【文章內(nèi)容簡介】 設定值的二進制數(shù)） TLC5615與反相器的連接圖。D/A變換輸出采用TLC5615與單片機連接設定值通過鍵盤輸入送往單片機，再通過D/A輸出電路產(chǎn)生基準電壓送往PI控制器與實際電壓相比較。，當片選CS為低電平時，輸入數(shù)據(jù)DIN由時鐘SCLK同步輸入或輸出，而且最高有效位在前，低有效位在后。輸入時SCLK的上升沿把串行輸入數(shù)據(jù)DIN移入內(nèi)部的16位移位寄存器，SCLK的下降沿輸出串行數(shù)據(jù)DOUT，片選CS的上升沿把數(shù)據(jù)傳送至DAC寄存器。 D/A轉(zhuǎn)換電路 TLC5615時序圖 采樣電路設計采用10位A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549系列具有串行控制、連續(xù)逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它采用兩個差分基準電壓高阻輸入和一個三態(tài)輸出構(gòu)成三線接口。TLC1549采用CMOS工藝。內(nèi)部具有自動采樣保持、可按比例量程校準轉(zhuǎn)換范圍、抗噪聲干擾功能， mV，因此可廣泛應用于模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換電路。TLC1549系列器件性能優(yōu)良、速度快、功耗低、精度高、可靠性好、接口簡便，實用價值高,同時與10位的TLC5615 DA輸出基準電壓精度相同，不會導致電路精度降低。采樣電路是檢測和測量環(huán)節(jié)的重要技術(shù)手段，為了讓負載準確工作在恒流方式下，設計中對被測電源的輸出電壓和MOS管的電流進行實時采樣。采樣A/D選用10位精度的TLC1549,它的精度比較高。采樣電路包括電壓采樣電路和電流采樣電路。從功率電路采集實際工作電壓和電流，反饋到單片機，再通過液晶顯示出來，實現(xiàn)自動循環(huán)的調(diào)節(jié)。 電流采樣電路電流采樣電路中，首先借助采樣電阻R17將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出送往A/D采樣TLC1549添加一個電壓跟隨器，不取到放大作用。，提高電路帶負載能力，取到緩沖、隔離作用。 （31），為錳銅采樣電阻，阻值較小，但可以承受大功率，采樣電阻分流對整個電路影響較小。采樣電阻R17流－電壓轉(zhuǎn)換元件(I/V converter)，落在R17上的電壓降通過PI調(diào)節(jié)器與基電壓（VERF）比較，控制MOS管的導通量變化與截止，從而達到保持電流恒定的目的。這種電阻適用于高功率及高電流的電源供應器，電路板的電路偵測，具有穩(wěn)定性佳，低溫度系數(shù)，散熱性好的特性。 電壓采樣電路電壓采樣電路中，由于電子負載的輸入電壓范圍比較寬，實際工作電壓較高，采樣前首先進行了分壓設計。，輸出送往A/D采樣TLC1549添加一個電壓跟隨器，沒有放大作用，輸出電壓與輸入電壓相同，提高了輸入阻抗，對電路進行緩沖，起到承上啟下的作用。同時取到隔離作用，減小了電磁干擾的影響，減小了強電流功率電路對控制電路的損害。,被試電源兩端的電壓U與電壓采樣點電壓Ub的關(guān)系為 （32）所以 （33） 電壓電流采樣電路。當突加輸入電壓Uin時，由于開始瞬間電容C相當于短路，反饋回路只有電阻R1，使輸出電壓Uex突跳到KPIUin。此后，隨著電容C被充電，開始體現(xiàn)積分作用，Uex不斷線性增長，直到達到輸出限幅值或運算放大器飽和。這樣，當單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用比例積分調(diào)節(jié)器后，在突加輸入偏差信號△Un的動態(tài)過程中，在輸出端Uct立即呈現(xiàn)Uct=KPI△Un，實現(xiàn)快速控制，發(fā)揮了比例控制的長處；在穩(wěn)態(tài)時，又和積分調(diào)節(jié)器一樣，又能發(fā)揮積分控制的作用，△Un=0，Uct保持在一個恒定值上，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。因此，比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點，揚長避短，互相補充。比例部分能夠迅速響應控制作用，積分控制則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。作為控制器，比例積分調(diào)節(jié)器兼顧了快速響應和消除靜差兩方面的要求。故PI調(diào)節(jié)器應用在電子負載的設計中，實現(xiàn)對MOS導通角的有效控制，具有積分作用的調(diào)節(jié)器，只要被調(diào)量即電子負載電路中的實測值與設定值之間有偏差，其輸出就會不停的變化。反復調(diào)節(jié)，消除穩(wěn)態(tài)誤差，實現(xiàn)無靜差的調(diào)節(jié)。 PI調(diào)節(jié)器的輸出特性PI調(diào)節(jié)器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差 （34）將偏差的比例（P）和積分（I）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，其控制規(guī)律為 （35）其中u(t)為PI控制器的輸出，e(t)為PI調(diào)節(jié)器的輸入，Kp為比例系數(shù)，TI為積分時間常數(shù)。（1）比例環(huán)節(jié)即時成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。通常隨著Kp值的加大，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量加大，系統(tǒng)響應速度加快，但是當Kp增加到一定程度，系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定。（2）積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之越強。通常在Kp不變的情況下，TI越大，即積分作用越弱，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量越小，系統(tǒng)的響應速度變慢。 本次電子負載設計，為了較快且更加精確的消除誤差。對于PI調(diào)節(jié)器， 所示的PI調(diào)節(jié)器，取R1R12=40K，R13=60K ,C= （36） TI=RC= （37）。 電源電路設計單片機電源設計包含3個方面的內(nèi)容:一是電源功耗，二是電源電壓，三是電源管理。電源電壓的設計主要針對系統(tǒng)需求的不同電壓進行的電源分配，在電子負載系統(tǒng)中。運放和其它元器件也可以工作在024V電壓下，A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片可以工作在5V電壓下。本電路設計中利用HCPL－78XX 、79XX系列的 3 端正穩(wěn)壓電路和具有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準電壓源TL431實現(xiàn)整個電源電路的設計。HCPL－ 78XX 系列為 3 端正穩(wěn)壓電路內(nèi)含過流、過熱和過載保護電路。帶散熱片時，輸出電流可達 1A。具有過熱保護。短路保護。輸出晶體管 SOA保護。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。 TL431符號 TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準電壓源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從Vref（）到36V范圍內(nèi)的任何值。，在很多應用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表、運放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。， 。將Cathode（負極）與Reference（參考端）連接起來，會得到VKA = Vref =， 。 電源電路。電源電路利用78XX系列集成穩(wěn)壓器的典型應用電路，利用串聯(lián)輸出不同的電壓，供電路各個部分工作。經(jīng)過220V交流電降壓后通過整流橋的作用，之后通過7812輸出+12V和通過7912輸出12V的直流電壓供給運放工作，再通過7805輸出+5V的直流電壓供給單片機A/D、D/A芯片工作。，作為D/A轉(zhuǎn)換的輸入基準電壓。CC1C14為濾波電容，CCCCC1C12為分別輸入端和輸出端濾波電容。第4章 軟件系統(tǒng)設計 PID調(diào)節(jié)原理僅用P動作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加I動作的 P+I控制。用 PI控制時，能消除由改變目標值和經(jīng)常的外來擾動等引起的偏差。但是，I動作過強時，對快速變化偏差響應遲緩。對有積分元件的負載系統(tǒng)可以單獨使用P動作控制。 對于PD控制，發(fā)生偏差時，很快產(chǎn)生比單獨D動作還要大的操作量，以此抑制偏差的增加。偏差小時，P動作的作用減小?？刂茖ο蠛蟹e分元件的負載場合，僅P動作控制，有時由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場合，為使P動作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用PD控制。換言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動作用的負載。利用I動作消除偏差作用和用D動作抑制振蕩作用。在結(jié)合P動作就構(gòu)成了PID控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用PID控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應需要一定時間的負載系統(tǒng)（即實時性要求不高，工業(yè)上的過程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合PID調(diào)節(jié)）效果比較好。PID調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律是 （41）或 （42）式中 ：調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)：調(diào)節(jié)器的積分時間：調(diào)節(jié)器的微分時間：比例帶，它是慣用增益的倒數(shù): 調(diào)節(jié)器的偏差信號：輸出PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是 （43）不難看出，由上式表示的調(diào)節(jié)器動作規(guī)律在物理上是不能實現(xiàn)的。工業(yè)上實際采用的PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)一般為 （44）其中；；式中帶（’）的量是調(diào)節(jié)器參數(shù)的實際值，不帶的為參數(shù)的刻度值。F成為相互干擾系數(shù)：為積分增益；為微分增益。 PID參數(shù)設置P增益：設定范圍：～這是操作量和偏差之間有比例關(guān)系的動作。增益取大時，響應快，但過大將產(chǎn)生振蕩。增益取小時，響應遲后。積分時間：設定范圍：～3600s， ：不動作。操作量（輸出頻率）的變化速度和偏差成比例關(guān)系的動作，即輸出按偏差積分的動作。積分時間大時，響應遲后，另外，對外部擾動的控制能力變差。積分時間小時，響應速度快，但過小將產(chǎn)生振蕩。實際中我們?nèi)?800s。微分時間：設定范圍：001～ ：不動作。操作量（輸出頻率）和偏差的微分值成比例動作（D動作）。微分時間大時，能使發(fā)生偏差時P動作引起的振蕩很快衰減。微分時間小時，發(fā)生偏差時的衰減作用小。我們關(guān)閉微分作用。 PID設定值的調(diào)整 PID值可以在用示波器監(jiān)視響應波形的同時進行調(diào)整。可作如下總體調(diào)整：(1) P增益，在不發(fā)生振蕩條件下增大其值；(2) I積分時間，在不發(fā)生主振蕩條件下減小其值；(3) D微分時間，在不發(fā)生振蕩條件下增大其值；(4) 對于抑制超調(diào)，可以增大積分時間，減小微分時間，；(5) 對于加快響應速度，如果允許有小量超調(diào)的話，可以減小積分時間，增大微分時間，；(6) 抑制比積分時間長的周期振蕩，增大積分時間，；(7) 抑制大約和微分時間同樣長周期的振蕩，減小微分時間。 軟件介紹本系統(tǒng)程序設計都是采用Keil開發(fā)軟件，C語言程序。C語言較方便，通俗易懂。而且本系統(tǒng)采用的是模塊化編程思路，使得程序更具有移植性和可讀性。 Keil IDE μVision2集成開發(fā)環(huán)境是Keil Software開發(fā)的基于80C51內(nèi)核的微型處理器軟件開發(fā)平臺，內(nèi)嵌多種符合當前工業(yè)標準的開發(fā)工具。可以完成從工程建立、管理、編譯和鏈接，目標代碼的生成，軟件仿真，硬件仿真等完整的開發(fā)流程。尤其C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準確性和效率方面達到了較高的水平，而且可以附加靈活的控制選項，在開發(fā)大型項目時非常理想。Keil軟件開發(fā)的流程：(1) 建立工程。(2) 為工程選擇目標器件。(3) 設置工程的配置參數(shù)。(4) 打開/建立程序文件。(5) 編譯和鏈接工程。(6) 糾正程序中的書寫和語法錯誤并重新編譯連接。(7) 對程序中某些純軟件的部分使用軟件仿真驗證。(8) 使用TKS硬件仿真器對應用程序進行硬件仿真。 主程序流程圖，、AD、LCD液晶顯示、控制變量初始化，再調(diào)用鍵盤掃描處理程序，在沒有按下自動調(diào)節(jié)啟動停止按鍵時，默認為功能設置，此時單片機只預置數(shù)據(jù)輸入、按鍵查詢、預置數(shù)據(jù)LCD顯示等功能；而當按下該按鍵1次后，單片機將轉(zhuǎn)為執(zhí)行負載調(diào)節(jié)、A/D采集、實際數(shù)據(jù)LCD顯示等功能。NY開始系統(tǒng)初始化按鍵掃描處理程序D/A轉(zhuǎn)換電壓電流采樣液晶顯示程序檢測電源是否完成結(jié)束 主程序流程圖 電壓電流采樣流程圖，先復位時序成功后，啟動A/D轉(zhuǎn)換口，再送十個時鐘信號進行串行采樣，當?shù)谑畟€時鐘信號下降沿到來時，判斷A/D轉(zhuǎn)化是否完成，若采樣完成，將模擬輸入量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，送往顯示，測出電壓值、實際電流值和功率值。TLC1549是串行轉(zhuǎn)化，同樣對時序有嚴格要求，復位時序成功后，即可進入采樣，采樣后在經(jīng)過處理。對于電流的檢測將電流轉(zhuǎn)化為電壓進行檢測，然后在TLC1549AD轉(zhuǎn)換過程中轉(zhuǎn)化回電流，最后送往液晶顯示出來。YN采樣子程序入口初始化A/D轉(zhuǎn)換通道啟動A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換是否完成數(shù)據(jù)處理顯示子程序返回 采樣程序流程圖 顯示子程序流程圖，液晶顯示采用的是Nokia 液晶屏，體積不大，當對其初始化及復位成功后就可調(diào)用相應的顯示子程序?qū)σ@示的內(nèi)容進行顯示。顯示的內(nèi)容可以采用取模軟件取出數(shù)組，將對應的點顯示出，最終組合顯示出需要的字體或數(shù)字。LCD控制程序遵循SPI傳輸協(xié)議。SPI是一個全雙工同步串行數(shù)據(jù)3線同步字節(jié)傳輸總線接口，加上片選共4線，是基于主/從工作模式的總線協(xié)議，有寫沖突保護和總線競爭保護，由Motorofa在其MC68HCXX系列中定義的標準接口。SPI中4線的功能如下:SCK信號線:由SPI總線上的主設備產(chǎn)生。它可以調(diào)整數(shù)據(jù)比特流，設備可在不同的波特率下傳輸數(shù)據(jù)。SCK根據(jù)傳輸?shù)拿恳晃粊硌h(huán)。MOSI信號線:數(shù)據(jù)從SPI總線的主設備輸出，然后從SPI的從設備輸入。MISO信號線:數(shù)據(jù)從SPI總線的從設備輸出，然后從SPI的主設備輸入。只有一個被選擇的從設備能驅(qū)動從MOSO輸出