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 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(yùn)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138 心得體會149 參考文獻(xiàn)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

2、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(xì)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(shí)際應(yīng)用測試, 該恒流源輸出電流可在10 ma 左右恒定, 當(dāng)電源電壓變化、負(fù)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(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”課程理論教學(xué)的有益補(bǔ)充，“測控系統(tǒng)原理與設(shè)計”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，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

3、電路與程序設(shè)計、控制算法設(shè)計、計算機(jī)的綜合應(yīng)用等，以便對測控系統(tǒng)形成完整的認(rèn)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(yùn)用所學(xué)的單片機(jī)、測控電路、控制算法等方面的知識，進(jìn)行綜合應(yīng)用，設(shè)計出完整的測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，培養(yǎng)自學(xué)能力、動手能力、分析問題能力和應(yīng)用理論知識解決實(shí)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(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

4、液晶1602顯示電流值。5、 當(dāng)電源電壓變化、負(fù)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(qiáng), 信號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

5、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(jī)，通過lcd顯示電流。由于單片機(jī)控制算法靈活, 程序相對簡單, 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

6、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(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)度變換計算方便，減少計算機(jī)的計算量，因此r6電阻阻值采用100歐姆，當(dāng)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(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)），此時三極管相當(dāng)于開關(guān)器件。pwm波為高電平時，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，b-e端截止，in1出r6處無電流。三極管采樣模塊電路設(shè)計

7、如圖2所示。本設(shè)計中采用三極管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)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(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(dāng)vcc給5v時，運(yùn)放線性區(qū)最大輸出電壓一般只有3v左右，經(jīng)實(shí)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

8、構(gòu)成的電壓跟隨器，經(jīng)實(shí)驗測得滿足要求。從運(yùn)放的輸出端輸出送入a/d轉(zhuǎn)換模塊。運(yùn)算放大電路如圖5所示。本設(shè)計中采用lm324四運(yùn)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(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)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(fù)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(yùn)放輸出端vo的信號與該輸入端的位相反;vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)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)

9、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(jī)。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(dāng)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(jī)定時器中斷子程序提供。圖8為adc0800的引腳圖。 圖7

10、 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(shí)現(xiàn)標(biāo)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(jī)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(diǎn)，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系

11、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(jìn)行讀操作，低電平(0)時進(jìn)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(fù)跳變時執(zhí)行指令；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(fù)極。 圖10 顯示模塊電路設(shè)計 圖

12、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(shí)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(shí)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)置顯示位置計算偏差error寫數(shù)據(jù)增量式pid運(yùn)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

13、圖 圖13 lcd1602子程序流程圖 開始初始化ni9?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(dāng)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

14、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(jìn)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(jìn)行處理, 其公式如下：un=kpen-en-1+ttien+tdten-2en-1+en-2如令t=0.1tk，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.

15、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(shí)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(biāo)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(shí)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(shí)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(dá)到跟蹤的目的。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

16、周期即0.2ms*200=40ms，每進(jìn)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(shí)現(xiàn)a/d轉(zhuǎn)換，定時時間為20ms，即每20ms中斷一次。每中斷十次，進(jìn)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

17、遠(yuǎn)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(dāng)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(xì)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(rèn)為可能是由于以

18、下幾點(diǎn)原因造成的：1.標(biāo)準(zhǔn)器誤差，提供標(biāo)準(zhǔn)值的器件如標(biāo)準(zhǔn)電阻，標(biāo)準(zhǔn)電容等標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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，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(zhǔn)確的理解和系統(tǒng)的認(rèn)識。第三，對pid控制算法的實(shí)際運(yùn)用有了一定的了解

19、，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(yùn)用在實(shí)際設(shè)計中，感覺到對pid又有了更深的認(rèn)識，尤其是通過增量式pid對參數(shù)進(jìn)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(shí)的專業(yè)功底，同時更需要細(xì)心，耐心，專心，在仿真結(jié)果正確，但調(diào)試并沒有達(dá)到預(yù)期的效果時，要對電路進(jìn)行徹底仔細(xì)的檢查，對每一部分的電壓電阻等逐一進(jìn)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(shí)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，

20、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(jìn)步！9 參考文獻(xiàn)1 孫涵.mcs-51 /96系列單片機(jī)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(jìn)華，鄭細(xì)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, 趙慶明, 唐君明. 基于單片機(jī)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(jī)

21、的數(shù)控恒流源設(shè)計與實(shí)現(xiàn)j.儀器儀表, 2008,(6): 58-60.附錄一 電路圖附錄二 程序#include #include #include#include#include #include /-相關(guān)宏定義-/#define uint unsigned int#define 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 st

22、art=p20; sbit eoc=p21; sbit oe=p22; /-pwm輸出口定義-/sbit pwmout = p33;/-標(biāo)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uint 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;dou

23、ble 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; double kp;/-毫秒級延時子程序-/ void delayms(uint ms)/延時程序uchar x,j;for(j=0;jms;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

24、= (bit)(p0&0x80);e = 0;return result;/-寫指令-/void lcd_write_command(uchar cmd) while(lcd_busy_check();rs = 0;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_c

25、heck();rs = 1;rw = 0;e = 0;p0 = dat;delay4us();e = 1;delay4us();e = 0;/-lcd初始化-/void lcd_initialise() /初始化lcd_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;i14;i+) lcd_write_data(line1i);display_buffer0=b/1000+0; /數(shù)據(jù)顯示display_buffer1=b%1000/100+0;display_buffer3=b%100/10+0;display_buffer4=b%10+0;set_disp_pos(0x46);for(i=0;icycle-1) pwm_on=cycle; if(pwm_on1) pwm_on=1;last_out=pwm_on;uchar filter()/移動平均濾波法 uchar i;