數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)_圖文

1、 郵局訂閱號(hào):82-946360元/年技術(shù)創(chuàng)新電源技術(shù)PLC 技術(shù)應(yīng)用200例您的論文得到兩院院士關(guān)注數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)The design of digital direct current source(山東交通學(xué)院張吉衛(wèi)李瑞霞丁曉東ZHAN JIWEI LI RUIXIA DING XIAODONG摘要:介紹了一種數(shù)控直流電流源的硬件電路和工作原理以及軟件設(shè)計(jì)。該電流源通過(guò)輸出電流反饋構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。其輸出電流精度高、穩(wěn)定性好,具有良好的負(fù)載特性。關(guān)鍵詞:單片機(jī);電流源;閉環(huán)控制中圖分類(lèi)號(hào):TN86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:BAbstract:This paper describes the ha

2、rdware circuit and the operating principle of a digital direct current source,as well as its soft-ware designing.The current source constitutes a close-loop control system through output current feedback.Its output current not on-ly is high stability and precision,but also has good load characterist

3、ic.Key words:single chip microcomputer,current source,close-loop control文章編號(hào):1008-0570(200703-1-0247-021引言直流電流源在電子儀器、設(shè)備中應(yīng)用廣泛。本文設(shè)計(jì)的直流電流源輸出直流電壓10V ;輸出電流范圍為20mA 2000mA ;能夠設(shè)置并顯示輸出電流設(shè)定值;具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)整功能,步進(jìn)1mA ;能夠測(cè)量并顯示輸出電流值。本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心,通過(guò)改變PWM 信號(hào)占空比,在電壓轉(zhuǎn)換電路中得到控制電壓,控制電壓利用運(yùn)算放大器特性,控制負(fù)載電流恒定輸出,實(shí)現(xiàn)了電壓控制電流源。為保證電流源輸

4、出電流穩(wěn)定性好、精度高、抗干擾能力強(qiáng),采用反饋閉環(huán)控制系統(tǒng),結(jié)合數(shù)字PI 控制算法,取得了較好的控制效果。2數(shù)控直流電流源的系統(tǒng)組成和硬件設(shè)計(jì)數(shù)控直流電流源的系統(tǒng)組成主要包括單片機(jī)與鍵盤(pán)、顯示、報(bào)警電路組成的控制系統(tǒng)模塊;PWM 信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換電路及電壓/電流轉(zhuǎn)換電路組成的電流源模塊;取樣電路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成的測(cè)量模塊;電源模塊等。其控制系統(tǒng)模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路如圖1所示。圖1數(shù)控直流電流源控制系統(tǒng)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路2.1控制系統(tǒng)模塊(1鍵盤(pán)電路:數(shù)控直流電流源主要有工作、停止、增、減按鍵,采用并入串出移位寄存器74LS165擴(kuò)展鍵盤(pán)接口。單片機(jī)P3.2為數(shù)據(jù)封鎖信號(hào),P3.0為數(shù)據(jù)輸入,

5、P3.1為時(shí)鐘信號(hào)。(2顯示電路:數(shù)控直流電流源需要顯示信息較多,如輸出電流值、設(shè)定電流值以及系統(tǒng)狀態(tài)信息等。為充分明確顯示,采用OCMJ 4×8中文液晶顯示模塊,該模塊內(nèi)含點(diǎn)陣國(guó)標(biāo)一級(jí)簡(jiǎn)體漢字和ASC 碼,可實(shí)現(xiàn)文本顯示。其用戶(hù)硬件接口采用作為單片機(jī)與液晶顯示器的聯(lián)絡(luò)口。(3報(bào)警電路:數(shù)控直流電流源有過(guò)流保護(hù)功能,即當(dāng)實(shí)際電流輸出超過(guò)2050mA ,可實(shí)現(xiàn)報(bào)警,并使輸出電流降為0mA 。當(dāng)過(guò)流保護(hù)時(shí),單片機(jī)驅(qū)動(dòng)聲響報(bào)警,聲響報(bào)警電路由P1.4口驅(qū)動(dòng)。2.2電源模塊數(shù)控直流電流源需要輸出20mA 2000mA 恒定電流,并且要求紋波系數(shù)盡可能要小。而輸出電流恒定的前提是提供電流的直流

6、穩(wěn)壓電源輸出電壓穩(wěn)定。我們選用線性直流穩(wěn)壓電源,其中穩(wěn)壓電路使用LM338大電流可調(diào)電壓輸出穩(wěn)壓管,其輸出電流可達(dá)5A ,電壓調(diào)節(jié)范圍1.2-32V ,能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。2.3電流源電路電流源電路如圖2所示,其基本原理是利用占空比可變的PWM 信號(hào)取得控制電壓,控制電流源恒流輸出。圖2電流源電路張吉衛(wèi):副教授碩士247-技術(shù)創(chuàng)新中文核心期刊微計(jì)算機(jī)信息(測(cè)控自動(dòng)化2007年第23卷第3-1期360元/年郵局訂閱號(hào):82-946現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用200例電源技術(shù)(1控制電壓取得原理三極管Q 、變壓器T 、二極管D 、電容C 、電阻R 組成控制電壓變換電路,其電路波形如圖3所示。圖3控制電壓變換電路

7、波形圖晶體管Q 受其基極PWM 信號(hào)U b 驅(qū)動(dòng)周期性導(dǎo)通和截止。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí),在理想情況下,電源電壓U i (5V全部加在電感變壓器初級(jí)N 1上。變壓器初級(jí)感應(yīng)電勢(shì)“.”端為正,次級(jí)“.”端也為正,二極管反偏截止,因此電感變壓器此時(shí)作為電感運(yùn)行。若電感L 1是線性的,初級(jí)電感電流變化:按線性增長(zhǎng)。電源向電感儲(chǔ)能,負(fù)載由電容供電。晶體管截止時(shí),電感能量不能突變,變壓器各線圈感應(yīng)電勢(shì)反號(hào),“.”端為負(fù),迫使二極管導(dǎo)通,電感能量逐步轉(zhuǎn)為電場(chǎng)能量向電容充電和負(fù)載供電。設(shè)電容電壓變化很小,次級(jí)電流變化量:在穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)換瞬間變壓器應(yīng)滿(mǎn)足:和因此,式中N 1,N 2分別為變壓器初、次級(jí)匝數(shù)。L 1和L 2

8、分別為變壓器初、次級(jí)電感量,設(shè)變壓器沒(méi)有漏感,應(yīng)有:由以上各式聯(lián)立求解,得到:或式中為變壓器變比,為PWM 信號(hào)占空比系數(shù)。由上式可知,通過(guò)改變PWM 信號(hào)的占空比系數(shù)可得到連續(xù)變化的U 0,進(jìn)一步利用分壓電路可得到連續(xù)變化的控制電壓U c 。(2恒流原理由運(yùn)算放大器特性,控制電壓:則負(fù)載電流,與負(fù)載阻值R L 無(wú)關(guān),當(dāng)控制電壓一定時(shí),負(fù)載電流恒定,實(shí)現(xiàn)了恒流。達(dá)林頓三極管BU932起到擴(kuò)大輸出電流作用。我們選擇采樣電阻R f =1歐姆,由大線徑康銅絲繞制而成,取其電壓降為采樣電壓進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。2.4模/數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)現(xiàn)輸出電流恒定,采用反饋閉環(huán)控制系統(tǒng),需要采樣輸出電流的變化,將采樣電阻兩端的

9、采樣電壓送到圖1所示模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,反饋回單片機(jī),實(shí)現(xiàn)了電流變化的采樣。本系統(tǒng)選用12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7705。從保證轉(zhuǎn)換精度和穩(wěn)定性方面考慮,AD7705的電源由電壓基準(zhǔn)源芯片MC1403產(chǎn)生。為適應(yīng)50Hz 工頻的特點(diǎn),提高A/D 對(duì)其的抗干擾能力,A/D 晶振頻率選用芯片規(guī)定的2.4576MHz,輸出更新率為50Hz 。系統(tǒng)中,AD7705的數(shù)據(jù)輸入/輸出口線并接后與單片機(jī)的P1.3相接,SCLK 接P1.1,DRED 接P1.2。3控制算法和軟件編程3.1位置式PI 控制算法在數(shù)控電流源閉環(huán)控制系統(tǒng)中,為保持負(fù)載電流恒定,并且負(fù)載電流隨設(shè)定值變化時(shí)沒(méi)有超調(diào),同時(shí)又希望

10、系統(tǒng)有比較好的抗擾動(dòng)性能。我們采用PI 調(diào)節(jié)器來(lái)改善系統(tǒng)的性能。由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制,必須將PI 調(diào)節(jié)器中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)進(jìn)行離散化處理。離散化處理的方法是:以T 作為采樣周期,k 作為采樣序號(hào),則離散采樣時(shí)間kT 對(duì)應(yīng)著連續(xù)時(shí)間t ,用求和的形式代替積分,因而可得PI 位置式增量算式控制量的遞推形式為:式中e k 、u k 第k 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值和計(jì)算機(jī)輸出值;e k-1、u k-1第k-1次采樣時(shí)刻的輸入的偏差值和計(jì)算機(jī)輸出值;K P 、T I 比例系數(shù)、積分常數(shù)。單片機(jī)編程時(shí),第k 次采樣,首先根據(jù)給定值r 、測(cè)量值y 計(jì)算偏差:再根據(jù)第k-1次的偏差e k-1、控制量u

11、k-1計(jì)算u k ,并換算為PWM 信號(hào)占空比的增量變化,實(shí)現(xiàn)控制電壓及輸出電流的恒定。3.2控制軟件控制軟件主要包括主程序、按鍵、顯示、采樣、控制算法等子程序。在系統(tǒng)加電后,主程序首先完成系統(tǒng)初始化,其中包括AD7705初始化、液晶初始化、定時(shí)器初始化、定義變量及其初始化等。根據(jù)是否有鍵按下以及鍵值,執(zhí)行相應(yīng)的功能子程序。當(dāng)工作鍵按下后,根據(jù)設(shè)定值、采樣值,控制算法子程序計(jì)算對(duì)應(yīng)輸出量,并進(jìn)一步改變PWM 占空比,實(shí)現(xiàn)電流反饋閉環(huán)控制。限于篇幅,其各程序框圖從略。4結(jié)束語(yǔ)該數(shù)控直流電流源采用反饋閉環(huán)控制的方法,構(gòu)造出了實(shí)用的直流電流源,其電流輸出的預(yù)置級(jí)數(shù)和調(diào)整精度與PWM 占空比調(diào)整率、模

12、/數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有緊密關(guān)系。而本系統(tǒng)PWM 占空比調(diào)整率可達(dá)1甚至更小,而AD7705為12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,因而該電流源精度較高。當(dāng)然,由于本系統(tǒng)采用串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢,若采用并行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器以及PID 控制算法,電流源的響應(yīng)速度會(huì)進(jìn)一步提高。本文作者創(chuàng)新點(diǎn):以單片機(jī)為核心,通過(guò)改變PWM 信號(hào)占空比,得到控制電壓,進(jìn)一步控制負(fù)載電流恒定輸出,這種方法由于PWM 信號(hào)占空比調(diào)整率可達(dá)1甚至更小,因而輸出電流步進(jìn)可達(dá)1mA 。而利用電流以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成的反饋閉環(huán)控制系統(tǒng),結(jié)合數(shù)字PI 控制算法,保證了電流源輸出電流穩(wěn)定性好、精度高、抗干擾能力強(qiáng)。參考文獻(xiàn):(下轉(zhuǎn)第197頁(yè)2

13、48-郵局訂閱號(hào):82-946360元/年技術(shù)創(chuàng)新傳感器與儀器儀表P LC 技術(shù)應(yīng)用200例您的論文得到兩院院士關(guān)注Dim Th1As New Thread(AddressOf 顯示1'建立其他線程建立線程時(shí),其中AddressOf 表示兩個(gè)線程執(zhí)行的子程序分別是采集(和顯示1(。Th0.Start(Th1.Start('啟動(dòng)上面線程設(shè)置線程的優(yōu)先級(jí),采集數(shù)據(jù)線程優(yōu)先級(jí)高于屏幕顯示線程,優(yōu)先級(jí)線程的更迅速地響應(yīng)請(qǐng)求,代碼如下:Th0.Priority =ThreadPriority.AboveNormal Th1.Priority =ThreadPriority.Normal

14、'其他都設(shè)為Normal4結(jié)束語(yǔ)本設(shè)計(jì)中使用DirectX 的DirectDraw 類(lèi)在內(nèi)存中繪制圖形,并且不立即顯示在屏幕上,通過(guò)翻轉(zhuǎn)再輸出到屏幕上,既提高了圖像數(shù)據(jù)的處理速度,又有效的避免了圖像閃爍;使用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和顯示同時(shí)進(jìn)行,既避免了采集時(shí)丟失數(shù)據(jù),又保證了較高的顯示速度。上面代碼在windows XP 、.Net2003企業(yè)版中調(diào)試通過(guò),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)性能較好的虛擬儀器的圖形顯示面板。本文作者創(chuàng)新點(diǎn):虛擬儀器的圖形顯示面板,并且圖形不立即顯示在屏幕上,通過(guò)翻轉(zhuǎn)再輸出到屏幕上,既提高了圖像數(shù)據(jù)的處理速度,又有效的避免了圖像閃爍;同時(shí)進(jìn)行,避免采集過(guò)程的丟幀,并能實(shí)

15、現(xiàn)圖形的高速輸出。參考文獻(xiàn):1史建華,李槐樹(shù),向東.虛擬儀器在系統(tǒng)相關(guān)辨識(shí)中的應(yīng)用J.微計(jì)算機(jī)信息,2006,10:199-2002尚展壘等.Visual Basic.NET 程序設(shè)計(jì)技術(shù)M.北京:清華大學(xué)出版社.2006,33馬明建.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)M.西安:西安交通大學(xué)出版社.1998,5作者簡(jiǎn)介:陳嫄玲(1973-,女(漢族,河南汝州人,鄭州輕工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院講師,碩士,主要從事軟件工程研究。Biography:ChenYuanling (1973-,Female (Han Nationality,Ruzhou,Henan Province,School of Comput

16、er and Communication Engineering,Zhengzhou University of Light Industry ,Lecturer,Master,Major in software engineering.(450002河南鄭州鄭州輕工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院陳嫄玲(466000河南周口周口職業(yè)技術(shù)學(xué)院郜穎(454003河南焦作焦作大學(xué)計(jì)算機(jī)系邢文生霍曉麗(School of Computer and Communication Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 45000

17、2ChenYuanling(Zhoukou vocation technology college,Zhoukou 466000Gao Ying(Department of Computer,Jiaozuo University,Jiaozuo 454003,Xing Wensheng3,Huo Xiaoli通訊地址:(450002南省南省鄭州市東風(fēng)路5號(hào)鄭州輕工業(yè)學(xué)院計(jì)算中心陳嫄玲(上接第205頁(yè)AT89C2051單片機(jī)與字符型LCD 顯示模塊DMC16230采用擴(kuò)展串行方式接口,用串入并出8位移位寄存器74LS164擴(kuò)展一個(gè)8位輸出口。這樣可節(jié)省89C2051的6根I/O 線,節(jié)約了單片機(jī)

18、有限的接口資源。單片機(jī)與74LS164、DMC16230的連接方式如圖5所示。2.3軟件設(shè)計(jì)根據(jù)有源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)阻測(cè)量?jī)x的功能要求,主要設(shè)計(jì)了初始化程序、測(cè)量程序、零點(diǎn)校正程序、顯示數(shù)據(jù)處理和顯示驅(qū)動(dòng)程序等。軟件流程圖如圖3所示。3結(jié)束語(yǔ)本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了有源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)阻的自動(dòng)測(cè)量。作者設(shè)計(jì)和研制的有源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)阻測(cè)量?jī)x,實(shí)際應(yīng)用于不同類(lèi)型有源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)阻的測(cè)量,獲得了良好的效果。該測(cè)量?jī)x具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、性能穩(wěn)定、測(cè)量精度高、使用方便、智能化等優(yōu)點(diǎn)。參考文獻(xiàn):1田曉東,等.數(shù)字式儀表自動(dòng)判讀設(shè)計(jì)與方法研究J微計(jì)算機(jī)信息,2006(4-1:191-193.2吳峰,等.利用雙8051芯片組成的頻率測(cè)量系統(tǒng)J微計(jì)算機(jī)信息,2005(4-2:69-70.3雷建龍.基于單片機(jī)的模糊控制器的設(shè)計(jì)J微計(jì)算機(jī)信息.2006(6-2:49-51.作者簡(jiǎn)介:秦輝(1962,男,