用于熱敏電阻特性測量的數控加熱直流電源

　引言

　　舊式的熱敏電阻特性曲線(xiàn)測量系統采用水熱法加熱、溫度計測溫和手動(dòng)電橋法測電阻，這會(huì )帶來(lái)很大的誤差，同時(shí)有一定的安全隱患，效率低下。近年來(lái)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(lái)的設計方案，問(wèn)題沒(méi)有得到完全的解決。筆者提出采用單片機為控制核心，數控直流電源加熱，A/D法測量電阻，18B20測量溫度，從而完成了系統化的智能改造，解決上述問(wèn)題。此系統的關(guān)鍵在于設計一個(gè)能易控的程控輸出穩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)驗精度。

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

　　系統方案

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

　　該設計的難點(diǎn)在于小于1mA的紋波電流，由于系統要求紋波較小，我們對市電進(jìn)行濾波，并采用熱噪聲和熱系數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字地和模擬地分開(kāi)，最后進(jìn)行單點(diǎn)共地。在程序設計時(shí)對不工作的端口全部上拉，并盡量減小單片機的動(dòng)作。

　　圖1 系統框圖

　　恒流電路的調節控制方法

　　主控芯片mega16將預置的電流值通過(guò)16位D/A芯片AD669輸出電壓給恒流電路，經(jīng)過(guò)轉化產(chǎn)生相應的電流并顯示。電流反饋電路將反饋值通過(guò)A/D芯片AD1674輸人mega16，通過(guò)數字PI調節器對輸出的電流值進(jìn)行調整，實(shí)現高精度的閉環(huán)反饋控制。

　　考慮本系統對電流的動(dòng)態(tài)調整性能要求不高，數字PID中的D調節在本系統中作用不大，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節品質(zhì)，關(guān)鍵在于調整好比例系數Kp,、積分系數Ki。各個(gè)參數的取值大小分別對系統的性能有不同的影響。比例系數Kp增大，將使系統的動(dòng)作反應速度加快，穩態(tài)誤差減小;但是Kp增大，將使系統趨于振蕩或振蕩加劇，調節時(shí)間加長(cháng);Kp太大時(shí)，系統會(huì )趨于不穩定;Kp太小，又會(huì )使系統的動(dòng)作緩慢。

　　積分系數Ki，積分作用能消除穩態(tài)誤差，提高系統的控制精度;Ki小，積分作用變小，使系統的穩定性下降;Ki過(guò)小會(huì )使系統不穩定?？刹?用 臨 界靈敏度法整定PI調節器的Kp，Ki兩個(gè)參數

　　恒流電路擴流三極管的選擇