【導讀】恒流源,是一種能夠向負載提供恒定電流的電源。恒流源的應用范圍非常廣泛,并且。在許多情況下是必不可少的。本文設計了一種基于單片機控制的數控直流恒流源。A/D芯片AD7715，完成了單片機對輸出電流的實時檢測和實時控制。鍵盤及LED數碼管顯示器，控制界面直觀、簡潔，具有良好的人機交互性能。設計上采用增量式PID控制算法，即數字控制器的輸出只是控制量的增量。特點，可以應用于需要高穩(wěn)定度的小功率恒流源的領域。

　　

【正文】 將式 (42)和式 (43)代入式 (41)，可得離散的 PID 表達式： 0( ) ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ]P IDni oTTu n K e n e i e n e n u?????????? ? ? ? ? ?? （ 44） 式中， Δt=T—采樣周期，必須使 T 足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度； 圖 41 PID 單回路控制系統(tǒng) 蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)論文 27 e(n)—第 n 次采樣時的偏差值； e(n1)—第 (n1)次采樣時的偏差值； n—采樣序號， n=0,1， 2… ； u(n)—第 n 次采樣時調節(jié)器輸出。 式中的第一項起比例控制作用，稱為比例 (P)項，即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。 第二項起積分控制作用，稱為積分 (I)項，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時間常數 T， T 越大，積分作用越弱，反之則越強。 第三項起微分控制作用，稱為微分 (D)項，能反映偏差信號的變化趨勢 (變化速率 )，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間。 U0 是偏差為零時的初值。 這三種作用可單獨使用 (微分作用一般不單獨使用 )或合并使用，常用的組合有： P控制、 PI 控制、 PD 控制和 PID 控制。 由式 (44)可以看出，要想計算 u(n)，不僅需要本次與上次的偏差信號 e(n)和 e(n1)，而且還要在積分項把歷次的 偏差信號 e(i)進行相加，即 ∑e(i)。這樣，不僅計算繁瑣，而且還要為保存 e(i)占用很多的內存。因此，用式 (44)直接進行控制很不方便。為此我們做如下改動。 根據遞推原理，可寫出 (n1)次的 PID 輸出表達式： ? ?!!!11( 1 ) ( ) ( 1 ) ( 2 )( 1 )nr n rDP I nTTe n e i e n e nu n K ???? ???? ?? ??????? ? ? ? ? ??? ? （ 45） 用式 (44)減去式 (45)，可得 ( ) ( 1 ) ( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2 )( ) ( 1 ) DP e n e n n e n K e n e n e nu n u n K ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? （ 46） 式中， IPITKKT? 為積分系數； DD PTKKT? 為微分系數。 由式 (46)可知，要計算第 n 次輸出值 u(n)，只需知道 u(n1),e(n),e(n1),e(n2)即可，比用式 (44)要簡單得多。 由于 PID 控制最初用在閥門和電機控制中，而式 (44)的輸出值與閥門開度的位置一一對應，因此，通常把式 (44)稱為位置 PID 的位置控制式。在這種控制算式中，由于是蘭州工業(yè)高等專科學校畢業(yè)論文 28 全量輸出，所以每次輸出均與原來位置量有關，為此，這不僅需要對 e(i)進行累加，而且計算機的任何故障都 會引起 u(n)大幅度變化，對生產不利。由此產生了增量式 PID 控制的控制算法。 所謂增量式 PID 是指數字控制器的輸出只是控制量的增量 Δu(k)。把式 (45)和式 (46)相減，得到： u (n )= u (n )u (n 1 )? = ( ) ( 1 ) ( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2 )e n e n I e k n D e n e n e nPK K K? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? （ 47） 增量式控制雖然只是算法上作了一點改進，卻帶來了不少優(yōu)點： (1)算式中不需要累加?？刂圃隽?Δu(k)的確定僅與最近 3 次的采樣值有關， 容易通過加權處理獲得比較好的控制效果； (2)計算機每次只輸出控制增量，即對應執(zhí)行機構位置的變化量，故機器發(fā)生故障時影響范圍小、不會嚴重影響生產過程； 在本課題中，經 A/D 轉換電路采樣所得的電壓信號的值是 PID 控制的被控參數。 軟件流程圖 主程序流程圖 在系統(tǒng)加電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括 A/D、 D/A、串行口、中斷、定時 /計數器等工作狀態(tài)的設定，給系統(tǒng)變量賦初值，顯示上次設定值等。然后掃描獲取鍵值，判斷設定鍵、校準鍵是否按下，執(zhí)行相應的功能子程序。當啟動鍵按下后，根據設定值 、校正等參數計算對應輸出的數字量，再進行閉環(huán)反饋調整，如圖 42 所示。 蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)論文 29 鍵盤中斷子程 序 本系統(tǒng)采用外部中斷 1 來實現實時掃描，使程序及時響應按鍵請求而無需顧慮其它程序模塊運行情況。然后判斷設定鍵、校準鍵是否按下， 在檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一個延時程序后，再確認該鍵電平是否保持閉合狀態(tài)電平。若仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認該鍵處于閉合狀態(tài)，從而消除了抖動影響。 根據設定值、校正等參數計算對應輸出的數字量，再進行閉環(huán)反饋調整。 鍵盤中斷子程序流程圖 如 圖 43 所示。 圖 42 主程序流程圖 開始 系統(tǒng)初始化 開中斷 掃描鍵盤 有鍵按下 設置處理 步進 +處理步進 +處理理 確認處理 數字處理 調用顯示中斷子程序 步進 處理步進 +處理理 N Y 蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)論文 30 圖 43 鍵盤中斷子程序流程圖 顯示中斷子程序 本系統(tǒng)采用定時中斷 0 來實現逐位動態(tài)顯示，每位顯示間隔固定為 2ms，使 LED輸出非常穩(wěn)定，無法考慮定時刷新顯示，使得該顯示子程序簡單靈活，適用性廣。 顯示中斷子程序流程圖 如圖 44 所示。 鍵盤中斷 中斷返回 保護現場 消抖延時 求取鍵號 恢復現場 有鍵按下 N Y 蘭州工業(yè)高等專科學校畢業(yè)論文 31 顯示中斷 送顯示 保護現場 清空顯示指針 顯示暫存指針加 1 恢復現場 顯示完八位 N Y 中斷返回 圖 44 顯示中斷子程序流程圖 蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)論文 32 第 5 章 總結 本文結合各種新技術設計出一種基于單片機芯片 AT89S52 的數控直流恒流源。對該恒流源的測量結果表明，該恒 流源具有較高的精度和穩(wěn)定度，基本滿足設計要求。具體的研究成果和結論如下： ，具體包括 A/D、 D/A 轉換電路的設計，鍵盤輸入及輸出顯示等。該恒流源實現了鍵盤輸入預置值， LED 顯示輸出預置值和實際輸出值的功能。并 能步進 +、 2mA，紋波電流也很小，精度和穩(wěn)定度都比較高。 PID 控制算法，增量式控制雖然只是算法上作了一點改進，卻帶來了不少優(yōu)點： (1)算式中不需要累加。控制增量 Δu(k)的確定僅與最近 3 次的采樣值有關，容易通過加權處理獲得比較好的控制效果； (2)計算機每次只輸出控制增量，即對應執(zhí)行機構位置的變化量，故機器發(fā)生故障時影響范圍小、不會嚴重影響生產過程。 本系統(tǒng)在軟硬件設計上仍然有很多需要完善之處。進入 21 世紀，隨著信息技術一日千里的發(fā)展，恒流源也必將經歷由模擬恒流源向數字恒流源過渡的這一歷程。特別是計算機技術的發(fā)展必將出現智能化技術。因此，如何把數字技術和智能化技術用于制作高穩(wěn)定度的恒流源就將成為 21 世紀的新課題。 蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)論文 33 致 謝 大學生活一晃而過，回首走過的歲月，心中倍感充實，當我寫完這篇畢業(yè)論文的時候，有一種如釋重負的感覺， 感慨良多。 首先誠摯的感謝我的論文指導老師劉老師。他在忙碌的教學工作中擠出時間來審查、修改我的論文。還有教過我的所有老師們，你們嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；你們循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。 感謝三年中陪伴在我身邊的同學、朋友，感謝他們?yōu)槲姨岢龅挠幸娴慕ㄗh和意見，有了他們的支持、鼓勵和幫助，我才能充實的度過了三年的學習生活 。 蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)論文 34 參考文獻 [1] 求是科技 編著 .單片機典型模塊設計實例導航 [M] .北京：人民郵電出版社， 2021. [2] 宋浩，田豐 . 單片機原理及應用 [M] .北京：北京交通大學出版社， 2021. [3] 吳志祥，徐磊，方曉毅，彭穎 . 數控恒流源設計 [J]. 常州工學院電子信息與電氣工程學院 ,江蘇常州 21300 [4] 李朝青．單片機原理及接口技術 [M]．北京：北京航空航天大學出版社， 1994 [5] 高恭嫻 ,聶睿瑞 . 一種基于單片機最小系統(tǒng)的數控直流電源設計 [J]. 南京信息職業(yè)技術學院江蘇南京 210046 [6] 王順棋 .穩(wěn)壓電源設計 [M].北京：國防工業(yè)出版社， [7] 趙學泉，張國華 .電源電路 [M].北京：電子工業(yè)出版社， [8] 何燕飛 .恒流源綜述 [J].湖南城市學院物理與電子科學系 ,湖南益陽 413049 [9] 熊建 .數控恒流源的設計與實現 [J].成都電子機械高等?？茖W校 ,四川成都 610031 [10] 楊振江 .A/D， D/A 轉換器接口技術 [M].西安：西安電子科技大學出版社， 1996 蘭州工業(yè)高等專科學校畢業(yè)論文 35 附錄 A 總電路圖 S0S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11S12S13S14S15D1 D2 D3 D4abfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpDS1AMBERCCabfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpDS2AMBERCCabfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpDS3AMBERCCabfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpDS4AMBERCCabfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpDS5AMBERCCabfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpDS6AMBERCCabfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpDS7AMBERCCabfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpDS8AMBERCCR1310kDOUT24SEFD23SEGDP22SEGF21SEGC20V+19ISET18SEGG17SEGB16SEGF15SEGA14CLK13LOAD12DIG111DIG510GND9DIG78DIG37DIG26DIG65GND4DIG43DIG02DIN1U1 MAX7219P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45p1.56p1.67p1.7