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(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(jī)方案，但都或多或少保留了原來(lái)的設(shè)計(jì)方案，問(wèn)題沒(méi)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(wèn)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(guò)內(nèi)置A/D檢測(cè)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(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(guò)AD檢測(cè)輸出電流，同時(shí)通過(guò)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(kāi)，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(guò)16位D/A芯片AD669輸出電壓給恒流電路，經(jīng)過(guò)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(guò)A/D芯片AD1674輸人mega16，通過(guò)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(guò)小會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定?？刹?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[!--empirenews.page--]

　　使用軟件Multisim和APSYS進(jìn)行模擬，對(duì)不同種類三極管進(jìn)行DC—sweep掃描，測(cè)試不同三極管特性得出厄利電壓大小。

　　對(duì)于恒流源所用的電路，厄利電壓的值越大說(shuō)明三極管的恒流特性越好，負(fù)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。

　　圖2 橫流電路擴(kuò)流三極管模擬測(cè)試結(jié)果

　　電路設(shè)計(jì)

　　主處理器選擇

　　采用單片機(jī)Mega16為主控芯片，Atmaga16L是一個(gè)低功耗，高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)含16k空間的可反復(fù)擦寫100,000次的Flash存儲(chǔ)器， 32個(gè)IO口，內(nèi)置8路10 位ADC，可編程看門狗電路，抗干擾能力強(qiáng)，可在電磁干擾環(huán)境下工作。且Mega系列的單片機(jī)可以在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)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(diǎn)：功耗很低;尺寸小，厚度約為L(zhǎng)ED的1/3;字跡清晰美觀，同時(shí)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(cè)

　　通過(guò)比較器與標(biāo)準(zhǔn)電壓比較(見(jiàn)圖3)檢測(cè)電源端口電壓。

　　通過(guò)一級(jí)電壓跟隨并通過(guò)電阻分壓，調(diào)節(jié)到當(dāng)外電壓為10V時(shí)輸出5V電壓，并制作5V基準(zhǔn)源，通過(guò)電壓比較器，電壓比較器接單片機(jī)中端口檢測(cè)。

　　圖3 電源端口電壓檢測(cè)電路

　　圖4 10V恒壓輸出電路

　　10V恒壓輸出電路

　　為達(dá)到較小紋波，并實(shí)現(xiàn)電壓可調(diào)的目的采用AMS1117精密穩(wěn)壓芯片，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻比例得到所要電壓。由于輸出電壓的波動(dòng)與輸入輸出電壓的差值有關(guān)，差值越大，紋波越大。故采用兩級(jí)穩(wěn)壓(見(jiàn)圖4)。這樣經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓后輸出電壓紋波基本為電容電阻的熱噪聲。

　　又因?yàn)锳MS1117的參考端電流相對(duì)于輸入輸出電流很小，可忽略。通過(guò)在兩極之間接入電阻并通過(guò)儀表放大器AD620放大差壓，用A/D測(cè)試電壓輸出換算出電流值，有精密測(cè)量和取出共模紋波電流的功能。

　　100mA和200mA恒流源

　　采用對(duì)電流值的負(fù)反饋，并進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)(見(jiàn)圖5)設(shè)計(jì)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(shí)采用12位A/D芯片AD1674對(duì)電壓值進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，經(jīng)過(guò)具有高共模抑制比的儀表專用放大器AD620。電壓值反饋回單片機(jī)，通過(guò)矯枉過(guò)正的方法微調(diào)電壓，穩(wěn)住電流，實(shí)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(guò)電流大的優(yōu)點(diǎn)，但是開(kāi)關(guān)速度較慢。

　　在該題目要求中，不需快速的開(kāi)關(guān)速度但要求能導(dǎo)通較大電流。因此，我們選用電磁繼電器。

　　圖5 無(wú)反饋100mA和200mA恒流源電路[!--empirenews.page--]

　　圖6 負(fù)反饋100mA和200mA恒流源電路

　　過(guò)溫保護(hù)

　　采用18b20實(shí)時(shí)檢測(cè)加熱電阻的溫度，當(dāng)大于120攝氏度時(shí)控制繼電器使電路斷開(kāi)。由于不同型號(hào)的熱敏電阻對(duì)保護(hù)溫度要求不同，這樣可以通過(guò)軟件設(shè)置保護(hù)溫度，來(lái)完成加熱任務(wù)。

　　測(cè)試結(jié)果

　　通過(guò)大功率可調(diào)電位器模擬熱敏電阻的加熱過(guò)程，調(diào)節(jié)電阻由小增大，開(kāi)始為恒流充電方式，當(dāng)達(dá)到10V時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為恒壓方式。在調(diào)節(jié)過(guò)程中檢測(cè)充電端的電壓波動(dòng)，充電電流波動(dòng)和電壓電流紋波。

　　在調(diào)節(jié)過(guò)程中，同時(shí)觀察LCD上電壓、電流示數(shù)與用專用測(cè)試儀器的誤差。

　　測(cè)試結(jié)果示于表1和表2。

　　通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量我們可以看出系統(tǒng)已經(jīng)很好的滿足試驗(yàn)各項(xiàng)要求，并能夠長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定工作。并能夠準(zhǔn)確測(cè)量和顯示測(cè)量結(jié)果，和進(jìn)行過(guò)溫保護(hù)。

　　表1 快速充電測(cè)試

　　表2 慢速充電測(cè)試