可调直流源设计

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1、可调直流源设计 【摘要】本系统应用直流电源技术设计了一个数控恒流源，利用 8 位 A/D 转换器 ADC0809 对电源输出电流进行采样，利用 PWM 控制技术，通过 AT89S52 单片机控制 MOS 管的开通和关断，来保证采样电阻两端电压不变，从而实现负载中的电流恒定的目的。 系统中采用电流闭环控制和 PID 算法来提高系统的稳定性。【关键词】电流源 PID A/D 转换 PWMAbstract: Based on invariant voltage source feedback through A/D, this system sends out the PWM wave by a m

2、icrocontroller to adjust the MOS tube to keep the voltage of the sampling resistance of both ends constantly, thus causes the load electric current to be constant. The system adopts the microcontroller to control, the switch power to offer the invariable power , the LED to show goal electric current

3、 and real electric current, the keyboard establishes the goal electric current, high accuracy A/D transforms, and the pulse-width-modulation. Through the result of the experiment, this system has reached the basic demand of the topic.【前言】本系统的设计思想是通过先做一个恒压源，再通过恒压源负载的电流反馈来实现 采样电阻两端的电压恒定，从而达到控制电流恒定的目的。

4、恒压源为直流电源，如图（2） 所示。该直流电源通过 LM78xx 可以对直流电源输出的电压进行变换调整，可以得到- 15V，12V 和 5V 电压，以用来对单片机等不同的芯片供电，使整个系统更加的简洁。目录 一. 方案的论证 二硬件电路的设计 1电路的工作原理2电路模块直流源电路双机通讯键盘与显示A/D 转换采样及其调节电路 三软件的设计 1. 系统主程序设计 2. 2*4 键盘程序设计 3. PID 算法程序设计 四测试与分析 五. 结果分析与讨论 六. 参考文献一 方案的论证： 方案一： 通过普通三端稳压器来做恒流源，通过标准电阻取样，经过 A/D 转换，送到单片机进行调 整，虽然电流的调

5、节的范围受到限制，但是精度得到保障。原理如图（1） 。图（1）方案二：开关电源做为恒压源，可以提高带负载的能力，电流也可以达到要求，而且使用开关电 源效率高、功耗小、节约电能，输入电压范围宽，一般电压降到一半时还能正常工作，输 出电压稳、电路体积小、重量轻、隔离度高、安全性能好等。但由于使用的是功率管的直 流特性，所以也就存在叫大的尖锋电流和浪涌电压，会给负载带来很大的纹波，使单片机 等不能正常工作。其控制原理图（2） 。图（2）综合比较与分析，并根据本设计要求，选择方案一。其整个控制过程原理如图（3）所示。二，硬件电路的设计 系统框图如图（3）所示。 负载检测电路A/D开关管单片机 89S5

6、2图（3）1. 电路的工作原理： 整个电路的工作电源都由直流电源提供，在直流电源上我们设计了有15V，5V 电压级别，可以满足整个系统的工作时候电的供应。此电压加在负载和取样电阻上，取样电阻上的电 压将作为 A/D 转换模拟量的输入，直接取样会产生很大的波动，而且电压的值也很小，就 需要对取样电阻上的电压进行放大，在放大之前加了一个电压跟随器，使并联在取样电阻 上的电阻尽可能大，这样类似于电流表的结构，通过 V/R=I 来计算电流，并且显示电流， 在数码管上显示，一个为测得的实际值，一个为电流源的设定值（设定值为键盘的输入） ， 设定电流后，采样电阻通过 A/D 转换将实际输出电流反馈给单片机

7、，单片机比较实际输出 电流与设定电流的差值，当差值大于 10mA 时，调用 PID 算法计算应输出 PWM 波的输出 脉宽；当差值小于 10mA 时，PWM 波脉宽步进 1 个时间单位（此处为 1us）进行微调。直 到反馈回来的实际电流值与单片机设定电流值相差很小的时候，停止调节。这个过程的中 间纽带就是 A/D 转换，它把取样电阻上的电压转变为数字信号，送到单片机里面进行处理， 单片机就是一个控制器，单片机把反馈回来的信号与单片机产生的 PWM 相对应，然后发 出相应占空比的 PWM 波，送到调整管的 G 极上，来改变负载两端的电压，从而来稳定电 路中的电流，使之达到恒定电流的目的，这就是我

8、们所要求的直流电流源。 题目中要求输出的直流电在 10V 以下，所以我们选择 15V 的恒压源（由直流电源提供） ， 由电流的输出范围是 0mA-2000mA 得知： 取样电阻和负载电阻的最大阻值不得超过：10V/2000mA=5 欧，所以说取样电阻是很小的， 根据这个条件，加上为了方便计算，我们选择用 1 欧的康铜作为取样电阻，取样电阻要求 尽可能的准确稳定，由于要求输出的电流还比较的大，所以电阻上消耗的能量是比较多的， 必然会升温，温度对电阻的影响也比较的大，而温度的改变对康铜的电阻影响比较的小， 故而康铜做取样电阻是很好的一种材料。 直流管的选择也是很关键的一个环节，在本系统中我们选择用

9、的是 TIP122，它的响应速度 快，允许通过的最大电流和加在上面的最大电压都是可以达到要求的。本设计对精度的要 求比较的高， 所以对直流的速度要求也比较的高，用 MOS 管的直流速度是完全达到要 求的，另外一个影响精度的就是 A/D 转换，我们选用的是 ADC0809，分辨率为 8 位，每 转换一次建立的时间是 0-100us，可以达到本系统的精度要求。2. 电路模块直流源电路如图CPU AT89S52 的双机通讯单片机的 p3.0，p3.1 I/O 口交叉连接键盘与显示： 显示的电路如图（4） ，MAX7219 是八位串行共阴 LED 数码管动态扫描驱动电路，其峰值 段电流可达 40mA，

10、最高串行扫描速率为 10MHz，典型扫描速率为 1300Hz，仅使用单片机 3 个 I/O 口，即可完成对八位 LED 数码管的显示控制和驱动. 我们采用 4*2 键盘矩阵. 分为个,十,百,千,进位,+和-,一共用了 7 个键. 用个十百千来设定初 始值和变化范围较大时使用: +, -用来改变数值,按确认系统就执行命令. 最小步进时 1mA.显 示系统用 2 个四位一体 LED, 其中一个用来显示目标值,另外一个用来显示实际值. 再系统 设计中为了节约 I/O 口,我们选择了串口芯片 MAX7129 来驱动数码管. 通过 DIN,CLK,LOAD 来与单片机通信. 其原理如下图（4）:图（4

11、）A/D 转换： A/D 电路如图（7）所示，负载由四个阻值相同的大功率电阻组成，取样电阻由康铜丝组成， 取值为 1 欧. 通过 ADC0809 将负载的电流通过采样传递给单片机, 然后通过 PID 计算, 将 实际值与目标值进行比较, 再通过 PWM 控制脉宽调节负载两端的电压, 继续采样, 调宽直 到合乎要求为止。 1) 把“单片机系统”区域中的 P1.0P1.7 与“动态数码显示”区域中的 ABCDEFGH 端口 用 8 芯排线连接。 2) 把“单片机系统”区域中的 P0.0P0.4 与“动态数码显示”区域中的 S1S2S3S4S5S6S7S8 端口用 8 芯排线连接。 3) 把“单片机

12、系统”区域中的 P3.4 与“模数转换模块”区域中的 ST 端子用导线相连接。 4) 把“单片机系统”区域中的 P3.5 与“模数转换模块”区域中的 OE 端子用导线相连接。 5) 把“单片机系统”区域中的 P3.6 与“模数转换模块”区域中的 EOC 端子用导线相连接。6) 把“单片机系统”区域中的 P3.7 与“模数转换模块”区域中的 CLK 端子用导线相连接。7) 把“模数转换模块”区域中的 A2A1A0 端子用导线连接到“电源模块”区域中的 GND 端子上。 图（5）采样及其调节电路： 取样电路如图（6）所示，负载由四个阻值相同的大功率电阻组成，取样电阻由康铜丝组成， 阻值为 1 欧，

13、这样给计算过程也带来了很大的方便，本系统要求电流源输出的电流为0mA2000mA，电阻为 1 欧，则康铜电阻上电压的变化的范围是 0.2mV-2mV，而 ADC0809 采样模拟电压的范围是 0-10V，所以要接运放把采样得到的信号放大后进入单片 机。取样电阻两端的电压为 Vin，经过一个电压跟随器和一个运放，放大倍数为 5，这样得 到的电流信号就是 Vout/5=I。调压过程和采样过程如图（7）P3.7 为单片机经过光电隔离给 MOS 管 G 极提供 PWM 波，来调整负载和采样电阻上的电压，从而来达到稳定电流的目的。图（6）图（7）三 软件的设计 1 系统主程序设计 开 始系统初始化按键处

14、理子程序电流显示程序A/D 转换并计算输出电流PWM 调节程序有键按下？NYPID 程序算法调节图 6 系统软件流程图系统软件包括系统初始化，键盘输入，显示，A/D 转换，PID 调节，PWM 程序共 6 部分， 系统主程序流程图如图1 所示。系统开始进行初始化，包括显示初始化，电流设定值初 始化，PWM 初始化；然后扫描键盘，如果有键按下，判断键值，执行相应的程序；数码 管显示电流部分采用专用的 MAX7219 进行驱动，只占用单片机三个引脚可以解决单片机 端口资源不足的问题；A/D 转化程序主要用于反馈实际输出电流，送给 PID 程序算出相应 的 PWM 波的占空比，然后由 PWM 程序发

15、出 PWM 波调节输出电压，从而改变输出电流 使之恒定。2 2*4 键盘程序的设计 此处采用扫描的方式识别键盘，程序的流程图如下所示： 判断按键类型电流初始值千位设定电流初始值百位设定电流初始值十位设定电流初始值个位设定电流初始值加一或减一数据输入确定图 7 键盘处理程序3 PID 算法程序设计 本系统采用模糊 PID 算法进行调节，单片机比较实际输出电流与设定电流的差值I|，当 差值I|大于 10mA 时，调用 PID 算法计算应输出 PWM 波的输出脉宽；当差值I|小于 10mA 时，PWM 波脉宽步进 1 个时间单位（此处为 1us）进行微调。 开始|I|/接收程序（左单片机） #inc

16、lude #define led P1 #define display P0 #define uchar unsigned int #define uint unsigned int sbit dot=P17; uchar recistr2=0; uchar dat=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;void Display(unsigned int k) unsigned int T;char i=0,j,l,m;display=0x00;T =k;for(i=0,j=0x01;i #include #include #define led P1 #define display P2 #define D 0.01960784313 sbit dot=P17; unsigned char dat=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f