用于熱敏電阻特性測(cè)量的數(shù)控加熱直流電源

　引言

　　舊式的熱敏電阻特性曲線測(cè)量系統(tǒng)采用水熱法加熱、溫度計(jì)測(cè)溫和手動(dòng)電橋法測(cè)電阻，這會(huì)帶來很大的誤差，同時(shí)有一定的安全隱患，效率低下。近年來有眾多科研人員提出采用單片機(jī)方案，但都或多或少保留了原來的設(shè)計(jì)方案，問題沒有得到完全的解決。筆者提出采用單片機(jī)為控制核心，數(shù)控直流電源加熱，A/D法測(cè)量電阻，18B20測(cè)量溫度，從而完成了系統(tǒng)化的智能改造，解決上述問題。此系統(tǒng)的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)一個(gè)能易控的程控輸出穩(wěn)定電流和電壓的加熱電源，避免脈沖電壓、電流的引起的溫度的突變，影響實(shí)驗(yàn)精度。

　　同時(shí)，此數(shù)控電源由于精度高，穩(wěn)定易控而可適用于其他各類需要恒壓恒流直流電源的系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)方案

　　以AVR mega16L為主控制器，通過內(nèi)置A/D檢測(cè)充電電池電源電壓值，并通過繼電器選擇充電方式為恒流性還是恒壓性。恒壓性通過AMS1117實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出和小紋波電壓。在恒流狀態(tài)下，實(shí)時(shí)通過AD檢測(cè)輸出電流，同時(shí)通過DA實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)電流穩(wěn)定性。

　　該設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于小于1mA的紋波電流，由于系統(tǒng)要求紋波較小，我們對(duì)市電進(jìn)行濾波，并采用熱噪聲和熱系數(shù)較小的云母電容和金屬膜電阻，并在電路中串聯(lián)還是電感以及并聯(lián)電容，以減少紋波，達(dá)到較好的效果。在接地方式上采用數(shù)字地和模擬地分開，最后進(jìn)行單點(diǎn)共地。在程序設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)不工作的端口全部上拉，并盡量減小單片機(jī)的動(dòng)作。

　　圖1 系統(tǒng)框圖

　　恒流電路的調(diào)節(jié)控制方法

　　主控芯片mega16將預(yù)置的電流值通過16位D/A芯片AD669輸出電壓給恒流電路，經(jīng)過轉(zhuǎn)化產(chǎn)生相應(yīng)的電流并顯示。電流反饋電路將反饋值通過A/D芯片AD1674輸人mega16，通過數(shù)字PI調(diào)節(jié)器對(duì)輸出的電流值進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)高精度的閉環(huán)反饋控制。

　　考慮本系統(tǒng)對(duì)電流的動(dòng)態(tài)調(diào)整性能要求不高，數(shù)字PID中的D調(diào)節(jié)在本系統(tǒng)中作用不大，為減少主控芯片的計(jì)算量和提高處理速度，故采用增量型PI算法，計(jì)算公式如下：

　　ΔPP(k)=KP×[E(k)-E(k-1)] ΔPI(k)=Ki×E(k) ΔP(k)= ΔPP(k)+ ΔPI(k)

　　其中ΔPP(k)為比例項(xiàng)增加量，ΔPI(k)為積分項(xiàng)增加量，E(K)為當(dāng)前的電壓測(cè)量值

　　編制出PI算法程序，使用PI算法能否達(dá)到設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，關(guān)鍵在于調(diào)整好比例系數(shù)Kp,、積分系數(shù)Ki。各個(gè)參數(shù)的取值大小分別對(duì)系統(tǒng)的性能有不同的影響。比例系數(shù)Kp增大，將使系統(tǒng)的動(dòng)作反應(yīng)速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小;但是Kp增大，將使系統(tǒng)趨于振蕩或振蕩加劇，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng);Kp太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定;Kp太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。

　　積分系數(shù)Ki，積分作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度;Ki小，積分作用變小，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降;Ki過小會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定。可采 用 臨 界靈敏度法整定PI調(diào)節(jié)器的Kp，Ki兩個(gè)參數(shù)

　　恒流電路擴(kuò)流三極管的選擇