，直流数控恒流源输出变化小于 2%；5、进一步提高数控直流恒流源效率使其达到 80%以上；6、恒流电源具有开路、短路保护及报警功能；7、创新性：核心芯片为 SG3525 的 PWM 控制；使用了数字 PID 控制技术；电流可以程序控 制，输出
13、界面友好；除了可以做电流源以外，如果改变信号采集点还可以做恒压源使用总之,本系统精度高,稳定性好,智能化程度高,性价比高,具有很好的应用价值和市场推广前景。参考文献1 孙运旺传感器技术与应用. 杭州：浙江大学出版社, 2006.92 林敏.计算机控制技术及工程应用. 北京：国防工业出版社， 2005.83 李群芳单片微型计算机与接口技术. 北京：电子工业出版社, 2007.84 胡汉才. 单片机原理与接口技术. 北京：清华大学出版社，2004.25 张毅，张宝芬，彭黎辉.自动检测技术及仪表控制系统. 北京：化学工业出版社，2005.36 戴仙金. 51单片机及其C语言程序开发实例 . 北京：清华大学出版社，2008.27赵世平.模拟电子技术基础.北京：中国电力出版社，2004.8
