數(shù)控直流電電源(F題

1、數(shù)控直流電電源 摘要：摘要：本系統(tǒng)以AVR Mege16單片機(jī)為控制器，通過(guò)閉環(huán)PID算法以實(shí)現(xiàn)輸出 直流電流的高精度、寬量程控制。通過(guò)系統(tǒng)的自帶鍵盤(pán)，可預(yù)置、步進(jìn)調(diào)整、 數(shù)字顯示輸出的直流電流。該直流電流源的性能穩(wěn)定、帶負(fù)載能力強(qiáng)。 Abstract：The controller of the system is the AVR Mege16The closed loop PID arithmetic is used to realize high precision and wide range control of output DCThe intelligent current sou

2、rce realizes that the output current can be preset，adjusted step by step and displayed in digit directlyThese functions are operated by serial communication port keyboard within the current sourceThe stability of this current source is very high and its loading capacity is strong 數(shù)控直流電電源數(shù)控直流電電源.1 一、

3、方案論證與比較一、方案論證與比較.2 1 1、 自制穩(wěn)壓電源自制穩(wěn)壓電源.3 2 2、單片機(jī)控制系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng).5 2 2、 V/IV/I 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路.5 二、理論計(jì)算與分析二、理論計(jì)算與分析.8 PIDPID 算法的程序?qū)崿F(xiàn)算法的程序?qū)崿F(xiàn).9 三、系統(tǒng)測(cè)試三、系統(tǒng)測(cè)試.10 1 1、調(diào)試方法和過(guò)程、調(diào)試方法和過(guò)程.10 2 2、測(cè)試儀器、測(cè)試儀器.10 3 3、測(cè)試數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù).10 四、結(jié)論四、結(jié)論.10 五、參考文獻(xiàn)五、參考文獻(xiàn).11 一、方案論證與比較一、方案論證與比較 根據(jù)題目要求，整個(gè)系統(tǒng)可以分為穩(wěn)壓電源電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)、電壓 電流(V/I)轉(zhuǎn)換電路、鍵盤(pán)顯示電路

4、，如圖(1)。 MCU A/D V/I轉(zhuǎn)換D/A 鍵盤(pán)LCD自 制 穩(wěn) 壓 電 源 +5v +12v Iout RL 圖 1系統(tǒng)圖 1 1、自制穩(wěn)壓電源自制穩(wěn)壓電源 由于單片機(jī)控制系統(tǒng)和負(fù)載需要的電流不同，所以我們分別選用了容量 30W 和 60W 的變壓器，分別給這兩部分制作供電電源。 關(guān)于控制部分，主要提供給單片機(jī)+5V 直流電,它的電源電路比較簡(jiǎn)單， 沒(méi)有什么特別要求，所以我們對(duì)其方案沒(méi)有多加考慮，具體電路如圖(2)。 圖 2控制系統(tǒng)電源電路 對(duì)于要求輸出 2000mA 的負(fù)載電路來(lái)說(shuō)我們仔細(xì)討論方案，并一一比較， 這里僅對(duì)負(fù)載電源電路的方案選取兩個(gè)進(jìn)行比較： 方案一：方案一：考慮負(fù)載電

5、流較大，我們采用大功率、可調(diào)集成電源 LM338 制 作，如圖(3)，LM338 的額定電流可達(dá)到 5A，所以帶動(dòng)負(fù)載應(yīng)該沒(méi)問(wèn)題。 圖 3負(fù)載電源電路 方案二：方案二：采用 7815 輸出直流 15V，再用 TIP122 擴(kuò)展電流，使其能夠產(chǎn)大 于 2000mA 的負(fù)載電流，如圖(4)。 圖 4改進(jìn)后的負(fù)載電源電路 采用方案一時(shí)，在實(shí)際使用中，由于負(fù)載跟穩(wěn)壓電源的電流是同樣大小的 電流，負(fù)載電流一變化，引起電源電流也同樣變化，LM338 發(fā)熱很厲害，對(duì)整 個(gè)系統(tǒng)影響，紋波電流也很大，不容易滿足要求。而采用方案二時(shí)，由于 TIP122 的存在，使得負(fù)載電流的變化對(duì)電源電流的影響不大，當(dāng)然由電網(wǎng)電

6、壓 引起的紋波，也對(duì)負(fù)載的影響較小，使整個(gè)系統(tǒng)紋波電壓較小，滿足題目要求。 同時(shí)，TIP122 發(fā)射極所接的兩個(gè)電容，一個(gè)起到濾波，一個(gè)起到高頻抗干擾作 用。 2 2、單片機(jī)控制系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng) 方案一：方案一：采用 AT89S52 單片機(jī)為主進(jìn)行控制。如圖(5)。 AT89S52 D/A A/D 圖 5 方案二：方案二：采用 AVR Mege16 單片機(jī)為內(nèi)核進(jìn)行控制，其 A/D、D/A 芯片分 別選用 MAX 公司的 538 和 188。如圖(6)。 Mege16 D/A MAX538 A/D MAX188 圖 6 這兩個(gè)方案的總體思路上沒(méi)有什么區(qū)別，但由于 Mege16 單片機(jī)基于精

7、簡(jiǎn) 指令 RISC 指令集，強(qiáng)調(diào)寄存器的使用、通用寄存器的擴(kuò)充與優(yōu)化，比較 51 系 列單片機(jī)速度快，功耗低，所以我們選用了第二個(gè)方案。 2 2、V/IV/I 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 利用單片機(jī)將被預(yù)置的電流值通過(guò)換算由 MAX538 進(jìn)行 DA 轉(zhuǎn)換，以 輸出電壓，驅(qū)動(dòng) V/I 轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電流輸出，V/I 轉(zhuǎn)換電路，主要利用三極管的放 大區(qū)電壓與電流成線性關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的控制。 方案一：方案一：采用普通運(yùn)放 LM324 接 D/A 輸出來(lái)控制，利用三極管組成達(dá)林 頓電路，以實(shí)現(xiàn)大電流輸出。如圖 7。 圖 7V/I 轉(zhuǎn)換電路 1 方案二：方案二：V/I 轉(zhuǎn)換電路由精密運(yùn)放 TLV2262 與晶體

8、管 T1，T2 組成的達(dá)林 頓電路構(gòu)成。利用晶體管平坦的輸出特性和深度的負(fù)反饋電路得到穩(wěn)定的恒流 輸出，使系統(tǒng)帶負(fù)載能力強(qiáng)。其輸出范圍達(dá)到 03A。在 V/I 轉(zhuǎn)換電路的輸出 回路中引入一個(gè)反饋電阻 Rf，輸出電流 I0經(jīng)反饋電阻 Rf 得到一個(gè)反饋電壓, 通過(guò) R3 加到運(yùn)算放大器的反相輸入端，其同相的輸入電壓由 MAX538 的 7 腳輸 出，運(yùn)算放大器組成了射隨器，當(dāng)負(fù)載變化，引起電壓變化時(shí)，通過(guò)負(fù)反饋使 得電路很快恢復(fù)穩(wěn)定， 因?yàn)殡娏骱艽螅?Rf 采用大線徑康銅絲制作，其溫度系數(shù)很小(5ppm/C)， 大線徑可使其溫度影響減至最小，此處選用的是 l/5w 的大功率精密電阻。在 選三

9、極管時(shí)，T2 選用了大功率管，且使用散熱片，以保證管子工作在線性區(qū)。 為了更有利于散熱，我們還加了風(fēng)扇，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加風(fēng)扇后的系統(tǒng)更為穩(wěn) 定。 圖 8 V/I 轉(zhuǎn)換電路 2 3 3、鍵盤(pán)及顯示電路鍵盤(pán)及顯示電路 方案一：方案一：鍵盤(pán)采用 44 行列式鍵盤(pán)，如圖(9)，其原理很簡(jiǎn)單，不在這里 贅述。除了 0-9 十個(gè)數(shù)字鍵外，還有一個(gè)確認(rèn)鍵，一個(gè)開(kāi)始鍵，一個(gè)加 1 鍵， 一個(gè)減 1 鍵，一個(gè)加 10 鍵，一個(gè)減 10 鍵，剛好十六個(gè)鍵分配完。 方案二：方案二：采用三個(gè)鍵，一個(gè)加，一個(gè)減，一個(gè)判斷加減級(jí)別。采用中斷技 術(shù)來(lái)進(jìn)行置數(shù)和加減置數(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)決定采用第二種，因?yàn)殒I數(shù)越多，判斷按鍵 時(shí)間越長(zhǎng)

10、，在液晶上顯示的時(shí)間也就越長(zhǎng)，從而導(dǎo)致不穩(wěn)定，所以選擇方案二。 為了更能體現(xiàn)人機(jī)交互的友好界面，我們?cè)陲@示電路采用金鵬公司出產(chǎn)的 12864 的液晶作顯示。 圖9 二、理論計(jì)算與分析二、理論計(jì)算與分析 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（圖 10）： 開(kāi)始 系統(tǒng)初始化 鍵盤(pán)檢測(cè) 串口檢測(cè) D/A PID算法 D/A 電流顯示 圖10 PIDPID 算法的程序?qū)崿F(xiàn)算法的程序?qū)崿F(xiàn) 在本系統(tǒng)中，采用離散增量 PID 算法，具體控制過(guò)程為：?jiǎn)纹瑱C(jī)經(jīng) AD 芯片讀出實(shí)際輸出電流 I1，然后和設(shè)定電流 I2 相比較，得出差值 E=I1 一 I2，單片機(jī)根據(jù) E 的正負(fù)大小，調(diào)用 PID 公式，計(jì)算出本次電流調(diào)節(jié)的增量 I，然后

11、根據(jù)前一次 D/A 芯片輸出電流 I0，計(jì)算出本次電流輸出 I。 I=KP(EKEK一1)+KIEK+KD(EK一2EK-1l+EK-2) =KP(EK EK-1 )+ K1 KK+KD(EK- 2EK一1+ EK一2) 根據(jù)此公式編制出PID算法程序，使用PID算法能否達(dá)到設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，只要 調(diào)好三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)KP比例系數(shù)、KI積分系數(shù)和KD微分系數(shù)即可。各個(gè)參數(shù)的取 值大小分別對(duì)系統(tǒng)的性能有不同的影響。 (1)比例系數(shù)KP對(duì)系統(tǒng)的影響KP加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快， 穩(wěn)定誤差減??；KP偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)；KP太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨 于不穩(wěn)定；KP太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。

12、(2)積分系數(shù)KI對(duì)系統(tǒng)的影響 積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，KI小， 積分作用強(qiáng)，會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。 (3)微分系數(shù)KD對(duì)系統(tǒng)的影響 微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性，KD偏大， 超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短；KD偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)只有 KD合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。 PID控制參數(shù)整定方法用經(jīng)驗(yàn)法，其步驟為： (1)僅用P控制器，(TI為無(wú)窮，TD為0)，KP由小到大，設(shè)1/4衰減曲線，高此 時(shí)P控制的參數(shù)KP* (2)PI控制器，令KP= KP*/2，TI由大到，使穩(wěn)態(tài)精度在要求的范圍內(nèi)，確定 TI (3)令TD=1/5TI左右。 三、

13、系統(tǒng)測(cè)試三、系統(tǒng)測(cè)試 1 1、調(diào)試方法和過(guò)程、調(diào)試方法和過(guò)程 采用先分別測(cè)試各單元模塊，調(diào)試通過(guò)后再進(jìn)行整機(jī)調(diào)試的方法，很好的 提高了調(diào)試的效率。 2 2、測(cè)試儀器、測(cè)試儀器 PC 機(jī) TEKTRONIX 數(shù)字雙蹤示波器 ESCORT97 數(shù)字萬(wàn)用表 DF1931 雙輸入交流低頻毫伏表 3 3、測(cè)試數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù) 給定電流(mA)負(fù)載(歐)輸出電流(mA)紋波電流(mA)輸出電壓(V) 150101630496 249501090977 500 5.650302822660 11004020000995 210020186204 1000 5.6101103595350 15001150802171495 215040264298 5.615110470801 12000025719792000 22006