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用于热敏电阻特性测量的数控加热直流电源
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引言
旧式的热敏电阻特性曲线测量系统采用水热法加热、温度计测温和手动电桥法测电阻，这会带来很大的误差，同时有一定的安全隐患，效率低下。近年来有众多科研人员提出采用单片机方案，但都或多或少保留了原来的设计方案，问题没有得到完全的解决。笔者提出采用单片机为控制核心，数控直流电源加热，A/D法测量电阻，18B20测量温度，从而完成了系统化的智能改造，解决上述问题。此系统的关键在于设计一个能易控的程控输出稳定电流和电压的加热电源，避免脉冲电压、电流的引起的温度的突变，影响实验精度。
同时，此数控电源由于精度高，稳定易控而可适用于其他各类需要恒压恒流直流电源的系统。
系统方案
以AVR mega16L为主控制器，通过内置A/D检测充电电池电源电压值，并通过继电器选择充电方式为恒流性还是恒压性。恒压性通过AMS1117实现稳定输出和小纹波电压。在恒流状态下，实时通过AD检测输出电流，同时通过DA实时控制，实现电流稳定性。
该设计的难点在于小于1mA的纹波电流，由于系统要求纹波较小，我们对市电进行滤波，并采用热噪声和热系数较小的云母电容和金属膜电阻，并在电路中串联还是电感以及并联电容，以减少纹波，达到较好的效果。在接地方式上采用数字地和模拟地分开，最后进行单点共地。在程序设计时对不工作的端口全部上拉，并尽量减小单片机的动作。
图1 系统框图
恒流电路的调节控制方法
主控芯片mega16将预置的电流值通过16位D/A芯片AD669输出电压给恒流电路，经过转化产生相应的电流并显示。电流反馈电路将反馈值通过A/D芯片AD1674输人mega16，通过数字PI调节器对输出的电流值进行调整，实现高精度的闭环反馈控制。
考虑本系统对电流的动态调整性能要求不高，数字PID中的D调节在本系统中作用不大，为减少主控芯片的计算量和提高处理速度，故采用增量型PI算法，计算公式如下：
ΔPP(k)=KP×[E(k)-E(k-1)] ΔPI(k)=Ki×E(k) ΔP(k)= ΔPP(k)+ ΔPI(k)
其中ΔPP(k)为比例项增加量，ΔPI(k)为积分项增加量，E(K)为当前的电压测量值
编制出PI算法程序，使用PI算法能否达到设计的调节品质，关键在于调整好比例系数Kp,、积分系数Ki。各个参数的取值大小分别对系统的性能有不同的影响。比例系数Kp增大，将使系统的动作反应速度加快，稳态误差减小;但是Kp增大，将使系统趋于振荡或振荡加剧，调节时间加长;Kp太大时，系统会趋于不稳定;Kp太小，又会使系统的动作缓慢。
积分系数Ki，积分作用能消除稳态误差，提高系统的控制精度;Ki小，积分作用变小，使系统的稳定性下降;Ki过小会使系统不稳定。可采 用 临 界灵敏度法整定PI调节器的Kp，Ki两个参数
恒流电路扩流三极管的选择
使用软件Multisim和APSYS进行模拟，对不同种类三极管进行DC—sweep扫描，测试不同三极管特性得出厄利电压大小。
对于恒流源所用的电路，厄利电压的值越大说明三极管的恒流特性越好，负载电阻的变化不受到影响到电源的恒流特性。集电极电流值只受到基极电流Ib控制的性质越好。
图2 横流电路扩流三极管模拟测试结果
电路设计
主处理器选择
采用单片机Mega16为主控芯片，Atmaga16L是一个低功耗，高性能的8位单片机，片内含16k空间的可反复擦写100,000次的Flash存储器， 32个IO口，内置8路10 位ADC，可编程看门狗电路，抗干扰能力强，可在电磁干扰环境下工作。且Mega系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。
显示模块
使用LCD液晶显示屏显示。LCD有明显的优点：功耗很低;尺寸小，厚度约为LED的1/3;字迹清晰美观，同时又可显示大量文字信息和图形，可形成人性化的交互界面。
电源端口电压10V检测
通过比较器与标准电压比较(见图3)检测电源端口电压。
通过一级电压跟随并通过电阻分压，调节到当外电压为10V时输出5V电压，并制作5V基准源，通过电压比较器，电压比较器接单片机中端口检测。
图3 电源端口电压检测电路
图4 10V恒压输出电路
10V恒压输出电路
为达到较小纹波，并实现电压可调的目的采用AMS1117精密稳压芯片，通过调节电阻比例得到所要电压。由于输出电压的波动与输入输出电压的差值有关，差值越大，纹波越大。故采用两级稳压(见图4)。这样经过稳压后输出电压纹波基本为电容电阻的热噪声。
又因为AMS1117的参考端电流相对于输入输出电流很小，可忽略。通过在两极之间接入电阻并通过仪表放大器AD620放大差压，用A/D测试电压输出换算出电流值，有精密测量和取出共模纹波电流的功能。
100mA和200mA恒流源
采用对电流值的负反馈，并进行实时调节(见图5)设计恒流源。
采用16位D/A芯片AD669，调节加在精密电阻上的电压值，同时采用12位A/D芯片AD1674对电压值进行实时检测，经过具有高共模抑制比的仪表专用放大器AD620。电压值反馈回单片机，通过矫枉过正的方法微调电压，稳住电流，实现恒流。
恒流充电与恒压充电方式的转换
采用电磁继电器选择通路。电磁继电器具有通过电流大的优点，但是开关速度较慢。
在该题目要求中，不需快速的开关速度但要求能导通较大电流。因此，我们选用电磁继电器。
图5 无反馈100mA和200mA恒流源电路
图6 负反馈100mA和200mA恒流源电路
过温保护
采用18b20实时检测加热电阻的温度，当大于120摄氏度时控制继电器使电路断开。由于不同型号的热敏电阻对保护温度要求不同，这样可以通过软件设置保护温度，来完成加热任务。
测试结果
通过大功率可调电位器模拟热敏电阻的加热过程，调节电阻由小增大，开始为恒流充电方式，当达到10V时自动转换为恒压方式。在调节过程中检测充电端的电压波动，充电电流波动和电压电流纹波。
在调节过程中，同时观察LCD上电压、电流示数与用专用测试仪器的误差。
测试结果示于表1和表2。
通过对系统的实际测量我们可以看出系统已经很好的满足试验各项要求，并能够长时间的稳定工作。并能够准确测量和显示测量结果，和进行过温保护。
表1 快速充电测试
表2 慢速充电测试
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