基于PID控制的数字恒流源报告

天津工业大学

测控仪器设计报告

组号 2 组

组员吴东航1110340108

章一林1110340114

郭伍昌1110340109 学院机械工程学院

专业测控技术与仪器指导教师隋修武

2015 年1 月16 日

目录

1 课程设计的目的和意义 (3)

2 设计任务 (3)

3 设计背景 (3)

4 总体设计方案 (4)

5 硬件电路设计 (4)

5.1 采样模块 (4)

5.2 滤波模块...................................................................................... 错误！未定义书签。

5.3 运算放大模块 (6)

5.4 A/D转换模块 (7)

5.5 显示模块 (9)

6 软件电路设计 (10)

6.1流程图 (10)

6.2 PID控制算法 (13)

6.3 PWM输出 (13)

6.4 A/D转换 (14)

7 调试与仿真结果分析 (14)

8 心得体会 (14)

9参考文献 (15)

附录一电路图 (16)

附录二程序 (17)

摘要：针对各种低压电器校验及性能测试过程中需要高稳定、高精度的恒流源要求, 在对现有主要恒流源产品设计仔细分析的基础上, 设计了一种以AT89C51为核心的高稳定数控

恒流源。整个系统采用闭环PID控制, 输出PWM波控制恒流源的电流。经实际应用测试, 该恒流源输出电流可在10 mA 左右恒定, 当电源电压变化、负载电路变化时，恒流源的精度在±1mA以内。

1 课程设计的目的和意义

测控系统设计是测控技术与仪器专业实践教学环节的重要组成部分，是“测控系统原理与设计”课程理论教学的有益补充，“测控系统原理与设计”是测控技术与仪器专业的一门综合性专业课，在理论教学的同时，要求学生掌握传感器的选型，测控电路的分析、设计、调试，微处理器的电路与程序设计、控制算法设计、计算机的综合应用等，以便对测控系统形成完整的认识。

通过本课程设计，完成基于PID控制的数字恒流源的设计，熟悉和掌握工业生产和科学研究中的测量和控制系统的组成原理及设计方法，学会运用所学的单片机、测控电路、控制算法等方面的知识，进行综合应用，设计出完整的测控系统，实现预期功能，培养自学能力、动手能力、分析问题能力和应用理论知识解决实际问题的能力。

2 设计任务

设计基于PID控制的数字恒流源，设计要求如下

1、采用8051系列单片机输出PWM波控制恒流源的电流。

2、采用PID控制算法，实现对恒流源的闭环控制。

3、恒流源的电压为5V，恒流输出10mA。

4、采用LCD液晶1602显示电流值。

5、当电源电压变化、负载电路变化时，恒流源的精度在±1mA以内。

3 设计背景

相对于电压源, 电流源具有抗干扰能力强, 信号传输不受距离影响等。电流源是一种能向负载提供恒定电流的电路。它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点, 又可以作为其有源负载以提高放大倍数, 在差动放大电路、脉冲产生电路中得到了广泛应用。一般的恒流电流源往往是固定的一种输出电流值,

或仅有几挡电流值, 往往存在调节范围小、稳定性差等缺点, 不便于通用,且所设定的输出电流值是否准确不经测试无法知道。低纹波、高精度稳定直流电流源是一种非常重要的特种电源, 在现代科学研究和工业生产中得到了越来越广泛的应用。

4 总体设计方案

以AT89C51为核心，采用闭环PID控制，输出PWM波控制恒流源的电流，经信号调理后，通过A/D转换送入单片机，通过LCD显示电流。由于单片机控制算法灵活, 程序相对简单, 且成本较低, 故选用AT89C51单片机实现数字控制。为实现电流模拟量到数字量的转换，故选用ADC0809实现A/D转换。通过三极管C9014及相关电路实现电流信号的放大。为获得稳定的电流设计一个RC滤波电路去除干扰。具体来说, 该数字恒流源主要由以下模块构成：采样模块、滤波模块、运算放大模块、A/D转换、显示模块等。图1为系统结构框图。

图1 系统结构框图

5 硬件电路设计

5.1 采样模块

通过单片机输出的PWM波，由于从PWM处输出的方波通过三极管后，通过采样电阻R6，以保证IN1处的电压恒定，为了使得A/D转换标度变换计算方便，减少计算机的计算量，因此R6电阻阻值采用100欧姆，当电流输出为10mA的时候，对应电压值为1V。为了使得输出的电压值趋于平缓，因此增加电容C4（100uF），将交流转换为直流电压输出。当三极管工作在非线性区（即三极管工作在饱和区或截止区），此时三极管相当于开关器件。PWM波为高电平时，三极管b-e端导通，保证IN1处输出恒定电压；PWM波为低电平时，b-e端截止，IN1出R6处无电流。三极管采样模块电路设计如图2所示。

本设计中采用三极管C9014充当放大器件，9014是非常常见的晶体三极管，在收音机以及各种放大电路中经常看到它，应用范围很广，它是NPN型小功率三极管。图3为三极管C9014的管脚图。

图2 采样模块电路设计

图3 C9014管脚图

5.3 运算放大模块

电阻R7和C5构成简单的滤波电路，由于标度变换使得运放为1，因此将反向输入和输出连在一起构成电压跟随器。在这里我们选用了两个方案，第一种用OP07构成电压跟随器，OP07闭环带宽约为400~500kHz，并且当VCC给5V时，运放线性区最大输出电压一般只有3V左右，经实验测得由OP07构成的电压跟随器输出不稳定。第二种方案选用LM324构成的电压跟随器，经实验测得满足要求。从运放的输出端输出送入A/D转换模块。运算放大电路如图5所示。

本设计中采用LM324四运放集成芯片，它采用14脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图6所示的符号来表示,它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。图6为LM324的引脚图。