《基于单片机直流恒流源的设计实现》12000字

基于单片机直流恒流源的设计实现目录TOC\o"1-2"\h\z\u目录 0摘要 1第1章绪论 11.1课题研究背景 11.2课题研究的目的及意义 21.3国内外研究现状 3第2章系统设计 52.1设计方案的选择 52.2设计方案的总体框图52.3恒流源的基本原理 6第3章系统的硬件设计 83.1控制核心 83.2数模转换部分 93.3模数转换部分 103.4按键控制模块 113.5LED显示模块 133.6设计震荡电路模块 143.7复位电路设计模块 15第4章系统的软件设计 164.1系统软件流程图 164.2系统的程序设计内容174.3系统的仿真 21第5章调试结果与分析 235.1测试仪器的选择和测试方法 235.2调试过程与分析 23第6章总结与展望 256.1总结 256.2展望 26参考文献 27摘要直流恒流电流源在电气设备中十分常见，相较于系统对于稳定直流恒流源的需要，现存的直流电流源还存在很多问题，尚无法满足日常生产生活的需要。为了迎合这种要求，本文选择AT89C52单片机作为控制的核心，在PID算法的作用下，通过D/A芯片和A/D芯片的配合作用，保证对输出电流的即时监控。通过键盘和LED显示屏进行输入和显示，在最后得到所需的电流。以此思路设计了一种拥有精度高、成本低、结构简单、且工作稳定等各种优点的直流电流源。这个设计能够满足对系统的预期要求，且能保证系统的功能性、可靠性以及经济性.关键词:AT89C52单片机；精度高；直流恒流源第1章绪论随着当前社会科学技术的发展，大部分的设备的运行都需要一个可靠的直流恒流源的支持。直流恒流的电路排列方法有许多种，目前已经广泛运用于航天、通信、仪器控制等方面。学校在日常教学中使用的电源大都通过模拟电路或数字电路控制，存在结构简单，稳定性差等问题。经常出现实验结果和实际值之间偏差太大的情况，造成了实验的失败。为了能够提供一个稳定而可靠的直流电流源，文章将致力于研究以单片机为控制核心，运算放大器、D/A转换芯片、采样电路等为主体的直流恒流源。1.1课题研究背景在当前的社会环境中，各种电子技术不断兴起广受欢迎，更具优势的数字电路在各行各业大量使用。新一代的电子产品正向着多功能与智能化方向发展，在这样的环境下精准性、稳定性、成本的大小等成为挑选设备的重要指标。而一个可靠而稳定的电源供给是实现这一切的前提。稳定的电源可以为设备提供一个良好的外部工作环境，保障设备的运行状态，延长设备的工作寿命。社会对于恒流电流源的需求主要基于以上原因。在许多方面，关于恒流的电子技术正处于飞速发展的阶段，依然不够完善。一个可靠的电源是进行许多实验的基础，许多实验在电源的电流大小和电压高低等指标上有着非常严苛的要求。就目前直流电源的发展水平来说，由于模拟的复杂性，传和统的模拟直流恒流源逐渐无法满足现在社会对高稳定性的需求。现存的电源多以电位器作为调节器，主要采用指针式显示电流，采用数码管显示电压，然后在电路上增配一个精确的监测设备以便调整并实现电压和电流的稳定。这种实现方式，考虑到调试的复杂性，一则使用不便，二则不能保证直流电源有良好的输出质量。所以如果能在实验之前能提前设定一些参数，用精准的芯片控制取代认为操作，保证电源输出质量的同时实现电源的智能化。将会使各种实验更加方便高效。因此，未来的电流源追求的应该是成本低、可靠耐用，并且力求实现数控化。本系统通过控制键盘完成工作参数和工作模式的输入，作为控制核心的单片机以及恒流源部分的主电路构成了系统的主要部分。主体向下可以分为控制、负载、键盘、电源、电流源、显示这六个模块。利用键盘设置并调节输出电流的大小，并且用LED显示器将实际的电流大小准确的显示出来。本次测试设计以AT89C52单片机为一个主控器,将它作为进行输出一个模拟和放大数字信号的一个主控器,通过一个D/A信号转换输出芯片为每个主控器进行输出一个大的模拟和文字数据,而后以一个数字运算式信号放大器芯片来进行接收和发送放大数字信号，控制功率输出以实现实验的目的。控制核心同时还负责监视恒流源的工作过程,在模数转换芯片的作用下,将电流输入和产生的模拟量转换成恒流源，然后将转换成的电流输入和产生的模拟量转换成单片机,然后将其输入的数据量转换成单片机,对于处理结果的反馈都是以模数转换形式完成的。经过这个过程，即可实现稳定电流，形成直流恒流源[1]。1.1.2选题背景学校的电气学生的实训中关于供给电源的稳定性问题一直是政府相关部门和学校工作的重中之重，为解决这个问题，有关部门已经做出了许多努力，但问题尚未完全解决。目前在直流恒流源方面，使用旋钮开关来调节电压的方式依然占据主流，而这种调节方法存在着精度不足、跳变频繁、操作复繁琐等缺点。据相关资料显示，2007年至今，河南省的多数高校在进行教学实验或科学研究时都遇到这种问题，给教学和科研活动带来了许多不便。另一方面，随着社会环境和生活条件的不断提高，电驱的代步工具的使用越来越广泛，增加了对可靠直流电流源的需求。1.2课题研究的目的及意义有关数控直流电流源的设备在我们的生活中十分常见，被广泛应用于教学和技术科研的各个领域，对于那些专门从事数控直流电子技术研究领域的专业技术人员和设备开发工作者，这些都是不可或缺的。相较于其他直流变频电流源的软件设计，本次的硬件设计就是完全遵循了通用电子技术的快速发展的新潮流，以数控单片式微机电路作为主要电路控制器的核心，设计了一种技术实用性强的新型数控变频直流电源。过去的设计因为硬件等因素的限制，对于系统整个工作过程的监控十分粗糙。本次设计全面的了解控制系统，并结合电子技术的发展现状，对电源整体了全新的设计，从硬件和软件两方面同时满足了设计要求。传统的电源工作简单、可靠性差、抗干扰能力弱、复杂性低且精度差，电位器也易磨损。如果需要获得准确的电流输出，难度就会增大。所以传统的电流源无法满足现在的需要，而以单片机为控制核心的电流源能很好地解决传统电流源的弱点。数控直流电流源通过控制键盘设定输出电流，输出的电流通过D/A转换芯片由单片机控制驱动模块，得到一个可靠而稳定的电流和相对应的电压。电流源的工作状态由LED液晶显示屏显示，并通过键盘来控制工作状态。以单片机电源为主控器的直流电流源相比于其他传统的电源，电流稳定性高，调节精确，操作简单性能可靠，工作寿命长等特点。并且在性能上变得了多功能化、智能化、数控化等特点。通过对数控电流源的研制设计，为电子技术的发展建立了坚实的基础[2]。1.3国内外研究现状在当前我国社会，1965年左右开始形成以电力电子技术为核心的电气产业。自此以后，电气产业发展迅速，一些电路硬件发展的越来越成熟，加上国内电子行业对数控恒流源与日俱增的需求。自上世纪九十年代以来，电力电子技术迅猛发展，分别经过了逆变器、变频器时代。产业界先后涌现了高频开关电源、变频器电源、高压直流电源等一系列具有高技术难度的产品。但与最一流的电子技术相比略势明显。目前政府和学校逐渐重视起对恒流电流源的开发应用，特别是在数控恒流源方面，正在积极的进行学术交流，努力追赶国际先进水平。但是由于我国在电子技术方面起步比较晚，所以产品无论是在质量上和技术水平上与学科前沿差距巨大，在直流电源的智能化、网络化方向的投入尤为不足[3]。目前国内的两所大学沿着这个方向已经做出了一些成果，结合编程器件和控制芯片，力求达到对控制电流和电压单元的控制，不过实验的结果不理想，没有达到预定的目标[4-5]。国内从事电子技术及其电源配件的企业有5600家以上，但在电子器件方面，大多企业调节电压时，采用的是旋钮开关。由于其精度差，跳变频繁，操作比较繁琐[6]。我国的智能化直流恒流源技术相对落后，与其他国家的产品相比不具有竞争力。为了迎合相关企业或部门对高效率、低成本以及低功耗的需求，电源转换器朝着更准确且灵活的方向发展[7]。功率运算放大器已经可以输出毫安级的恒流源量级，可以满足小型电动机的驱动需要，但还需要通过实验做进一步深入的研究[8]。在1980年前后单片机恒流源技术逐渐取得了较大的发展，在这一段时间里成系统的电力电子理论知识开始建立，为其后来的进一步发展储备了足够的理论知识。在以后的一段时间里，这项技术有了长足的发展，但其产品依旧存在着许多缺点[9]。考虑到市面上已有电源的不足，本设计所完成的直流恒流电源，需要减少运行过程中的不确定因素和人为因素的影响，能够处理系统中像可靠性，可塑性和工作效率等方面的问题[10]

。综上所述，恒流源技术的应用与发展是未来的大势所趋，恒流源技术的核心指标就是当前技术发展需要克服的问题。本设计将为您设计一种能够提供良好可靠性,高精度和易操作性的实用型单片机直流恒流源[11]。

第2章系统设计2.1设计方案的选择方案一：用各种数字电路处理信号，使用DAC0809和AD0832分别作为数模转换器和模数转换器。通过键盘的控制作用，调节电阻以改变电流，选用2SC5200作调整管。但是这个设计无法预置电流，且设计麻烦效率差，并不利于系统的进一步升级。方案二：以直流稳压和稳流电源作为设计中的核心，结合单片机系统来实现输出部分电流的控制。首先是采用单片式稳压器芯片来实现直流稳压，然后通过分立元件来实现最终的稳流目的。为了更好地完成设定预期的目标，设置输出值主要是通过数模转换芯片来完成，而其中的输出电流是经由运算放大器进行控制。此外，电流的采样通过模数转换芯片完成，通过控制核心处理和输入的值进行比较，所产生的误差通过数模转换芯片进行输出调整，以达到稳定输出电流的作用。方案三：以恒流的二极管或三极管为核心，以求实现题目要求。不过这种恒流源的电流范围非常小，通常只有几十毫安，不能完全满足需要。经过对比考虑，方案二更加简单可靠，并且扩展性好，可以实现设计的目的。2.2设计方案的总体框图综合方案二的构思，设计一种具有稳定电流且调整范围比较大的系统，设计框图如图1所示：LED显示LED显示控制按键单片机D/A转换A/D转换恒流源主电路负载图2.1系统原理图2.3实现恒流源的基本原理在一个电路中，导致他不稳定的因素是多方面的，比如说用电高峰期和日常用电的端电压不同；负载出现故障时与正常工作时也会引起不稳定；电源本身器件问题等[12]。考虑以上问题后本文设计的恒流源电路如图2.2所示：图2.2实现恒流的电路图原理：如上图中的设计，数模转换芯片输入的模拟信号是不稳定的，在电路上设计电容C3，利用它稳定的电压来稳定最初不稳定的输入信号。信号经过两个电位器接入元算放大器的0P07的“+”端。调整电位器的阻值就能调节运算放大器“+”端的电位。输出则通过达林顿管B管脚进入达林短管，通过电容C1过滤掉在管内形成的自激信号。达林顿管的放大效果可以满足对大电流的输出的需要[13]。另外，由公式（2-1）可知达林顿管B管脚上的电流远小于C管脚的电流，可以知道C管脚上的电流约等于E管脚上的电流。因此空已通过控制B管脚的电位来调整C管脚的电流。E管脚连接一个采样电阻并接地，同时把E管脚和运算放大器的“-”端连接，同理，在电路中接电容C2稳定输入反相输入端的信号。利用公式：和公式可知E管脚的电压。功率电阻上的电压会随着通过集电极和发射极电流的同时变大或缩小。当两个电极上的电流同时变大时，此时的功率电阻上的电压变化量（ΔU）为负值，B管脚上的电位随之变小，由公式（2-1）可知，集电极和发射极的电流都会随之降低。当两个电极上的电流同时变小时，此时的功率电阻上的电压变化量（ΔU）为正值，B管脚上的电位随之上升，那么集电极和发射极的电流都会随之升高。如果功率电阻上的电压变化量为零，依据公式，电路中的电流并不发生变化。通过上面的一系列调整就能实现稳定输出电流的目的。第3章系统的硬件设计3.1控制核心本系统以AT89C52单片机为控制核心。如下图3.1所示。控制核心是拥有8k字节的Flash闪速存储器的低压高性能微处理器，其中含有256×8bit的RAM，以及通用I/O口线32个和16位定时/计数器3个，另有外部中断结构和时钟电路。图3.1AT89C52单片机引脚图这一款单片机具备很多优点:(1)片内空闲调制节电模式：CPU已经进入了睡眠模式，而片内的外部装置依然处于激活状态。与此同时，片内所有特殊的功能寄存器的内容也将保持恒定，空闲模式也可由任何一个中断发出请求终止，复位后继续执行程序[14]。(2)断电状态下的掉电模式：在此状态下，内部的振荡器会暂时停止正常工作，需要先等到最后一条指令完全执行，在振荡器彻底终止断电前特殊的功能寄存器和片内RAM都会被断电终结。(3)硬件综合性能评定：这一款射频单片机，功耗低，抗干扰能力强，指令和外围都相对比较电路简单，硬件架构设计也很方便。此外，I/O口的程序操作简单，无任何一个方向上的寄存器，价格便宜，资料丰富且信息易于用户获得，程序的代码烧写简单。3.2数模转换部分3.2.1D/A转换芯片MAX532介绍转换器引脚图如图3.2所示：图3.2数模转换芯片引脚图转换芯片简介：1、12位的DAC电路。2、具有6MHz的告诉三线接口3、芯片非线性程度很低，小于±1/2LSB4、片上具有SPI、QSPI和MICROWIRE接口5、输出的电流范围是10mA6、内部上电时自动复位工作方式：MAX532内部有一个24位的移位寄存器，拥有高12位A通道和B通道的DAC数据各一个，还有二十四位的寄存器一个。当CS信号处于低电平状态时，将锁住SCLK的上升沿的数据；当CS处于高电平状态时，电路中的数据不能被读入。该端口控制器可以通过一个模拟串行端口输入三位的字节值将数据包发送到两个多进制通道12位数的DAC两个寄存器端口中的一个三位数字节的值。串行中的数据先被串行锁定然后到达了DACB的一个数据并行寄存器,然后再到达了DACA、MSB的并行数据寄存位置。例如,当片上单选时钟信号CS为一个阻抗低电平时,数据就可能会在一个片选时钟控制信号SLCK的阻抗上升状态沿被阻抗锁定读入;但又例如,当一个新的片选时钟信号CS为一个高电平时,数据不能被直接阻抗读入而得到它的DIN,同时只有DOUT为一个高电平阻抗的读入状态。SCLK的最高工作频率最多同时可以提高到6.25MHz。3.3模数转换部分3.3.1A/D转换芯片AD7715简介AD7715适合于低频数字测量技术应用的一种全局式数字模拟前端,可自动接受测量到从数字传感器中发送的一个低电平高频输入数字信号,并且还可以直接产生一个整或串行式的低频数字信号输出。它指的是一种利用Σ-Δ转换处理技术,可以轻松实现16位最优的高频无损失码处理。输入信号加在一个以模拟调制器为基础的可编程增益前端。该信号调制器的一个输出信号经片内一个数字信号滤波器直接进行信号处理。此数字滤波器的第一个陷波可通过片内控制寄存器进行编程，很容易调整和更新滤波器的信号截止和输出的刷新速度。芯片引脚图如图3.3所示：图3.3AD7715引脚图3.3.2模数转换电路的设计简介设置数模转换电路的目的是能够实现对输出端电流的即时测算，经过该电路的采样，操作者可以直接在显示模块上看到设定的电流和输出的电流，在稳流模块正常运行时，两者差值不大。如果出现特殊情况，操作者可直观的发现问题并及时解决问题。转换电路如图3.4所示：图3.4数转换电路原理图3.4按键控制模块3.4.1按键部分的设计键盘部分主要是由一台单片式主机p0口的高、低字节组合而成4×4矩阵型触控键盘。通过按键操作系统分别实现“0-9”，“确认”,“取消”,“+”,“-”等功能，并在重做过程中数字键的使用尤为频繁。图3.5按键控制电路图3.4.2按键部分的抖动处理键盘上的任何按键通常都可以直接使用触点式的或按键来启动的或开关。所以当一个按键已经被手按住或者已经释放不出去时，按键触点的高度弹性就可能会因而产生轻微震荡和轻度抖动。即当一个按键被压力按压放下时，触点就不会迅速、可靠地与按键受力器发生连接；但是当一个按键松弛和压力释放后，触点也通常并非一定会马上自动断开，而是通常需要触点经历很长很短一段时间的轻度振荡和轻微抖动后再稳定。震荡的持续时间根据电子按键所需要使用的电子材料不同，一般可以控制在5ms-10ms之间，图3.6是一条指该电子按键的按钮闭合和按键断开时间内电压值的变化以及波动率的曲线。图3.6按键闭合及断开时的电压波动图按键振荡可能会直接导致一台单片机把一次按键运算的操作辨认为多次运算，想保证CPU的一次闭合只能做一次按键的输入和信号进行处理，必须彻底地消除这一次抖动的影响。通常认为用于有效消除机械震荡和运动振幅变化影响的控制方法主要分为有控制硬件和驱动软件两种。在进行硬件抑制方面所需要采用的抑制措施主要有:在每个键抖动输入抑制端口上添加一个RS触发器或者由单稳态抑制电路器件组成的并去掉键抖动抑制电路。在这个测试软件上我们所能够采取的有效解决问题方法之一就是：在根据检测结果得到某一个非常有效的键被自动按了一下时，执行一个10Ms左右的闭合延时启动过程后，再次测试确认此个所有键的启动电压水平与其他键是否同时处于完全闭合启动状态。若仍有可能继续保持完全闭合的抖动状态或低电流水平，则我们可以直接确认此时刻的该开关键已经基本处于了完全闭合的抖动状态，从而彻底消除了对该键抖动的不良影响。3.5LED显示模块LED数码管是由多个发光二极管统一封装在一起组成的，总体构成“8”字型，引线在内部完成连接。这个“8”字实际上是由七个发光管组成的，外加一个小数点就是8个。该设计选用的显示驱动器占用的I/O端口少，节省了充分的端口的使用量。由于只需要显示开始时设定的输入值和输出的电流值，共8位，MAX7219显示驱动器刚好够用。通过端线和电源之间可调电阻就可以完成对LED显示模块的控制。显示模块设计如图3.7所示：DOUTDOUT24SEGD23SEGDP22SEGF21SEGC20V+19ISET18SEGG17SEGB16SEGF15SEGA14CLK13DIN1DIG02DIG43GND4DIG65DIG26DIG37DIG78GND9DIG510DIG111LOAD12U1MAX7219abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS1AMBERCCabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS5AMBERCCabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS6AMBERCCabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS2AMBERCCabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS3AMBERCCabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS7AMBERCCabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS4AMBERCCabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS8AMBERCCR1310k+5VP2.1P2.2P2.0图3.7显示模块的设计3.6设计震荡电路模块晶振电路：一个晶体振荡器电路能够等效地将其变成一个整流电容与一个整流导线或者一个引脚进行并联再将一个电容导线直接作为二极管端子或者网络引脚进行电路串联。这个谐振网络共同假设有两个不同谐振点，以不同频率的一个大小尺度来进行划分其中较低的谐振频率就是直接串联耦合谐振,较高的谐振频率则被广泛认为这就是直接并联耦合谐振，由于具有晶体自身的一些物理化学特性所以导致这两个谐振频率的之间距离可以相当的非常容易接近，在这个极窄的不同频率谐振区间距离范围内，晶振被等效为一个谐振电感。晶振有一个重要的参数，负载电容值选择与负载电容值相等的并联电容就可以得到晶振标称的谐振频率。晶振振荡电路通过在一个反相放大器的两端接入晶振，并将两个电容分别接到晶振的两端，而后将每个电容的另一端再接地，所获得的两个电容串联的容量值等于负载电容。另外，每个IC的引脚都有等效的电容输入。一般的晶振的负载电容为15pF或12.5pF，另外，两个22pF的电容构成晶振电路能很好的解决元件引脚的等效输入电容方面的问题。图3.8晶振电路如上图所示,晶振脉冲电路的主要功能和原理的作用主要原理之一就是为一个晶振单片机同时输出一个不同的工作频率信号的最高脉冲,一个12m晶振电路中一个单片机的最高脉冲在其工作频率也不过来说就是12m。对于每一台大型单片式主机来说，他们的系统运行速度范围都相对应该一定是有限的，否则它们就会运行不稳定。晶振电路部分如图3.8所示。在由晶振与采用单片机脚XTAl0和采用脚XTAl1构成的振荡电路中，会直接产生谐波，总体而言，谐波并没有对系统产生严重的影响，但是不可否认地也会一定程度上减少系统在同步工作时钟下振荡器的运行稳定性。鉴于考虑到陶瓷片电路稳定性等诸多问题,该系列产品官方提出的建议只要将两个晶振电路的两引脚上分别串联进行一个陶瓷片电容器的接地。以此用于在一定程度上减少和削弱晶振谐波的负面效应，所以在晶振电路中，只要使用的陶瓷片电容在其中处于10pf-50pf之间便可以投入使用。3.7复位电路设计模块(1)数控单片机一个复位控制电路的主要作用以及其功能:一个数控单片机的一个复位控制电路,也便是说它可以好比一台平板计算机的一个重启控制部分,当一台平板计算机在实际的工作和运行中突然间就会出现一个死机，重启后整个平台计算机内部的各个应用程序将有机会重新开始启动并得以继续执行。同理,当由于系统受到各种外界条件干扰等多种原因，系统正常运行中可能发生应用程序出现故障时，进行复位操作即可重置程序的运行。单片机的自动复位控制电路基本结构原理如下表见图3.9所示：图3.9复位电路(2)此次自动控制电路系统设计选择了由RC系列分立控制单片和微机控制元件连接组成的外部自动复位控制电路。单片机只是仅需要在第9引脚内部接个处于高电平下的持续电源Us就已经完全可以直接成功实现了按键复位，要不是想很好地直接实现这个操作过程，在一些单片机的操作系统中，系统按键上的下电会在启动的按键时候重新进行复位一次，当一个按键被上电关停时应该系统又次重新进行复位，如果被按键释放后再重新按下，系统还是可能会重新进行复位。因此我们通常可以用每个按键的自动切换式或断开与按键闭合方式来精确控制它们在正常程序运行的操作系统中。第4章系统的软件设计4.1系统软件流程图在工作系统内部开始自动加电后,主处理程序首先根据需要自动完成一个系统的自动初始化,其中主要初始化内容一般包括具有A/D、D/A、串行口、中断、定时/自动计数器等对整个工作系统状态的自动设定，给系统所有变量赋初始化值，显示上次的系统设定值等。然后再使用自动扫描的方法快速获取功能键值，判断相对应的设置功能键、校准设置键都被按下，执行一个程序相应的操作功能子程序。在系统开始工作后，根据所设定的期望结果结果按照图4.1执行相对应的调整[15-16]。开始开始系统初始化开中断扫描键盘有键按下设置处理步进+处理步进+处理理确认处理数字处理调用显示中断子程序步进-处理步进+处理理NY图4.1程序流程图4.2系统的程序设计内容4.2.1算法的选择和工作原理本系统中所采用的PID算法在现代机器人工业生产过程中是最为普遍使用的一种计算机控制模型。当今的各种自动化控制技术都主要是基于反馈的概念，反馈理论的基本要素主要包括三个组成部分：测量、实施及比较。测量所需要关心的变量，与预期值相对应进行比较，用这个误差来修改和调节监视器对系统进行响应[17-18]。PID算法的优点：PID算法包含了动态控制过程中过去、现在、将来的主要数据信息，而且它们的配置也是最优化。它是结合比例、微分、积值后能有效地消除静态差，改善体系的静态性质。此3种方式的作用相互配合得当，可以使动态化过程迅速、平稳、准确，得到良好的效果[19]。经典的PID单回路控制系统如图4.2所示：图4.2PID单回路控制表示PID调节器的微分方程为：（4-1）方程中u(t)代表PID的输入信号；e(t)代表输入部分的偏差控制信号，e(t)=r(t)-c(t)；Kp代表PID的百分比比例系数；Ti是指一个调节器在这里的积分时间；Td代表PID的一个微分时间。由于这种控制系统需要采样时间控制，它通常只能按照每次采样所有的需要控制时间的一个相差测量值进行计算并得出所有的需要采样控制的时间量。因此，在控制管理系统中，必须先将式(4-1)公式进行参数离散化。用一个单位数字或者有多种形式的一个差分代数方程来表示代替连续积分体系的一个微分方程[20]，此时的所有积分项和微分项都已经可以直接使用求和及其他各种增量式方程来进行表示：(4-2)（4-3）将(4-2)和(4-3)与(4-1)解惑，可计算出PID的离散表达式：（4-4）表达式中，Δt=T代表采样的周期，当T充分小时，就能保证系统的精度。e(n)括号中的n代表第n次采样的偏差；u(n)代表第n次采样时的调节器输出。（4-5）用式(4-4)减去式(4-5)，可以计算出：（4-6）表达式中和分别为积分系数和微分系数。由式(4-6)可知，要计算第n次输出值u(n)，只需知道中括号里面的部分内容即可，相较于(4-4)的内容更为简洁。在PID最初的控制计算式中，由于需要进行的一个输出是完全数目的，所以其输出内容可能会直接受到一个输出时位置数目的影响，这种情况下我们就需要对其中e（i）进行累加，这个过程不够稳定，容易引发故障。所以后来我们又设计出了一种用于增量式PID控制的控制算法。在增量型算法中仅输出一个控制测量值的增量Δu(k)。把式(4-5)和式(4-6)相减可得（4-7）（4-7）虽然改进很少，但有效的避免了累加的发生。考虑控制增量时只需考虑最近3次的采样值即可，优化了控制效果。此外，因为每次只输出对应工作单位的位置的变化量，减少了故障的影响。经过PID算法就可以控制模数转换芯片的运行。4.2.2键盘的中断子程序本次操作系统通过采用外部中断1来自动实现程序的实时扫描，使得程序及时地响应按钮的请求,不必考虑其他程序模块的运行。然后通过检测设定键、校准键都是否被按下,在检测得到所有键都被按下时，执行一个滞后的延时程序后,再次确认此键的电平与否保持在闭合状态。若仍能保持闭合的状态为高电平,则可以确认此时该键为闭合状态,从而减少了抖动的影响。根据设置值、校正等各种参数来计算相应输入的数码量,再对此结果进行闭环反馈和调整。图4.2为中断子程序流程图。键盘中断键盘中断中断返回保护现场消抖延时求取键号恢复现场有键按下NY图4.2中断子程序流程图4.2.3系统的总电路图电路图如图4.3所示：5P2.0P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16p3.7/RD17XTAL118XTAL219RST9VCC40P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732EA/VPP31PSEN29P1.78P1.67P1.56P1.45P1.34P1.23P1.12P1.01AT89S52ALE/PROG30GND20U1SW16+C110uFR1410kY111.0592MHzC322pFC222pFVCCC210ufC31ufC11ufQ1NPNTIP122U1OP07R171kR163.6k181kR191kR200.43Vo-15V+15V+15VSCLK1MCLKIN2MCLKOUT3REST5AIN+7AIN-8AVDD6AGND11REF+9REF-10CS4DOUT13DIN14DRDY12DGND16DVDD3159AD7715Vo6TRIM5GND4NR8VI2AD780R12100k1MHzC315pC215pC115p+5V+5V+5VVo6TRIM5GND4NR8VI2AD587VDD16DIN13VSS9REBA1VOUTA3AGNDA4CS14SCLK11LDAC15VREFA2MAX532C10.1uC30.1uC410uC210uR2110k+15V-15V+15VVCCP2.3P2.4P2.5D4D1D3D2R110kR210kR310kR410kS15S0S4S8S12S1S5S7S13S2S6S10S14S3S9S11+5V&DOUT24SEGD23SEGDP22SEGF21SEGC20V+19ISET18SEGG17SEGB16SEGF15SEGA14CLK13DIN1DIG02DIG43GND4DIG65DIG26DIG37DIG78GND9DIG510DIG111LOAD12U1MAX7219abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS1AMBERCCabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS5AMBERCCabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS6AMBERCCabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS2AMBERCCabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS3AMBERCCabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS7AMBERCCabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS4AMBERCCabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS8AMBERCCR1310k+5VVCCP0.7P0.6P0.5P0.4P0.0P0.1P0.2P0.3P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7R15200R510kR610kR710kR810kR910kR1010kR1110k+5V图4.3系统总电路图4.3系统的仿真本次仿真采用的是MATLAB软件进行的，该软件在数图像处理上和数值分析上非常实用。通过图4.2的单回路的反馈控制系统，每次仿真一百秒，利用PID公式多次实验得到稳定的输出波形。仿真如图4.4和图4.5所示：图4.4图4.5经过多次试验后，系统输出的波形区别很小，基本上波形如图4.6所示，成功达成目标。图4.6

第5章调试结果与分析5.1测试仪器的选择和测试方法用万用表、数字示波器测量输出端的电流，通过数字侧波器显示纹波电流。5.2调试过程与分析本文进行了系统的软件设计，AT89C52单片机为主要的控制核心,通过硬件仿真工具进行逐步的调试慢慢实现最终目标，在已经掌握了各个分部进行调试的方法和思路以后，加上已有的经验，下一次当我们碰到这一类的问题时也不会感到无从下手，处理起来也会更加富有条理。确定各单片集成电路所有电源排线都能正常运行，没有出现任何排线短路和诸如其他的排线断路等异常情况后立即自动接通所有电源，依次进行检测各个单片集成电路的所有输出输入电源和所有输入输出电压以确定这些器件是否能够满足要求，查看一下整个单片机的晶振元件是否已经存在着不能起振的情况，只有晶振能够正常发生起振，才能满足整个单片机正常进行工作需要。在进行最开始的硬件仿真时,系统的显示器会出现闪烁的情况，这就需要我们进行一定的调试。此时不需要多么复杂的操作，只要对数字管系统进行单独的调试即可。经过详细的检查之后，发现屏幕上所显示的延时时间过长，时间缩短后屏幕上的闪光便逐渐消失。整个调试期间输出值和系统显示电压有所不同，之后我们可以通过添加一个反馈电位器,细微地调整了一下反馈的电压，调整到了无穷接近所展示出来的电流。耐心在调试和维护软件的过程中十分必要，因为通常情况下想要成功需要多次编译才行。调试过程中遇到的每一个问题都需要认真的查明原因，许多简单的错误依然需要多次检查才能解决问题。大概是因为我个人的程序编写技术能力仍然存在着许多不足，部分程序运行起来显得并不是那么严谨和规范。在软件调试的整个过程中有一个棘手的问题对我的工作造成了非常大的困扰，各个子程序经过测试都没有发现任何问题，结果却与我实际预想的情况不符,经过认真地查找和询问老师后,发现了这主要的原因之一就是软件架构存在一个严重问题，程序经过了架构调整后，基本上实现了最终目的。通过这个设计中对子程序进行研究和设计调试的过程，使我清楚地认识到一个完整的程序并非是各个子程序的简单组合和相加，必须要弄清楚其结构，并且尽量减少在设计中使用一些复杂的语句，防止在设计中发生子程序数量过多，致使执行时间加长的情况。测试结果如表5.1所示：预设值（mA）100.00500.00700.001000.00输出值（mA）100.01500.03699.981000.01表5.1

第6章总结与展望6.1总结毕业设计课程就是对自己在大学生涯中各个阶段的所学专业和知识的一次具有综合能力的检验，直接培养了自己对问题的分析解决能力和自己在所学专业和方面的综合应用能力，通过“基于单片机直流恒流源的设计与实现”这个教学课题，通过对单片机PID算法的研究和使用，我对自己在专业中所学到的知识点也进行了一次总结和整合。当然了，由于自身知识储备和时间限制等问题，本系统依然在设计上存着许多细节性的问题，让人觉得不是很完善。比如说，系统中没有设计专门的保护电路，另外在软件设计方面还有待提高等等。或许还存在许多其他的问题还没有发现，希望老师予以指正。对于一个学生来说，自产生设计的念头开始，到验证自己的想法的可行性，再到进行设计并最后做出实物完成设计，每一步都需要解决很多问题，这个过程对我来说着实不算轻松，但是在完成设计的过程中我确实学会了许多新的东西，同时也对已学知识进行了查漏补缺，完成实物的那一刻内心充满了成就感。可以预见，本次实物的完成将对我之后的设计思路、方法和过程产生一定的影响。此外，在毕业设计的整个过程中我个人查阅资料和总结自己前人实践经验的能力也明显提高，这些可以说是我在完成毕业设计过程中的最大收获，毕竟受限于个人的知识储备和观念的局限性，认真查看已有的前车之鉴是非常有必要的。在收集和整理相关资料的同时,我的知识面也在不断扩大,知识揉合的能力也在不断提高,为以后的生活学习和实践积累了相当多的经验。通过本次对恒流源的设计，我充分了解了一个产品的设计过程的各个步骤和具体的实施过程。在我克服困难的同时，通过实践的锻炼，我自己的知识结构也在不断地完善,长期的坚持很大程度上锻炼我的执行力，树立了对自己的信心，我会把自信和坚持带到以后的工作学习中去。在本次毕业课程设计的组织实施过程中我十分衷心地感谢栗明教师对于我的悉心指导照顾与耐心教学及周围各位老师同学的一切热