【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 設(shè)定值的二進(jìn)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(jī)連接設(shè)定值通過(guò)鍵盤輸入送往單片機(jī)，再通過(guò)D/A輸出電路產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓送往PI控制器與實(shí)際電壓相比較。，當(dāng)片選CS為低電平時(shí)，輸入數(shù)據(jù)DIN由時(shí)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(shí)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(shí)序圖 采樣電路設(shè)計(jì)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(gè)差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入和一個(gè)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(dòng)采樣保持、可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍、抗噪聲干擾功能， mV，因此可廣泛應(yīng)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(jiǎn)便，實(shí)用價(jià)值高,同時(shí)與10位的TLC5615 DA輸出基準(zhǔn)電壓精度相同，不會(huì)導(dǎo)致電路精度降低。采樣電路是檢測(cè)和測(cè)量環(huán)節(jié)的重要技術(shù)手段，為了讓負(fù)載準(zhǔn)確工作在恒流方式下，設(shè)計(jì)中對(duì)被測(cè)電源的輸出電壓和MOS管的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)際工作電壓和電流，反饋到單片機(jī)，再通過(guò)液晶顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出送往A/D采樣TLC1549添加一個(gè)電壓跟隨器，不取到放大作用。，提高電路帶負(fù)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(duì)整個(gè)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(guò)PI調(diào)節(jié)器與基電壓（VERF）比較，控制MOS管的導(dǎo)通量變化與截止，從而達(dá)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(yīng)器，電路板的電路偵測(cè)，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(fù)載的輸入電壓范圍比較寬，實(shí)際工作電壓較高，采樣前首先進(jìn)行了分壓設(shè)計(jì)。，輸出送往A/D采樣TLC1549添加一個(gè)電壓跟隨器，沒(méi)有放大作用，輸出電壓與輸入電壓相同，提高了輸入阻抗，對(duì)電路進(jìn)行緩沖，起到承上啟下的作用。同時(shí)取到隔離作用，減小了電磁干擾的影響，減小了強(qiáng)電流功率電路對(duì)控制電路的損害。,被試電源兩端的電壓U與電壓采樣點(diǎn)電壓Ub的關(guān)系為 （32）所以 （33） 電壓電流采樣電路。當(dāng)突加輸入電壓Uin時(shí)，由于開(kāi)始瞬間電容C相當(dāng)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(kāi)始體現(xiàn)積分作用，Uex不斷線性增長(zhǎng)，直到達(dá)到輸出限幅值或運(yùn)算放大器飽和。這樣，當(dāng)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(hào)△Un的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，在輸出端Uct立即呈現(xiàn)Uct=KPI△Un，實(shí)現(xiàn)快速控制，發(fā)揮了比例控制的長(zhǎng)處；在穩(wěn)態(tài)時(shí)，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(gè)恒定值上，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)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(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，互相補(bǔ)充。比例部分能夠迅速響應(yīng)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(yīng)和消除靜差兩方面的要求。故PI調(diào)節(jié)器應(yīng)用在電子負(fù)載的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)MOS導(dǎo)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(fù)載電路中的實(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間有偏差，其輸出就會(huì)不停的變化。反復(fù)調(diào)節(jié)，消除穩(wěn)態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)無(wú)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(shí)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(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)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(shí)間常數(shù)。（1）比例環(huán)節(jié)即時(shí)成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)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(yīng)速度加快，但是當(dāng)Kp增加到一定程度，系統(tǒng)會(huì)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(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。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(yīng)速度變慢。 本次電子負(fù)載設(shè)計(jì)，為了較快且更加精確的消除誤差。對(duì)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(shè)計(jì)單片機(jī)電源設(shè)計(jì)包含3個(gè)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(shè)計(jì)主要針對(duì)系統(tǒng)需求的不同電壓進(jìn)行的電源分配，在電子負(fù)載系統(tǒng)中。運(yùn)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(shè)計(jì)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(zhǔn)電壓源TL431實(shí)現(xiàn)整個(gè)電源電路的設(shè)計(jì)。HCPL－ 78XX 系列為 3 端正穩(wěn)壓電路內(nèi)含過(guò)流、過(guò)熱和過(guò)載保護(hù)電路。帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá) 1A。具有過(guò)熱保護(hù)。短路保護(hù)。輸出晶體管 SOA保護(hù)。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(hào) TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（）到36V范圍內(nèi)的任何值。，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表、運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開(kāi)關(guān)電源等等。， 。將Cathode（負(fù)極）與Reference（參考端）連接起來(lái)，會(huì)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(yīng)用電路，利用串聯(lián)輸出不同的電壓，供電路各個(gè)部分工作。經(jīng)過(guò)220V交流電降壓后通過(guò)整流橋的作用，之后通過(guò)7812輸出+12V和通過(guò)7912輸出12V的直流電壓供給運(yùn)放工作，再通過(guò)7805輸出+5V的直流電壓供給單片機(jī)A/D、D/A芯片工作。，作為D/A轉(zhuǎn)換的輸入基準(zhǔn)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(shè)計(jì) PID調(diào)節(jié)原理僅用P動(dòng)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(dòng)作的 P+I控制。用 PI控制時(shí)，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來(lái)擾動(dòng)等引起的偏差。但是，I動(dòng)作過(guò)強(qiáng)時(shí)，對(duì)快速變化偏差響應(yīng)遲緩。對(duì)有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)可以單獨(dú)使用P動(dòng)作控制。 對(duì)于PD控制，發(fā)生偏差時(shí)，很快產(chǎn)生比單獨(dú)D動(dòng)作還要大的操作量，以此抑制偏差的增加。偏差小時(shí)，P動(dòng)作的作用減小?？刂茖?duì)象含有積分元件的負(fù)載場(chǎng)合，僅P動(dòng)作控制，有時(shí)由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場(chǎng)合，為使P動(dòng)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(guò)程本身沒(méi)有制動(dòng)作用的負(fù)載。利用I動(dòng)作消除偏差作用和用D動(dòng)作抑制振蕩作用。在結(jié)合P動(dòng)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(wú)偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過(guò)程。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時(shí)間的負(fù)載系統(tǒng)（即實(shí)時(shí)性要求不高，工業(yè)上的過(guò)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(dòng)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(shí)間：調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間：比例帶，它是慣用增益的倒數(shù): 調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)：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(dòng)作規(guī)律在物理上是不能實(shí)現(xiàn)的。工業(yè)上實(shí)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(shí)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(shè)置P增益：設(shè)定范圍：～這是操作量和偏差之間有比例關(guān)系的動(dòng)作。增益取大時(shí)，響應(yīng)快，但過(guò)大將產(chǎn)生振蕩。增益取小時(shí)，響應(yīng)遲后。積分時(shí)間：設(shè)定范圍：～3600s， ：不動(dòng)作。操作量（輸出頻率）的變化速度和偏差成比例關(guān)系的動(dòng)作，即輸出按偏差積分的動(dòng)作。積分時(shí)間大時(shí)，響應(yīng)遲后，另外，對(duì)外部擾動(dòng)的控制能力變差。積分時(shí)間小時(shí)，響應(yīng)速度快，但過(guò)小將產(chǎn)生振蕩。實(shí)際中我們?nèi)?800s。微分時(shí)間：設(shè)定范圍：001～ ：不動(dòng)作。操作量（輸出頻率）和偏差的微分值成比例動(dòng)作（D動(dòng)作）。微分時(shí)間大時(shí)，能使發(fā)生偏差時(shí)P動(dòng)作引起的振蕩很快衰減。微分時(shí)間小時(shí)，發(fā)生偏差時(shí)的衰減作用小。我們關(guān)閉微分作用。 PID設(shè)定值的調(diào)整 PID值可以在用示波器監(jiān)視響應(yīng)波形的同時(shí)進(jìn)行調(diào)整?？勺魅缦驴傮w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(shí)間，在不發(fā)生主振蕩條件下減小其值；(3) D微分時(shí)間，在不發(fā)生振蕩條件下增大其值；(4) 對(duì)于抑制超調(diào)，可以增大積分時(shí)間，減小微分時(shí)間，；(5) 對(duì)于加快響應(yīng)速度，如果允許有小量超調(diào)的話，可以減小積分時(shí)間，增大微分時(shí)間，；(6) 抑制比積分時(shí)間長(zhǎng)的周期振蕩，增大積分時(shí)間，；(7) 抑制大約和微分時(shí)間同樣長(zhǎng)周期的振蕩，減小微分時(shí)間。 軟件介紹本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)都是采用Keil開(kāi)發(fā)軟件，C語(yǔ)言程序。C語(yǔ)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(kāi)發(fā)環(huán)境是Keil Software開(kāi)發(fā)的基于80C51內(nèi)核的微型處理器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，內(nèi)嵌多種符合當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)工具。可以完成從工程建立、管理、編譯和鏈接，目標(biāo)代碼的生成，軟件仿真，硬件仿真等完整的開(kāi)發(fā)流程。尤其C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準(zhǔn)確性和效率方面達(dá)到了較高的水平，而且可以附加靈活的控制選項(xiàng)，在開(kāi)發(fā)大型項(xiàng)目時(shí)非常理想。Keil軟件開(kāi)發(fā)的流程：(1) 建立工程。(2) 為工程選擇目標(biāo)器件。(3) 設(shè)置工程的配置參數(shù)。(4) 打開(kāi)/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(yǔ)法錯(cuò)誤并重新編譯連接。(7) 對(duì)程序中某些純軟件的部分使用軟件仿真驗(yàn)證。(8) 使用TKS硬件仿真器對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)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(méi)有按下自動(dòng)調(diào)節(jié)啟動(dòng)停止按鍵時(shí)，默認(rèn)為功能設(shè)置，此時(shí)單片機(jī)只預(yù)置數(shù)據(jù)輸入、按鍵查詢、預(yù)置數(shù)據(jù)LCD顯示等功能；而當(dāng)按下該按鍵1次后，單片機(jī)將轉(zhuǎn)為執(zhí)行負(fù)載調(diào)節(jié)、A/D采集、實(shí)際數(shù)據(jù)LCD顯示等功能。NY開(kāi)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(cè)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(fù)位時(shí)序成功后，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換口，再送十個(gè)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行串行采樣，當(dāng)?shù)谑畟€(gè)時(shí)鐘信號(hào)下降沿到來(lái)時(shí)，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(cè)出電壓值、實(shí)際電流值和功率值。TLC1549是串行轉(zhuǎn)化，同樣對(duì)時(shí)序有嚴(yán)格要求，復(fù)位時(shí)序成功后，即可進(jìn)入采樣，采樣后在經(jīng)過(guò)處理。對(duì)于電流的檢測(cè)將電流轉(zhuǎn)化為電壓進(jìn)行檢測(cè)，然后在TLC1549AD轉(zhuǎn)換過(guò)程中轉(zhuǎn)化回電流，最后送往液晶顯示出來(lái)。YN采樣子程序入口初始化A/D轉(zhuǎn)換通道啟動(dòng)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(dāng)對(duì)其初始化及復(fù)位成功后就可調(diào)用相應(yīng)的顯示子程序?qū)σ@示的內(nèi)容進(jìn)行顯示。顯示的內(nèi)容可以采用取模軟件取出數(shù)組，將對(duì)應(yīng)的點(diǎn)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(gè)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(hù)和總線競(jìng)爭(zhēng)保護(hù)，由Motorofa在其MC68HCXX系列中定義的標(biāo)準(zhǔn)接口。SPI中4線的功能如下:SCK信號(hào)線:由SPI總線上的主設(shè)備產(chǎn)生。它可以調(diào)整數(shù)據(jù)比特流，設(shè)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?lái)循環(huán)。MOSI信號(hào)線:數(shù)據(jù)從SPI總線的主設(shè)備輸出，然后從SPI的從設(shè)備輸入。MISO信號(hào)線:數(shù)據(jù)從SPI總線的從設(shè)備輸出，然后從SPI的主設(shè)備輸入。只有一個(gè)被選擇的從設(shè)備能驅(qū)動(dòng)從MOSO輸出