用于熱敏電阻特性測量的數(shù)控加熱直流電源

　　引言
　　
　　舊式的熱敏電阻特性曲線測量系統(tǒng)采用水熱法加熱、溫度計測溫和手動電橋法測電阻，這會帶來很大的誤差，同時有一定的安全隱患，效率低下。近年來有眾多科研人員提出采用單片機方案，但都或多或少保留了原來的設計方案，問題沒有得到*的解決。筆者提出采用單片機為控制核心，數(shù)控直流電源加熱，A/D法測量電阻，18B20測量溫度，從而完成了系統(tǒng)化的智能改造，解決上述問題。此系統(tǒng)的關鍵在于設計一個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，影響實驗精度。
　　
　　同時，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AVRmega16L為主控制器，通過內(nèi)置A/D檢測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實現(xiàn)穩(wěn)定輸出和小紋波電壓。在恒流狀態(tài)下，實時通過AD檢測輸出電流，同時通過DA實時控制，實現(xiàn)電流穩(wěn)定性。
　　
　　該設計的難點在于小于1mA的紋波電流，由于系統(tǒng)要求紋波較小，我們對市電進行濾波，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，達到較好的效果。在接地方式上采用數(shù)字地和模擬地分開，zui后進行單點共地。在程序設計時對不工作的端口全部上拉，并盡量減小單片機的動作。　　　　
　　恒流電路的調(diào)節(jié)控制方法
　　
　　主控芯片mega16將預置的電流值通過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)器對輸出的電流值進行調(diào)整，實現(xiàn)高精度的閉環(huán)反饋控制。
　　
　　考慮本系統(tǒng)對電流的動態(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算量和提高處理速度，故采用增量型PI算法，計算公式如下：
　　
　　ΔPP（k）=KP×[E（k）-E（k-1）]ΔPI（k）=Ki×E（k）ΔP（k）=ΔPP（k）+ΔPI（k）
　　
　　其中ΔPP（k）為比例項增加量，ΔPI（k）為積分項增加量，E（K）為當前的電壓測量值
　　
　　編制出PI算法程序，使用PI算法能否達到設計的調(diào)節(jié)品質(zhì)，關鍵在于調(diào)整好比例系數(shù)Kp,、積分系數(shù)Ki。各個參數(shù)的取值大小分別對系統(tǒng)的性能有不同的影響。比例系數(shù)Kp增大，將使系統(tǒng)的動作反應速度加快，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)時間加長;Kp太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定;Kp太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。
　　
　　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兩個參數(shù)
　　
　　恒流電路擴流三極管的選擇
　　
　　使用軟件Multisim和APSYS進行模擬，對不同種類三極管進行DC—sweep掃描，測試不同三極管特性得出厄利電壓大小。
　　
　　對于恒流源所用的電路，厄利電壓的值越大說明三極管的恒流特性越好，負載電阻的變化不受到影響到電源的恒流特性。集電極電流值只受到基極電流Ib控制的性質(zhì)越好。　　　　
　　電路設計
　　
　　主處理器選擇
　　
　　采用單片機Mega16為主控芯片，Atmaga16L是一個低功耗，高性能的8位單片機，片內(nèi)含16k空間的可反復擦寫100,000次的Flash存儲器，32個IO口，內(nèi)置8路10位ADC，可編程看門狗電路，抗*力強，可在電磁干擾環(huán)境下工作。且Mega系列的單片機可以在線編程、調(diào)試，方便地實現(xiàn)程序的下載與整機的調(diào)試。
　　
　　顯示模塊
　　
　　使用LCD液晶顯示屏顯示。LCD有明顯的優(yōu)點：功耗很低;尺寸小，厚度約為LED的1/3;字跡清晰美觀，同時又可顯示大量文字信息和圖形，可形成人性化的交互界面。
　　
　　電源端口電壓10V檢測
　　
　　通過比較器與標準電壓比較（見圖3）檢測電源端口電壓。
　　
　　通過一級電壓跟隨并通過電阻分壓，調(diào)節(jié)到當外電壓為10V時輸出5V電壓，并制作5V基準源，通過電壓比較器，電壓比較器接單片機中端口檢測。　　　　　　
　　10V恒壓輸出電路
　　
　　為達到較小紋波，并實現(xiàn)電壓可調(diào)的目的采用AMS1117精密穩(wěn)壓芯片，通過調(diào)節(jié)電阻比例得到所要電壓。由于輸出電壓的波動與輸入輸出電壓的差值有關，差值越大，紋波越大。故采用兩級穩(wěn)壓（見圖4）。這樣經(jīng)過穩(wěn)壓后輸出電壓紋波基本為電容電阻的熱噪聲。
　　
　　又因為AMS1117的參考端電流相對于輸入輸出電流很小，可忽略。通過在兩極之間接入電阻并通過儀表放大器AD620放大差壓，用A/D測試電壓輸出換算出電流值，有精密測量和取出共模紋波電流的功能。
　　
　　100mA和200mA恒流源
　　
　　采用對電流值的負反饋，并進行實時調(diào)節(jié)（見圖5）設計恒流源。
　　
　　采用16位D/A芯片AD669，調(diào)節(jié)加在精密電阻上的電壓值，同時采用12位A/D芯片AD1674對電壓值進行實時檢測，經(jīng)過具有高共模抑制比的儀表放大器AD620。電壓值反饋回單片機，通過矯枉過正的方法微調(diào)電壓，穩(wěn)住電流，實現(xiàn)恒流。
　　
　　恒流充電與恒壓充電方式的轉(zhuǎn)換
　　
　　采用電磁繼電器選擇通路。電磁繼電器具有通過電流大的優(yōu)點，但是開關速度較慢。
　　
　　在該題目要求中，不需快速的開關速度但要求能導通較大電流。因此，我們選用電磁繼電器。　　　　　　
　　過溫保護
　　
　　采用18b20實時檢測加熱電阻的溫度，當大于120攝氏度時控制繼電器使電路斷開。由于不同型號的熱敏電阻對保護溫度要求不同，這樣可以通過軟件設置保護溫度，來完成加熱任務。
　　
　　測試結(jié)果
　　
　　通過大功率可調(diào)電位器模擬熱敏電阻的加熱過程，調(diào)節(jié)電阻由小增大，開始為恒流充電方式，當達到10V時自動轉(zhuǎn)換為恒壓方式。在調(diào)節(jié)過程中檢測充電端的電壓波動，充電電流波動和電壓電流紋波。
　　
　　在調(diào)節(jié)過程中，同時觀察LCD上電壓、電流示數(shù)與用測試儀器的誤差。
　　
　　測試結(jié)果示于表1和表2。
　　
　　通過對系統(tǒng)的實際測量我們可以看出系統(tǒng)已經(jīng)很好的滿足試驗各項要求，并能夠長時間的穩(wěn)定工作。并能夠準確測量和顯示測量結(jié)果，和進行過溫保護。