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　　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，解決上述問題。此系統的關鍵在于設計一個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，影響實驗精度。

　　同時，此數控電源由于精度高，穩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。

　　系統方案

　　以AVR mega16L為主控制器，通過內置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實現穩定輸出和小紋波電壓。在恒流狀態下，實時通過AD檢測輸出電流，同時通過DA實時控制，實現電流穩定性。

　　該設計的難點在于小于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，并在電路中串聯還是電感以及并聯電容，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，最后進行單點共地。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。

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　　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16位D/A芯片AD669輸出電壓給恒流電路，經過轉化產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，通過數字PI調節器對輸出的電流值進行調整，實現高精度的閉環反饋控制。

　　考慮本系統對電流的動態調整性能要求不高，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，關鍵在于調整好比例系數Kp,、積分系數Ki。各個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，將使系統的動作反應速度加快，穩態誤差減小;但是Kp增大，將使系統趨于振蕩或振蕩加劇，調節時間加長;Kp太大時，系統會趨于不穩定;Kp太小，又會使系統的動作緩慢。

　　積分系數Ki，積分作用能消除穩態誤差，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過小會使系統不穩定。可采 用 臨 界靈敏度法整定PI調節器的Kp，Ki兩個參數。

　　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控制的性質越好。

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　　圖2 橫流電路擴流三極管模擬測試結果

　　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，片內含16k空間的可反復擦寫100,000次的Flash存儲器，32個IO口，內置8路10 位ADC，可編程看門狗電路，抗干擾能力強，可在電磁干擾環境下工作。且Mega系列的單片機可以在線編程、調試，方便地實現程序的下載與整機的調試。

　　顯示模塊

　　使用LCD液晶顯示屏顯示。LCD有明顯的優點：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。

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　　圖3 電源端口電壓檢測電路

　　通過一級電壓跟隨并通過電阻分壓，調節到當外電壓為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，并實現電壓可調的目的采用AMS1117精密穩壓芯片，通過調節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。故采用兩級穩壓(見圖4)。這樣經過穩壓后輸出電壓紋波基本為電容電阻的熱噪聲。

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　　圖4 10V恒壓輸出電路

　　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，并進行實時調節(見圖5)設計恒流源。

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　　圖5 無反饋100mA和200mA恒流源電路

　　采用16位D/A芯片AD669，調節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，經過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，通過矯枉過正的方法微調電壓，穩住電流，實現恒流。

　　恒流充電與恒壓充電方式的轉換

　　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。

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　　圖6 負反饋100mA和200mA恒流源電路

　　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。

　　測試結果

　　通過大功率可調電位器模擬熱敏電阻的加熱過程，調節電阻由小增大，開始為恒流充電方式，當達到10V時自動轉換為恒壓方式。在調節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。

　　在調節過程中，同時觀察LCD上電壓、電流示數與用專用測試儀器的誤差。

　　測試結果示于表1和表2。

　　表1 快速充電測試

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　　表2 慢速充電測試

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　　通過對系統的實際測量我們可以看出系統已經很好的滿足試驗各項要求，并能夠長時間的穩定工作。并能夠準確測量和顯示測量結果，和進行過溫保護。