【導(dǎo)讀】用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高精度的，電流輸出范圍為20mA～2020mA的數(shù)控直流電流源。該電流源具有電流可預(yù)置，50mA步進(jìn)。本系統(tǒng)采用單閉環(huán)負(fù)反饋PID算法控制，縮短上升時(shí)間，減小超調(diào)量，減小了輸出電流的偏差。系統(tǒng)采用中文LCD提供顯示支持，可同時(shí)顯。示設(shè)定值，實(shí)際值以及其他相關(guān)信息。我們自行設(shè)計(jì)了?15V、+12V和5V電源為系

　　

【正文】 的轉(zhuǎn)換，既符合 RS232 的技術(shù)，又可實(shí)現(xiàn) +5V 單電源供電，所以 MAX收發(fā)器電路給短距離串行通信帶來極大的方便。 35 單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通訊口，所以單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間可以方便地進(jìn)行串口通訊。進(jìn)行串行通訊時(shí)要滿足一定的條件，計(jì)算機(jī)的串口是 RS232 電平的，而單片機(jī)的串口是 TTL 電平的，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，采用專用芯片MAX232 進(jìn)行轉(zhuǎn)換，雖然也可以用幾個(gè)三極管進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，但是還是用專用芯片更簡單可靠。采用三線制連接串口，也就是說和計(jì)算機(jī)的 9針串口只連接其中的 3根線：第 5 腳的 GND、第 2 腳的 RXD、第 3 腳的 TXD。電路如圖 所示， MAX232的第 11腳和單片機(jī)的 11 腳連接，第 12腳和單片機(jī)的 10腳連接 ，第 15腳和單片機(jī)的 20腳連接。 濾波扼流電路的設(shè)計(jì) 圖 輸出扼流圈電路 1） 輸出扼流圈的電感值設(shè)計(jì) 計(jì)算流入輸出扼流圈電流 ? ?2 m in m a xfoU U UI L???? L為輸出扼流圈的電感（ μH ）； I? 為輸出電流的 10%～ 30%。則有 ? ?0 .2 1 0 0 .2 2OI I A? ? ? ? ? ? 電感 L值為： ? ? ? ? ? ?2 m i n m a xm a x 3 8 . 6 1 5 . 5 0 . 5 2 . 1 1 1 . 8 62f onU U U oL t HI ??? ??? ? ? ? ?? 36 由此可見，需要 ， 10A的扼流圈。 2） 輸出濾波電容的確定 輸出電容器的選定取決于輸出脈動(dòng)電壓控制在多少毫伏。輸出脈動(dòng)電壓 fU? 雖要根據(jù) I? 和輸出電容器的等效串聯(lián)電阻 SER 確定，但一般規(guī)定為輸出電壓的 %～%范圍。 ? ? ? ? ? ? ~ ~ 15 45 ~ 75100 100OUU m V??? ? ? ? 又因 SERIU ???? 根據(jù) 上式 得 : ? ?4 5 ~ 7 5 2 2 . 5 ~ 3 7 . 52fSE LURmI?? ? ? ?? 就是在 200HKz 范圍內(nèi)，需要 SER 值在 ?m 以下電容器的。所以可以選擇20V， 8200 H? ，則 SER 為 31 ?m ,容許脈動(dòng)電流為 . 流向電容器的紋波電流為 ? ?2 82 3 2 3LCfm s IIA???? 說明該電容器合適。 3） 濾波器電阻設(shè)計(jì) 要想不是輸出扼流圈的電流中斷而直接使用時(shí)，可以假設(shè)電阻值為 dR ? ?2 2 1 5 152Od LUR I? ?? ? ? ?? 則假設(shè)電阻 dR 電耗為 rdW ? ? ? ?2 215 1515orddUWWR? ? ? 37 本章小結(jié) 本章介紹了數(shù)字恒流電源系統(tǒng)的 單片機(jī)控制電路、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、DC/DC 轉(zhuǎn)換電路、 D/A 轉(zhuǎn)換電 路、采樣電路、放大電路、鍵盤控制液晶顯示電路和接口及保護(hù) 等模塊 及其電路 組成 。 38 第四章 軟件程序設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)采用 C 語言 ,對 ATmega16L 進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)各種功能。軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換器的控制。軟件實(shí)現(xiàn)的功能是： 1） 確定電流步進(jìn)調(diào)整 2） 電流給定值的設(shè)置 3） 測量輸出電流值 4） 控制片內(nèi) AD 工作 5） 控制 DAC 工作 6） 對反饋回單片機(jī)的電流值進(jìn)行補(bǔ)償處理 7） 驅(qū)動(dòng)液晶顯示器顯示電流設(shè)置值與測量值 8） 讀取鍵盤數(shù)值 根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際要求 ， 軟件設(shè)計(jì)可分為 若干 功能模塊 分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。 主程序模塊 主程序負(fù)責(zé)與各子程序模塊的接口和檢查鍵盤功能號。 閉環(huán)比較子程序模塊 過調(diào)用閉環(huán)比較子程序得出實(shí)際值與設(shè)定值的差值，如果是實(shí)際值大于設(shè)定值則將原來的Ｄ /Ａ的入口數(shù)值減去這個(gè)差值再送去 D/A 轉(zhuǎn)換，如果是實(shí)際值小于設(shè) 定值則把原來的Ｄ /Ａ的入口數(shù)值加上這個(gè)差值再送去轉(zhuǎn)換。如果輸出值與設(shè)定值仍然不一致，再將差值和設(shè)定值相加送 D/A轉(zhuǎn)換，以逐步逼近的形式使實(shí)際值和 設(shè)定值相一致后通過 LED 把穩(wěn)定的實(shí)際值顯示出來。而逐步逼近過程中的 實(shí)際值不 39 送顯示因此減少了實(shí)際顯示值的不穩(wěn)定。這也是結(jié)構(gòu)化程序的要點(diǎn)（合理設(shè)置程序 的順序結(jié)構(gòu)）。 開 始初 始 化調(diào) 用 閉 環(huán) 比 較 函 數(shù)D / A 子 函 數(shù)A / D 子 程 序滿 載 或 空 載啟 動(dòng) 報(bào) 警 標(biāo) 志 置 位讀 取 鍵 位是 否 設(shè) 置是 “ + ” 劍是 “ ” 劍調(diào) 用 電 流 設(shè) 定 子 程 序調(diào) 用 電 流 加 1 子 程 序調(diào) 用 電 流 劍 1 子NNYNNYYY 40 圖 主程序流程圖 保 護(hù) 現(xiàn) 場返 回實(shí) 際 值 設(shè) 定小 于 0置 負(fù) 標(biāo) 志 位 并 求 其補(bǔ) 碼差 值 大 于 4負(fù) 標(biāo) 志 位 為 1雙 字 節(jié) 二 進(jìn) 制 數(shù) 轉(zhuǎn)換 為 B C D 碼調(diào) 用 拆 字 程 序 D / A 入 口 數(shù) + 差 值把 結(jié) 果 裝 入 D / A入 口 地 址將 實(shí) 際 值 裝 入顯 示 暫 存恢 復(fù) 現(xiàn) 場D / A 入 口 數(shù) 差 值NYNYNY 41 圖 閉環(huán)比較子程序流程圖 電流設(shè)置子程序模塊 通過鍵盤設(shè)置電流的大小，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)最大輸出電流是 2020mＡ，所以該子程序兼有電流設(shè)置合法性，也就是說設(shè)置電流不能大于 2020mＡ。 取 鍵 值電 流 千 位 ＝ ０刷 新 顯 示 緩 沖 區(qū)顯 示 暫 存 指 針 加 １清 空 鍵 值 緩 存循 環(huán) 次 數(shù) 減 １循 環(huán) 次 數(shù) ＝ ０恢 復(fù) 現(xiàn) 場返 回保 護(hù) 現(xiàn) 場設(shè) 置 電 流 千 位 位鍵 值 大 于 2鍵 值 等 于 2鍵 值 小 于 １ ０NYN YNYNYN 42 圖 電流設(shè)置子程序流程圖 鍵盤中斷子程序模塊 本系統(tǒng)采用外部中斷 1來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)掃描，使程序及時(shí)響應(yīng)按鍵請求而無需顧慮其它程序模塊運(yùn)行情況。 保 護(hù) 現(xiàn) 場消 抖 延 時(shí)讀 取 鍵 值有 鍵 按 下恢 復(fù) 現(xiàn) 場ＮＹ鍵 盤 中 斷中 斷 返 回 圖 鍵盤中斷子程序 流程圖 顯示中斷子程序模塊 本系統(tǒng)采用定時(shí)中斷 0來實(shí)現(xiàn)逐位動(dòng)態(tài)顯示，每位顯示間隔固定為 2ms，使 LED輸示非常穩(wěn)定，無法考慮定時(shí)刷新顯示，使得該顯示子程序簡單靈活，適用性廣。 43 顯 示 中 斷保 護(hù) 現(xiàn) 場送 顯 示顯 示 暫 存 指 針 加 １清 空 顯 示 指 針顯 示 完 八 位恢 復(fù) 現(xiàn) 場中 斷 返 回ＮＹ 圖 顯示中斷子程序 流程圖 PWM 調(diào)制子程序模塊 由圖可知，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的閉環(huán)系統(tǒng)。由于 PWM 初始匹配值設(shè)置的大小不同，電流值在開始時(shí)可能會(huì)跟設(shè)定值有較大偏差。隨著閉環(huán)系統(tǒng)的自我調(diào)整，逐漸使輸出穩(wěn)定在設(shè)定值上下。系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間以及穩(wěn)定后電流值波動(dòng)的幅度，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求由軟件來調(diào)整。 本章小結(jié) 本章介紹了數(shù)字式恒流電源的軟件部分設(shè)計(jì)思路、方法和具體步驟，包括 PWM 44 信號的產(chǎn)生與調(diào)制、 A／ D 轉(zhuǎn)換采樣的軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字 PID 算法理在 PWM 信號調(diào)制中的應(yīng)用，同時(shí)還給出了各個(gè)程序模 塊的程序流程圖。 初 始 化顯 示 設(shè) 定 值是 否 有 鍵 按 下 ？按 鍵 結(jié) 束產(chǎn) 生 Ｐ Ｗ Ｍ 波 匹 配 值輸 出 Ｐ Ｗ Ｍ 波Ａ Ｄ 采 樣顯 示 實(shí) 際 輸 出 值輸 出 值 與 設(shè) 定 值是 否 相 等 ？產(chǎn) 生 新 的 Ｐ Ｗ Ｍ匹 配 值ＹＮＹＹＮＮ 圖 PWM調(diào)制 子程序 流程圖 45 總 結(jié) 本文在了解數(shù)字電源的相關(guān)概念和理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于 AVR 的數(shù)字恒流電源，理論上分析了數(shù)字 PWM 的調(diào)制方法，硬件系統(tǒng)則借鑒了低壓大電流多相 Buck 型 DC／ DC 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，軟件部分討論并分析了數(shù)字 PID 控制算法在開關(guān)電源中的實(shí)際應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)了電流恒流控制器系統(tǒng)的基本功能。全文主要工作包括以下幾個(gè)方面： (1)研究了開關(guān)電源中的數(shù)字 PWM 的各種調(diào)制方式，對比了 數(shù)字和模擬實(shí)現(xiàn)方式的特性異同點(diǎn)，為后文中實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源數(shù)字控制提供了理論依據(jù)。 (2)詳細(xì)討論了 DC／ DC 變換器硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、方法和結(jié)論等，包括開關(guān)電源拓?fù)浞治?，功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)， AVR 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，反饋回路設(shè)計(jì)等內(nèi)容，完成了系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 (3)研究了數(shù)字 PID 控制算法的原理分析、公式推導(dǎo)、參數(shù)整定和軟件實(shí)現(xiàn)的流程方法。 本系統(tǒng)的研制主要應(yīng)用到了電力電子技術(shù)、電路原理、傳感器與檢測技術(shù)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、 AVR 單片機(jī)技術(shù)、 C 語言、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等知識和技能，所設(shè)計(jì)的基于單片 機(jī)程序控制的數(shù)控恒流源，達(dá)到了題目要求。進(jìn)一步熟悉了設(shè)計(jì)所需要具有計(jì)算機(jī)和單片計(jì)算機(jī)軟硬件開發(fā)條件的環(huán)境。 46 致 謝 四年的學(xué)習(xí)生涯，對于我來說，是一段充實(shí)而又難忘的時(shí)光。這期間，既有經(jīng)歷挫折失敗的困惑，也有許多成功的喜悅。我的論文能夠順利完成，離不開老師們辛勤的指導(dǎo)、同學(xué)熱情的幫助以及父母的支持和理解。在此，謹(jǐn)向他們表示最誠摯的感謝 ! 首先感謝我的導(dǎo)師。對導(dǎo)師給予的學(xué)術(shù)上的指導(dǎo)、做人治學(xué)思想上的教育、生活上的關(guān)心和幫助致以最衷心的謝意 !薛老師淵博的知識和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度給我留下了深刻的 印象，開闊了我的視野，豐富了我的專業(yè)領(lǐng)域知識。導(dǎo)師對科學(xué)真理孜孜不倦的追求，腳踏實(shí)地、一絲不茍、精益求精的治學(xué)態(tài)度，以及在課題組中營造的寬松、自由、民主的學(xué)術(shù)風(fēng)氣使我終身受益。在此，即將離開母校，對所有給我殷勤教育的老師們致予謝意，對于你們的教導(dǎo)，將使我終身難忘，祝你們身體健康，萬事如意。 其次要感謝我身邊給予我?guī)椭凸膭?lì)的同學(xué)，在我的實(shí)習(xí)中，不斷地給我技術(shù)上的參考以及就業(yè)信息的提供，豐富了我的生活，給我的畢業(yè)去向開辟了更多的方向和選擇。同時(shí)還要感謝我的父母，對于我的學(xué)習(xí)和生活，他們給我了最大的支持，望子成 龍是每個(gè)父母的心愿，為此他們操了一輩子的心而不途回報(bào)，在此我要衷心地謝謝他們。 在設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)過程中，遇到不少困難，因?yàn)槊總€(gè)人單獨(dú)的課題，內(nèi)容也是我們不很熟悉的，需要靠自己四年積累的知識和自己形成解決問題思路來深入學(xué)習(xí)新的課題。 盡管這樣，我還是不得不承認(rèn)自己所學(xué)、能用的知識太少，因此作出的文章有很大的局限性，不專業(yè)或是過多引用別人的理論，在這里需要特別強(qiáng)調(diào)。希望老師給予批評和指正，在這里我將虛心接受老師的教誨。 47 參 考 文 獻(xiàn) [1] 張德江 .計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) .機(jī)械工業(yè)出版社 .2020 [2] 潘新民 .微型機(jī)過程控制接口技術(shù) .華中理工大學(xué)出版社 .1996 [3] 莫正康 .半導(dǎo)體變流技術(shù) .機(jī)械工業(yè)出版社 [4] 劉金錕 .先進(jìn) PID 控制 MATLAB 仿真 (第 2 版 ).北京 :電子工業(yè)出版社 .2020 [5] 夏德鈐，翁貽方 .自動(dòng)控制理論（第二版） .機(jī)械工業(yè)出版社 .2020 [6] 張思雨 .預(yù)測控制算法和 P ID 控制算法 .燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 .2020 [7] 劉紹鼎，樊立萍，姜長洪 .基于模糊規(guī)則參數(shù)自整定 PID 控制器的設(shè)計(jì) .沈陽化工院 .2020 [8] 高東杰，譚杰，林紅權(quán) .應(yīng)用先進(jìn)控制技 術(shù) .北京 :國防工業(yè)出版社 .2020 [9] 張建民，王濤 .智能控制原理及應(yīng)用 .北京 :冶金工業(yè)出版社 .2020 [10] 陶永華，尹怡欣，葛蘆生 .新型 PID 控制及其應(yīng)用 .北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 .1998 [11] 朱麗莉 .C 語言程序設(shè)計(jì) .吉林大學(xué)出版社 [12] 沈煒 .Visual Basic 編程 從基礎(chǔ)到實(shí)踐 .電子工業(yè)出版社 [13] 周雪琴 .計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) .西北工業(yè)大學(xué)出版社 .1998 [14] 李惠光 .微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) .機(jī)械工業(yè)出版社 .2020 [15] 凌澄 .PC 總線工業(yè)控制系統(tǒng)精粹 .清華大學(xué)出 版社 [16] 王建校 .電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐 .高等教育出版社 .20