基于PID控制的數(shù)字恒流源報告

1、天津工業(yè)大學(xué)11級測控儀器設(shè)計報告 天津工業(yè)大學(xué)測控儀器設(shè)計報告組 號 2 組 組 員 吳東航 1110340108 章一林 1110340114 郭伍昌 1110340109 學(xué) 院 機械工程學(xué)院 專 業(yè) 測控技術(shù)與儀器 指導(dǎo)教師 隋修武 2015 年 1 月 16 日 目錄1 課程設(shè)計的目的和意義32 設(shè)計任務(wù)33 設(shè)計背景34 總體設(shè)計方案45 硬件電路設(shè)計45.1 采樣模塊45.2 濾波模塊65.3 運算放大模塊65.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊75.5 顯示模塊86 軟件電路設(shè)計106.1流程圖106.2 PID控制算法126.3 PWM輸出126.4 A/D轉(zhuǎn)換137 調(diào)試與仿真結(jié)果分析13

2、8 心得體會149 參考文獻14附錄一 電路圖15附錄二 程序16 摘要：針對各種低壓電器校驗及性能測試過程中需要高穩(wěn)定、高精度的恒流源要求, 在對現(xiàn)有主要恒流源產(chǎn)品設(shè)計仔細分析的基礎(chǔ)上, 設(shè)計了一種以AT89C51為核心的高穩(wěn)定數(shù)控恒流源。整個系統(tǒng)采用閉環(huán)PID控制, 輸出PWM波控制恒流源的電流。經(jīng)實際應(yīng)用測試, 該恒流源輸出電流可在10 mA 左右恒定, 當電源電壓變化、負載電路變化時，恒流源的精度在±1mA以內(nèi)。1 課程設(shè)計的目的和意義測控系統(tǒng)設(shè)計是測控技術(shù)與儀器專業(yè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，是“測控系統(tǒng)原理與設(shè)計”課程理論教學(xué)的有益補充，“測控系統(tǒng)原理與設(shè)計”是測控技術(shù)與

3、儀器專業(yè)的一門綜合性專業(yè)課，在理論教學(xué)的同時，要求學(xué)生掌握傳感器的選型，測控電路的分析、設(shè)計、調(diào)試，微處理器的電路與程序設(shè)計、控制算法設(shè)計、計算機的綜合應(yīng)用等，以便對測控系統(tǒng)形成完整的認識。通過本課程設(shè)計，完成基于PID控制的數(shù)字恒流源的設(shè)計，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)計方法，學(xué)會運用所學(xué)的單片機、測控電路、控制算法等方面的知識，進行綜合應(yīng)用，設(shè)計出完整的測控系統(tǒng)，實現(xiàn)預(yù)期功能，培養(yǎng)自學(xué)能力、動手能力、分析問題能力和應(yīng)用理論知識解決實際問題的能力。2 設(shè)計任務(wù)設(shè)計基于PID控制的數(shù)字恒流源，設(shè)計要求如下1、 采用8051系列單片機輸出PWM波控制恒流源的電流。

4、2、 采用PID控制算法，實現(xiàn)對恒流源的閉環(huán)控制。3、 恒流源的電壓為5V，恒流輸出10mA。4、 采用LCD液晶1602顯示電流值。5、 當電源電壓變化、負載電路變化時，恒流源的精度在±1mA以內(nèi)。3 設(shè)計背景相對于電壓源, 電流源具有抗干擾能力強, 信號傳輸不受距離影響等。電流源是一種能向負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, 又可以作為其有源負載以提高放大倍數(shù), 在差動放大電路、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, 不便于通用,且所設(shè)定的輸出電流值

5、是否準確不經(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。4 總體設(shè)計方案以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)信號調(diào)理后，通過A/D轉(zhuǎn)換送入單片機，通過LCD顯示電流。由于單片機控制算法靈活, 程序相對簡單, 且成本較低, 故選用AT89C51單片機實現(xiàn)數(shù)字控制。為實現(xiàn)電流模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，故選用ADC0809實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。通過三極管C9014及相關(guān)電路實現(xiàn)電流信號的放大。為獲得穩(wěn)定的電流設(shè)計一個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

6、模塊、運算放大模塊、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A/D轉(zhuǎn)換運算放大 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖5 硬件電路設(shè)計5.1 采樣模塊通過單片機輸出的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)換標度變換計算方便，減少計算機的計算量，因此R6電阻阻值采用100歐姆，當電流輸出為10mA的時候，對應(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)），此時三極管相當于開關(guān)器件。PWM波為高電平時，三

7、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，b-e端截止，IN1出R6處無電流。三極管采樣模塊電路設(shè)計如圖2所示。本設(shè)計中采用三極管C9014充當放大器件，9014是非常常見的晶體三極管，在收音機以及各種放大電路中經(jīng)常看到它，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。 圖2 采樣模塊電路設(shè)計圖3 C9014管腳圖5.3 運算放大模塊 電阻R7和C5構(gòu)成簡單的濾波電路，由于標度變換使得運放為1，因此將反向輸入和輸出連在一起構(gòu)成電壓跟隨器。在這里我們選用了兩個方案，第一種用OP07構(gòu)成電壓跟隨器，OP07閉環(huán)帶寬約為400500kHz，并且當VCC

8、給5V時，運放線性區(qū)最大輸出電壓一般只有3V左右，經(jīng)實驗測得由OP07構(gòu)成的電壓跟隨器輸出不穩(wěn)定。第二種方案選用LM324構(gòu)成的電壓跟隨器，經(jīng)實驗測得滿足要求。從運放的輸出端輸出送入A/D轉(zhuǎn)換模塊。運算放大電路如圖5所示。本設(shè)計中采用LM324四運放集成芯片，它采用14腳雙列直插塑料封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖6所示的符號來表示,它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端,“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反;V

9、i+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。圖6為LM324的引腳圖。 圖5 信號放大模塊電路設(shè)計 圖6 LM324引腳圖 5.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊通過ADC0809將獲得的電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，送入單片機。ADC0809是8位的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，帶8個模擬輸入通道，芯片內(nèi)帶地址譯碼器輸出帶三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器。本例所使用的IN0通道地址為000，由于本例僅使用了IN0通道，因此電路中直接將這ADDC、ADDB、ADDA三只引腳全部接地。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。START引腳在一個高脈沖后啟動A/D轉(zhuǎn)換，當EOC引腳出現(xiàn)一個低電平時轉(zhuǎn)換結(jié)束，然后由OE引腳控制，從并行輸

10、出端讀取一字節(jié)的轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換過程中芯片所需要的時鐘信號由單片機定時器中斷子程序提供。圖8為ADC0800的引腳圖。 圖7 A/D轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計圖8 ADC0809引腳圖 5.6 A/D參考電壓模塊為了實現(xiàn)標度變換，采用TL431構(gòu)成的可調(diào)穩(wěn)壓模塊作為A/D的參考電壓。將參考電壓調(diào)成2.55V，通過式（1）計算得到，電壓值和轉(zhuǎn)換值的對應(yīng)關(guān)系為100倍，這樣減少了CPU的計算量，減少了失誤。參考電壓模塊電路圖如圖9。 （1） 圖9 可調(diào)穩(wěn)壓模塊5.5 顯示模塊采用LCD1602顯示電流值。本設(shè)計中將單片機P0口通過排阻與1602相連，構(gòu)成電路的顯示模塊。如圖10所示。LCD1602是工業(yè)字符型

11、液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。具有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的特點，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。1602的各管腳功能如圖10所示， 1腳VSS為電源地；2腳VCC接5V電源正極；3腳V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會 產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度）；4腳RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。5腳RW為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作； 6腳E(或EN)端為使能(enable)端,高電平（1）時讀取信息，負跳變時執(zhí)行指令；

12、714腳D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端；1516腳空腳或背燈電源；15腳背光正極；16腳背光負極。 圖10 顯示模塊電路設(shè)計 圖11 LCD1602引腳圖6 軟件電路設(shè)計6.1流程圖系統(tǒng)軟件完成以下幾個功能:(1)系統(tǒng)初始化, 包括各外圍接口芯片的初始化；(2)用PID 算法實現(xiàn)對恒流源的閉環(huán)控制，由PID計算后得到的輸出值控制PWM波；(3)實現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換；(4)LCD的送顯功能；(5)移動濾波部分。主程序流程圖如圖12所示，LCD1602子程序流程圖如圖13所示，移動濾波子程序流程圖如圖14所示，A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖15所示。開始開始系統(tǒng)初始化LCD初始化讀取A/D轉(zhuǎn)換的濾波值延時設(shè)置顯

13、示位置計算偏差Error寫數(shù)據(jù)增量式PID運算數(shù)據(jù)顯示計算得出PWM_ON改變占空比，輸出PWM波 圖12 系統(tǒng)主程序流程圖 圖13 LCD1602子程序流程圖 開始初始化Ni<9?AD采集到的數(shù)據(jù)放入最高位所有數(shù)據(jù)左移，低位扔掉，求和Y求和，取平均值 圖14 移動濾波子程序流程圖 開始A/D初始化啟動A/DN轉(zhuǎn)換是否完成 Y送P1至k返回k 圖15 A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖6.2 PID控制算法比例、積分、微分控制( PID控制) 是過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制方式。比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差；在積分控制

14、中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”，積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零；在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系，自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)，應(yīng)使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零，即加入微分環(huán)節(jié)。在本系統(tǒng)中, 采用增量式PID 控制對電流偏差值進行處理, 其公式如下：un=Kpen-en-1+TTIen+TDTen-2en-1+en-2如令T=0.1TK，

15、TI=0.5TK，TD=0.125TK（式中，TK為純比例作用下的臨界振蕩周期），則有un=Kp2.45en-3.5en-1+1.25en-2這樣整個問題便簡化為只要一個參數(shù)KP，故稱其為歸一參數(shù)整定法。改變KP，觀察控制效果，直到滿意為止，該法為實現(xiàn)簡易的自整定控制帶來方便。在本系統(tǒng)中，另 ，通過PID增量式得出PID=un，再加上控制目標來控制PWN波的占空比，即 PWM_ON=Last_out+PID，從而通過PID控制算法，實現(xiàn)對恒流源的閉環(huán)控制。6.3 PWM輸出PWM波是通過定時中斷實現(xiàn)的，定時時間為0.2ms，即每0.2ms中斷一次。PWM波的占空比經(jīng)過PID控制算法，從而達到跟

16、蹤的目的。因此，經(jīng)過PID增量控制算法后得到的PWM_ON=Last_out+PID修訂了的值。將PWM波的周期設(shè)定為200個定時周期即0.2ms*200=40ms，每進一次中斷服務(wù)子程序就比較一下高電平數(shù)是否到了PWM_ON，如果沒到，就讓輸出為一個定時周期的高電平，要是高電平數(shù)到了PWM_ON，就輸出（FFH-PWM_ON）個低電平，一直到200個定時周期結(jié)束為一個PWM波周期。此時讓高電平數(shù)仍從0開始加起，再看是否到了PWM_ON，從而決定輸出是高電平還是低電平，可以循環(huán)。這樣就可以根據(jù)PWM_ON來改變PWM的占空比。6.4 A/D轉(zhuǎn)換 通過定時中斷實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，定時時間為20ms，

17、即每20ms中斷一次。每中斷十次，進行一次A/D采樣，即采樣時間是20ms*10=200ms,而PWM波的周期為40ms，采樣時間遠大于PWM周期的2倍，符合采樣定理。7 調(diào)試與仿真結(jié)果分析在調(diào)試過程中，并不是一帆風(fēng)順的，當最初的焊接完成，燒錄程序之后LCD一直顯示一個錯誤值，并且不受控制，經(jīng)過仔細的排查，發(fā)現(xiàn)是沒有接上拉電阻并且有一根導(dǎo)線虛焊，解決這個問題之后，又遇到了電壓跟隨器沒有輸入?yún)s有輸出的現(xiàn)象，經(jīng)過查閱資料，在此電路中，用OP07搭建的電眼跟隨器不符合要求，因此選用LM324搭建的電壓跟隨器。這樣輸出結(jié)果接近了10mA左右，但是一直不穩(wěn)定，這樣我在電壓跟隨器的輸入端加入了一個濾波電路

18、選擇適合的比例系數(shù)使得輸出電壓穩(wěn)定下來。 電路板上顯示的結(jié)果與要求的10mA存在著0.4mA的誤差和送，經(jīng)過分析，認為可能是由于以下幾點原因造成的：1.標準器誤差，提供標準值的器件如標準電阻，標準電容等標準器件本身會帶有一定的誤差；2.焊接過程中產(chǎn)生的誤差，在焊接的過程中不可避免的會產(chǎn)生隨機誤差，這會對最終的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響；3.在對PID控制算法的過程中，KP的值為估算值，可能會對結(jié)果產(chǎn)生一定影響。8 心得體會 在為期兩周的測控系統(tǒng)設(shè)計里，我們組的三位成員都收獲了很多。首先大家分工明確，各司其職，在最后的調(diào)試階段又同心協(xié)力，共同攻堅克難，最終取得了勝利。第二，對測控系統(tǒng)設(shè)計有了生動的理解，

19、不再只是停留在書本上空洞的框架里，而是通過這次的課程設(shè)計有了準確的理解和系統(tǒng)的認識。第三，對PID控制算法的實際運用有了一定的了解，之前只是在理論上對PID有過接觸，這次能夠?qū)ID控制算法運用在實際設(shè)計中，感覺到對PID又有了更深的認識，尤其是通過增量式PID對參數(shù)進行整定。第四，在調(diào)試過程中會遇到各種問題，這時，不僅需要扎實的專業(yè)功底，同時更需要細心，耐心，專心，在仿真結(jié)果正確，但調(diào)試并沒有達到預(yù)期的效果時，要對電路進行徹底仔細的檢查，對每一部分的電壓電阻等逐一進行測量，弄清每一部分的工作原理，找出問題并一一解決。 最后，感謝隋修武老師和葛輝、田松等兩位研究生給予的幫助和指導(dǎo)。 經(jīng)過兩周的

20、課程設(shè)計，我們受益良多。 在這個過程中，我們經(jīng)歷了選定方案、仿真調(diào)試、實驗調(diào)試、最終成品幾個階段。 在此期間，我們遇到了好多問題，在不斷發(fā)現(xiàn)問題和解決問題中不斷完善我們的設(shè)計，在不斷完善中取得進步！9 參考文獻1 孫涵.MCS-51 /96系列單片機原理及應(yīng)用M.北京航空航天大學(xué)出版社, 1998.2 孫傳友，孫曉斌.測控系統(tǒng)原理與設(shè)計M.北京航空航天大學(xué)出版社.2008.3 童詩白, 華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京高等教育出版社.2001.4 張?zhí)K紅, 黃韜, 王進華，鄭細端. 基于增量式PID控制的數(shù)控恒流源 J.現(xiàn)代電子技術(shù), 2011,34(20): 190-192.5 劉曉娟,

21、趙慶明, 唐君明. 基于單片機的數(shù)控恒流源設(shè)計J.哈爾濱大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報, 2008, 6: 21-44.6 趙東坡. 基于單片機的數(shù)控恒流源設(shè)計與實現(xiàn)J.儀器儀表, 2008,(6): 58-60.附錄一 電路圖附錄二 程序#include <reg51.h>#include <intrins.h>#include<absacc.h>#include<string.h>#include <stdio.h>#include <math.h>/-相關(guān)宏定義-/#define uint unsigned int#define

22、uchar unsigned char#define delay4us() _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/-1602端口定義-/sbit RS = P25;sbit RW = P26;sbit E = P27;/-ADC0808引腳定義-/sbit CLK=P24;sbit START=P20; sbit EOC=P21; sbit OE=P22; /-PWM輸出口定義-/sbit PWMout = P33;/-標志位及變量定義-/bit flag1=0;bit flag2=0;uchar CYCLE; /周期 uchar PWM_ON=50;/低電平時間u

23、int ten_minute=0;uint one_minute=0;uchar i=0;uchar Display_Buffer = "00.00mA"uchar code Line1 = "Current Value:"uchar value_buf10;/-PID參數(shù)定義-/int d;uchar M=0;double SetPoint; /設(shè)定恒流值 double Error=0.0;/定義偏差double error1=0.0; /前一拍誤差 double error2=0.0; /前兩拍誤差int Last_out=0;int dd; dou

24、ble Kp;/-毫秒級延時子程序-/ void DelayMS(uint ms)/延時程序uchar x,j;for(j=0;j<ms;j+)for(x=0;x<=148;x+);/-LCD1602相關(guān)子程序-/-查忙-/bit LCD_Busy_Check() bit result;RS = 0;RW = 1;E = 1;delay4us();result = (bit)(P0&0x80);E = 0;return result;/-寫指令-/void LCD_Write_Command(uchar cmd) while(LCD_Busy_Check();RS = 0;

25、RW = 0;E = 0;_nop_();_nop_();P0 = cmd;delay4us();E = 1;delay4us();E = 0;/-設(shè)置顯示位置-/void Set_Disp_Pos(uchar pos) LCD_Write_Command(pos | 0x80);void LCD_Write_Data(uchar dat)/寫數(shù)據(jù) while(LCD_Busy_Check();RS = 1;RW = 0;E = 0;P0 = dat;delay4us();E = 1;delay4us();E = 0;/-LCD初始化-/void LCD_Initialise() /初始化LC

26、D_Write_Command(0x38); DelayMS(5);LCD_Write_Command(0x0c); DelayMS(5);LCD_Write_Command(0x06); DelayMS(5);LCD_Write_Command(0x01); DelayMS(5);void LCD_SHOW(uint b)Set_Disp_Pos(0x01);for(i=0;i<14;i+) LCD_Write_Data(Line1i);Display_Buffer0=b/1000+'0' /數(shù)據(jù)顯示Display_Buffer1=b%1000/100+'0&#

27、39;Display_Buffer3=b%100/10+'0'Display_Buffer4=b%10+'0'Set_Disp_Pos(0x46);for(i=0;i<7;i+)LCD_Write_Data(Display_Bufferi);/-讀AD轉(zhuǎn)換結(jié)果-/uchar Get_AD_Result()int tt;START=0;START=1;START=0;while(EOC=0);OE=1;tt=P1;OE=0;return tt;/-PID算法-/void PIDcal(double Point) double PID=0;double a,b,c;Error=SetPoint-Point;a=2.45*Error;b=3.5*error1;c=1.25*error2; PID=(a-b+c)*Kp; /增量計算 error2=error1; /存放誤差用于下次運算error1=Error; PWM_ON=Last_out+PID; if(PWM_ON>CYCLE-1) PWM_ON=CYCLE; if(PWM_ON<1) PWM