毕业设计数控直流电流源设计

毕业设计 项目名称： 数控直流电流源的设计 系 别： 电子电气工程系 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 杨小平 学 号： 3 指导教师： 梁绒香 2012年 5月12日数控直流电流源设计摘要：本系统以直流电流源为核心，AT89S52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达1mA，并可由数码管显示实际输出电流值和电流设定值。本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（AD7543）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转变后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理， 通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。实际测试结果表明，本系统实际应用于需要高稳定度小功率恒流源的领域。关键词：压控恒流源 智能化电源 闭环控制 Constant Current Resource Digital ControlledAbstract:This system take directs current supply as the core,at 89S52 monolittic integrated circuit primarily controller, output current of DC power can be set by a keyboard which step level reaches 1mA, while the real output current and the set value can be displayed by LED. In the system, the digitally programmable signal from SCM is converted to analog value by DAC (AD7543), then the analog value which is isolated and amplified by operational amplifiers, is sent to the base electrode of power transistor, so an adjustable output current can be available with the base electrode voltage of power transistor. On the other hand, The constant current source can be monitored by the SCM system real-timely, its work process is that output current is converted voltage, then its analog value is converted to digital value by ADC, finally the digital value as a feedback loop is processed by SCM so that output current is more stable, so a stable voltage-controlled constant current power is designed. The test results have showed that it can be applied in need areas of constant current source with high stability and low power. Keywords: voltage-controlled constant current source, intelligent power; closed loop control 目 录前言51系统原理及理论分析61.1单片机最小系统组成61.2系统性能61.3恒流原理62总体方案论证与比较83硬件电路设计123.1 AT89S52单片机介绍123.1.1 AT89S52单片机功能特性描述123.3.2AT89S52引脚功能描述133.2恒流源方案选择163.3反馈闭环方案选择173.4显示模块电路183.5键盘模块电路183.6电源方案选择203.7 D/A转换设计213.7 .1 D/A转换方案213.7 .2D/A转换电路223.8 V/I转换设计233.8 .1 V/I转换方案233.9 A/D转换设计243.9 .1 A/D转换方案243.9 .2 A/D转换电路254软件设计264.1流程图264.2数控直流稳压电源程序28总结41参考文献42致 谢43附 录44前言随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能，价格，发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。性能好的电子设备，首先离不开稳定的电源，电源稳定度越高，设备和外围条件越优越，那么设备的寿命更长。基于此，人们对数控恒定电流器件的需求越来越迫切当今社会，数控恒压技术已经很成熟，但是恒流方面特别是数控恒流的技术才刚刚起步有待发展，高性能的数控恒流器件的开发和应用存在巨大的发展空间，本文正是应社会发展的要求，研制出一种高性能的数控直流恒流源。本数控直流恒流源系统输出电流稳定，不随负载和环境温度变化，并具有很高的精度，输出电流误差范围5mA，输出电流可在20mA2000mA范围内任意设定，因而可实际应用于需要高稳定度小功率恒流源的领域。1系统原理及理论分析1.1单片机最小系统组成单片机系统是整个数控系统的核心部分，它主要用于键盘按键管理、数据处理、实时采样分析系统参数及对各部分反馈环节进行整体调整。主要包括AT89S52单片机、模数转换芯片ADC0809、数模转换芯片AD7543、数码管显示译码芯片74LS47与74LS138等器件。1.2系统性能本系统的性能指标主要由两大关系所决定，设定值与/采样显示值（系统内部测量值）的关系。内部测量值与实际测量值的关系，而后者是所有仪表所存在的误差。在没有采用数字闭环之前，设定值与内部测量值的关系只能通过反复测量来得出它们的关系（要送多大的数才能使/输出与设定电流值相对应的电压值），再通过单片机乘除法再实现这个关系，从而基本实现设定值与内部测量值相一致。但由于周围环境等因素的影响，使设定值与内部测量值的关系改变，使得设定值与内部测量值不一致，有时会相差上百毫安，只能重新测量设定值与/采样显示值的关系改变/入口数值的大小才能重新达到设定值与内部测量值相一致，也就是说还不稳定。在采用数字闭环后。通过比较设定值与/采样显示值，得出它们的差值，再调整/的入口数值，从而使/采样显示值逐步逼近设定值最终达到一致。而我们无须关心/入口数值的大小，从而省去了原程序中双字节乘除的部分，使程序简单而不受周围环境等因素的影响。内部测量值与实际测量值的误差是由于取样电阻与负载电阻和晶体管的放大倍数受温度的影响和测量仪表的误差所造成的，为了减少这种误差，一定要选用温度系数低的电阻来作采样电阻，因此本系统选用锰铜电阻丝来作采样电阻。1.3恒流原理数模转换芯片AD7543是12位电流输出型，其中OUT1和OUT2是电流的输出端。电流的输出级别可这样计算DX=式中：DX是控制级数电压由集成运算放大器U8A的1脚输出，根据T型电阻网络型的D/A转换关系可知， 存在如下通式：（1）式中：输出电压(V)参考电压(V)；R T网络电阻()；外接反馈电阻()。电流放大电路存在如下关系： （2） （3） 式中：Ib基极电流（mA）；Ui输入电压（V）；IL负载电流（mA）。由式（1）、（2）可得到： （4） 由于电路中的放大系数值远大于1，而与保持恒定，所以可推出负载电流与输入电压存在如下关系： （5）由式(5) 、（1）可得到: （6）其中，K为比例系数由式（6）可知，负载电流不随外部负载的变化而改变。当保持不变时(即AD7543的输入数字量保持不变)，输出电流维持不变，能够达到恒流的目的。为了实现数控的目的，可以通过微处理器控制AD7543的模拟量输出，从而间接改变电流源的输出电流。从理论上来说，通过控制AD7543的输出等级，可以达到1mA的输出精度。但是本系统恒流源要求输出电流范围是20mA2000mA，而当器件处于2000mA的工作电流时，属于工作在大电流状态，晶体管长时间工作在这种状态，集电结发热严重，导致晶体管值下降，从而导致电流不能维持恒定。为了克服大电流工作时电流的波动，在输出部分增加了一个反馈环节来控制电流稳定，减小电流的波动，此反馈回路采用数字形式反馈，通过微处理器的实时采样分析后，根据实际输出对电流源进行实时调节。经测试表明，采用常用的大功率电阻作为采样电阻，输出电流波动比较大，而选用锰铜电阻丝制作采样电阻，电流稳定性得到了改善。电路反馈原理如图1所示。控制系统采样电流/电压转换单元恒流输出 数据处理单元图1 电流输出反馈电路原理2总体方案论证与比较设计数控制流电流源时，有多重设计方案。具体如下：方案一：采用AT89S52单片机作为整机的控制单元，通过改变D/A转换器MAX538的输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电流的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电流值的大小，可以将电流转换成电压，并经过A/D转换器MAX188进行模数转换。交流输入整流滤波输出调整单元恒流输出测试通道芯片供电部分A/D转换器反馈通道单片机及外围电路键盘数码显示D/A转换器图2-1 原理框图 此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。本方案的基本原理如图2-1所示。方案二：通过专门的恒流/恒压芯片LT1769和简单的控制线路来实现压控电流源方案。这种恒压芯片具有集成度高，使用起来控制系统的软硬件都变得相对简单的优点。但缺点是方案实现不够灵活；由于该芯片精度不高（5%），设备性能被局限在这种专用芯片性能指标所允许的范围内。所以这种设计一般只适合于精度要求不高，但集成度和便携性要求高的场合。因此，这不是最理想的数控电流源实现方案。方案三：由单片机控制DAC产生电压控制信号，通过精密的线性压控电流源电路输出所需的电流值。框架图如图2-2所示。由于在实现上比较直接，并且使用了线性功率器件，相比之下，更容易得到较高的精度和更稳定的输出。具体实现上，电流源电路的精度和质量取决于精密的功率放大器。同时，要特别关注设计上的问题（如PCB排版等）。数控模块电源模块精密电流源模块S扩流模块电流检测模块图2-2 方案三框图方案四：通过编码开关来控制存储器的地址；根据地址输出对应的数字量进行数模（D/A）转换；再根据输出的电压量来控制电流的变化；同时，通过四个编码开关的BCD码送给4511及数码管显示。此方案的优点是电路简单，缺点是数据量大且存储器存储容量有限，在实验过程中发现编码开关不稳定，所以不宜采用。其电路方框图如图2-3所示：显示编码开关存储器D/A转换恒流源负载载图2-3 方案四方框图方案五：采用开环电路，即利用微处理器做控制电路，D/A转换器和V/I转换电路来实现，系统框图见下图：微处理器D/A转换V/I转换电路电流输出图2-4 智能电流源开环系统框图在这种实现方法中，微处理器通过控制D/A的输出直接调控电流大小。由于无反馈环节，会造成电流输出效果不理想，精度差，量程范围小等问题，尤其在需要高精度、宽量程的电流输出时达不到要求。方案六：在传统电路设计的基础上，利用控制系统中反馈与控制原理，给电路加上反馈电路，使整个电路构成一个闭环，软件上利用PID算法来实现对输出电流的精确控制。这种方法设计的电流源性能稳定、带负载能力强。系统框图见下图：测试通道恒流输出输出调整单元整流滤波交流输入芯片供电部分D/A转换器反馈通道A/D转换器单片机及外围电路数码管显示键盘 图2-5 系统原理框图系统的控制过程为：利用单片机将被预置的电流通过换算由D/A转换器进行D/A转换，以输出电压，驱动V/I转换实现电流输出，并将该电流值对应电压通过闭环回路，经信号处理电路作A/D转换输入单片机系统，通过PID算法调整电流输出，并驱动显示电路显示当前电流值。系统由稳压电路电源、单片机、D/A转换电路、电压电流(V/I)转换电路、A/D转换电路、键盘显示电路组成。比较以上几种方案的优缺点，方案六简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案六来实现。结合以上各部分模块电路方案，本设计系统框图如下图所示。该系统通过RS-485总线与计算机进行串口通信，串行通信采用串行方式1，速率为9600波特率。在计算机上能适时地对该系统进行数据监测和控制，操作方便、快捷、直观。本系统计算机软件采用VB软件实现Windows环境编程，VB中实现串行通信是一个MSComm控件，该控件通过串行端口传输和接收数据，为应用程序提供串行通信功能。系统电源模块89S52单片机键盘模块A/D转换（MAX197）D/A转换（MAX538）显示模块V/I转换恒流输出图 2-6 数控直流电流源系统框图3硬件电路设计3.1 AT89S52单片机介绍3.1.1 AT89S52单片机功能特性描述AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程 Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。图3-1 AT89S52引脚封装图芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程 Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。3.3.2AT89S52引脚功能描述VCC：电源GND：接地P0口： 8位漏极开路的双向I/O口。作为双向输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器 T2 的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）表3-1 AT89S52引脚功能表P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVXRI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。引脚号第二功能P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD（串行输出）P3.2INT0(外部中断 0)P3.3INT0(外部中断 0)P3.4T0（定时器 0 外部输入）P3.5T1（定时器 1 外部输入）P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器写选通)表3-2 引脚功能表在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3-2所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。ST：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN：外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，应该接。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。图3-2 AT89S52基本连接图3.2恒流源方案选择方案一：采用恒流二极管或者恒流三极管，精度比较高，但这种电路能实现的恒流范围很小，只能达到十几毫安，不能达到题目的要求。 方案二：采用四端可调恒流源，这种器件靠改变外围电阻元件参数，从而使电流达到可调的目的，这种器件能够达到12000毫安的输出电流。改变输出电流，通常有两种方法：一是通过手动调节来改变输出电流，这种方法不能满足题目的数控调节要求；二是通过数字电位器来改变需要的电阻参数，虽然可以达到数控的目的，但数字电位器的每一级步进电阻比较大，所以很难调节输出电流。方案三：压控恒流源，通过改变恒流源的外围电压，利用电压的大小来控制输出电流的大小。电压控制电路采用数控的方式，利用单片机送出数字量，经过D/A转换转变成模拟信号，再送到大功率三极管进行放大。单片机系统实时对输出电流进行监控，采用数字方式作为反馈调整环节，由程序控制调节功率管的输出电流恒定。当改变负载大小时，基本上不影响电流的输出，采用这样一个闭路环节使得系统一直在设定值维持电流恒定。该方案通过软件方法实现输出电流稳定，易于功能的实现，便于操作，故选择此方案。电路原理图下图所示。图3-3 压控恒流源电路原理3.3反馈闭环方案选择方案一：采样电阻上的电压，可知输出电流与采样电阻存在近似线性关系，因此可以从检测电阻上电压的大小来直接增减反馈深度。方案二：从采样电阻上得到一个反馈电压，由于采样电阻阻值比较小，在该电阻上的压降相应也小，为了提高系统控制的灵敏度，采用一级运算放大器对采样电压进行放大，再送到ADC0809进行A/D转换。数据由单片机系统进行相应处理，为了达到1mA步进，选用12位串行D/A转换器件AD7543可以满足题目要求，而且该芯片是采用串行数据传送方式，硬件电路简单。同时反馈系统控制灵活，易于达到1mA的步进要求。3.4显示模块电路本设计采用共阳极接法，组成动态显示电路，采用译码器74LS47和4位共阳LED段数码管显示电路进行显示，其中最高位可以显示千位的 “1”。显示模块电路如图所示：图3- 4 显示模块电路原理图 3.5键盘模块电路由于要实现人机对话，至少要有10个数字按键和四个步进按键（+10mA、+1mA、-10mA、-1mA），考虑到还要实现其它的功能键，所以选用16按键的键盘来完成整个系统控制。本设计采用44矩阵式键盘。其工作过程如下：1）键扫描：CPU先通过输出口使所有列线输出为低电平，然后从输入口读入所有行线的状态。若行线状态都为高电平，则说明没有键按下，若行线中有低电平，则表明有键被按下。CPU通过输出口使列线从低位至高位逐位变低电平输出，每次均读入行线的状态，以确定哪条列线为“0”状态。由行、列状态就可判断是哪一个键被按下（行、列交叉处）。当判断出哪个键压下后，程序转入相应的键处理程序。2）键扫描的方式：CPU的控制一旦进入监控程序，将反复不断的扫描键盘，等待输入命令或数据。在初始化程序中对定时器/计数器进行编程，使之产生10ms的定时中断，执行中断服务程序，对键盘扫描一遍，检查键盘的状态，实现对键盘的定时扫描。当键盘上有按键按下时，由硬件电路产生中断请求，CPU相应中断，执行中断服务程序，判断按下的键的键号，根据键的定义作相应处理。图3-5键盘模块电路图在本设计中，用AT89S52的并行口P2接44矩阵键盘，以P2.0P2.3作输入线，以P2.4P2.7作输出线，44矩阵键盘识别处理每个按键有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和CPU通信。每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，开关的一端（列线）通过电阻接VCC，而接地是通过程序输出数字“0”实现的。键盘处理程序的任务是：确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能。3.6电源方案选择此单片机控制系统以及外围芯片供电采用78系列三端稳压器件，通过全波整流，然后进行滤波稳压。电流源部分由于要给外围测试电路提供比较大的功率，因此必须采用大功率器件。考虑到该电流源输出电压10V以内，最大输出电流不大于2000mA，由公式P=UI可以粗略估算电流源的功耗为20W。同时考虑到恒流源功率管部分的功耗，需要预留功率余量，因此供电电源要求能输出30W以上。为了尽量减少输出电流的纹波，要求供电源要稳定，因此采用隔离电源，选用由LM7812构成的高精度大电流稳压电源。此方案输出电流精度高，能满足题目要求，而且简单实用，易于自制。图3-6 5V电源原理图上图中电路提供5V的稳定电源，主要用于单片机（AT89S52）及周边外围电路、数码显示（包括74LS47）、键盘。它由电源变压器P1，桥式整流电路D1D4，滤波电容，防止自激电容和固定式三端稳压器LM7805、LM7905极为简捷方便地搭成的。 下图中提供的+12V的电源主要用于V/I转换电路。由于要求输出的电流最大值为2000mA,而且主要电流从它通过，所以要用大电容，本设计采用两个3300uF的电容并联(同时为了减小纹波系数本设计在两个电容之间接入有源滤波电路)。图3-7 +12V电源原理图3.7 D/A转换设计3.7 .1 D/A转换方案根据题目要求，所设计的直流电流源应具有数控功能，按发挥部分的指标要求，应满足输出最大2000mA，步进1mA的要求，因此，用“单片机D/A”的方式实现数控功能最为合适。根据指标要求，D/A的位数至少为11位，故而选择12位的D/A转换器。由于系统对输出电流设定的实时性没有要求，所以选择串行12bitD/A转换器MAX538以节约单片机接口资源。MAX538是MAXIM公司生产的12位双通道、三线串行输入、电压输出的D/A转换器。它不需要任何外围器件就可达到最佳的性能指标。MAX538是低功耗，电压输出12bitD/A转换器。MAX538可用电源+5V供电，外形为8脚封装。MAX538仅吸收140uA的电流，是一种省电型器件。MAX538的输出放大器可分别提供1和2的增益。该器件可广泛的应用在便携式测试仪器、程控增益放大器、工业过程控制、数字电话等领域。图 3-8MAX538引脚排列MAX538与CPU接口时，仅需三根串行线，其输入波形如图所示。在时钟频率为877KHz时，传输12bit的数据D/A转换输出仅需25us的建立时间。串行输入波形3.7 .2D/A转换电路下图为MAX538的基本连接，参考电压必须外接，输出为单极性信号。图3-9 MAX538基本连接图在本设计中，MAX538的DIN、SCLK、分别接AT89S52的P1.0口、ALE（PRDG）、P1.1口。REF外接参考电压电路，OUT接V/I转换电路。系统采用MAX6325为MAX538提供2.5V的参考电压。MAX6325是一款高输出精度、低功耗、低噪声的基准电压器件，其基本连接图如下：图3-10 MAX6325基本连接图3.8 V/I转换设计3.8 .1 V/I转换方案采用由精密运放与三个晶体管组成的达林顿管电路构成的压流转换模块。转换电路利用晶体管平坦的输出特性和深度负反馈电路使输出电流稳定。3.8 .2 V/I转换电路系统中V/I转换电路由精密运放与晶体管T1、T2、T3组成的达林顿电路构成。利用晶体管平坦的输出特性和深度的负反馈电路得到稳定的恒流输出，使系统带负载能力强。其输出范围达到200mA2000mA。在V/I转换电路的输出回路中引入一个反馈电阻，输出电流经反馈电阻得到一个反馈电压，=，通过，加到运算放大器的两个输入端。设运放的同向端和反向端的电压为，。该部分的输入电压为Vi（由MAX538的7脚输出）。又理想运放两端的输入电流值i3，i2约等于零，且,则有： (3-1)即： (3-2)由于，则：(3-3)若令：，则有： (3-4)略去反馈回路的电流，则： (3-5)可见，输出电流的标定由D/A转换的输出电压和的阻值决定，成线性变换。采用大线径康铜丝制作，其温度系数很小，大线径可使其温度影响减至最小，此处选用的是1/2W的大功率精密电阻。图3-11 V/I转换电路原理图3.9 A/D转换设计3.9 .1 A/D转换方案根据题目要求，系统应能测量显示实际输出电流的范围及精度指标是：范围202000mA，精度0.11mA。因此可知，A/D的精度至少要在12位以上，但由于只是用于测量显示，因而测量速度要求不高；又因为测量对象为直流信号，故也没有双极性测量的要求。MAX197是美国MAXIM公司设计的12位串行A/D转换器， 8通道单端或4通道差分输入，其内部集成了8通道多路开关，故转换速率高且功耗低，特别适合对体积、功耗和精度有较高要求的便携式智能化仪器仪表产品。因此，这里选择MAX197。图3-12 MAX197引脚图MAX197控制字节的写入和转换结束后的数据读出都是由8位并行接口完成的，这使得微处理器能把MAX197作为一个I/O口来寻址，应用极为方便。 MAX197 A/D转换的起动是通过写控制字来实现的，即每当向其写入一个控制字时，同时也就起动了一次相应的转换。MAX197还提供了一个标准的中断信号，当变换完成，输出数据准备就绪后，变为低电平，在第一个读周期或者写一个新的控制字节时，返回高电平。MAX197在单极性方式下，输出数据格式为二进制数；在双极性方式下，输出数据格式为补码形式的二进制数。在读取数据时，当HBEN为低电平时，读低8位，当HBEN为高电平时，读高4位。3.9 .2 A/D转换电路在本次设计中MAX197通过D0D7与AT89S52 的P0.0P0.7相连，既用于输出MAX197的初始化控制字，也用于传输转换结果数据。 用AT89S52单片机的P3.0作片选信号，则MAX197的高位地址为7FH。选择MAX197为软件设置低功耗工作方式，所以置SHDN脚为高电平。本文采用内部基准电压，所以REFADJ接地，而REF则接内部参考电压。AT89S52单片机的P1.3脚用做判读高、低位数据的选择线，直接与HBEN脚相连。MAX197的INT脚可与AT89S52的INT0相连,以便实现中断，读取转换结果。不过本次设计不设计中断程序。MAX197的CH0用于输入经过V/I转换的电流信号。其连接图如下图所示。图3-13 MAX197连接原理图4 软件设计4.1流程图开始初始化键盘检测A/D转换DA转换PID算法电流显示串口检测图4-1 软件流程图上图为系统软件流程图，完成了四个功能：(1)系统的初始化，包括各外围接口芯片的初始化和电流起始值的初始化；(2)键盘检测和串口检测，键盘检测包括电流的预置与步进调整，串口检测采用中断方式检测串口地址是否有PC机发来的控制信号，实现PC机控制电流输出；(3)实现D/A转换和A/D转换；(4)用PID算法进行电流调整，实现输出电流的精确控制。在本系统中，采用离散增量PID算法，具体控制过程为:单片机经A/D芯片读出实际输出电流，然后和设定电流Is相比较，得出差值，单片机根据的正负大小，调用PID公式，计算出本次电流调节的增量，然后根据前一次D/A芯片输出电流Iq-1，计算出本次电流输出。离散增量PID的计算公式为：式中：，为本次采样时刻的电流误差，为上次采样电流误差，为再上次采样电流误差值。下图是根据此公式编制出PID算法程序。使用PID算法能否达到设计的调节品质，在于调整好三个关键参数：比例系数、积分系数，和微分系数。各个参数的取值大小分别对系统的性能有不同的影响。(1)比例系数对系统的影响：加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳定误差减小；偏大，振荡次数加多，调节时间加长；太大时，系统会趋于不稳定；太小，又会使系统的动作缓慢。(2)积分系数，对系统的影响：积分作用使系统的稳定性下降，小，积分作用强，会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。(3)微分系数对系统的影响：微分作用可以改善动态特性，偏大时，超调量较大，调节时间较短；偏小时，超调量也较大，调节时间也较长，只有合适，才能使超调量较小，减短调节时间。开始返回计算Kp(EK-1-EK-2)取EK-2取EK-1计算Ek=IsIkIk=0计算本次D/A的D值计算K1*EK计算Iq=Iq-1+Ik计算KD(EK-1- EK)计算Ik计算KD(EK-2- EK-1)|Ek|1mANY图4-2 PID算法流程图4.2数控直流稳压电源程序/*This program was produced by theCodeWizardAVR V1.25.7a EvaluationAutomatic Program Generator?Copyright 1998-2007 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l. Project : Version : Date : 2010-5-20Author : Freeware, for evaluation and non-commercial use onlyCompany : Comments: Chip type : ATmega16Program type : ApplicationClock frequency : 8. MHzMemory model : SmallExternal SRAM size : 0Data Stack size : 256 */ #include #include 1602.c#include adc.c /*-全局定义-*/#define choice 0x7e#define up PIND.6#define down PIND.0 #define right PIND.2#define left PIND.1#define ok PIND.3 #define Enable PORTD.7 /*定义界面内容*/ flash uchar set1=Plese set Volt: ;/flash uchar shu=.;flash uchar putvolt= Volt: ;flash uchar putamp= Amp: ;flash uchar start=Starting;/flash uchar error=error;uint volt=50;/*-功能：进入系统的初始化函数-*/void intosys()uchar i; lcd_init(); write_com(lcd_clr); write_com(0x80); delay_ms(5); for(i=0;i8;i+) write_data(starti); /启动开机界面 delay_ms(2); /延时写入，可以防止液晶处于忙状态 write_com(0x80+0x40); delay_ms(5); for(