基于數(shù)字電位器X9312的功率調(diào)節(jié)電路

引言

     在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐的內(nèi)部溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。采用單片機(jī)來(lái)對(duì)它們進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單、靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高受控對(duì)象的技術(shù)指針。 
 
    單片機(jī)通常是通過(guò)輸入信道將溫度傳感器感受到的被控對(duì)象當(dāng)前溫度轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量并輸入到單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)求出輸入的當(dāng)前溫度值與設(shè)定值的偏差，并根據(jù)該偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，最后根據(jù)PID運(yùn)算的結(jié)果，通過(guò)功率調(diào)節(jié)電路改變給定周期內(nèi)加熱絲的通電時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。功率調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)功率的實(shí)質(zhì)是利用占空比的調(diào)節(jié)來(lái)改變加熱絲的平均功率，整個(gè)控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的死循環(huán)系統(tǒng)。功率調(diào)節(jié)電路是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不僅要求輸出功率大，還要求能根據(jù)需要對(duì)輸出功率進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)，是系統(tǒng)中最關(guān)鍵、最昂貴的組成部分，也常常是故障率最高的部分。

    本文采用Xicor數(shù)字電位器X9312和NE555組成占空比可調(diào)的脈沖振蕩器，驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的功率調(diào)節(jié)電路及其單片機(jī)控制程序。該電路用于某型標(biāo)準(zhǔn)恒溫油槽中作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，取得了理想效果。





數(shù)字電位器X 9312 

    數(shù)字電位器一般用電阻數(shù)組和多路仿真開(kāi)關(guān)組合實(shí)現(xiàn)電阻值的改變，克服了仿真電位器噪聲大、磨損大、怕振動(dòng)、壽命短的主要缺點(diǎn)。尤其重要的是數(shù)字電位器具有可編程能力，可方便地實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的接口，實(shí)質(zhì)上是一種特殊的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。其仿真量輸出不是電壓或電流，而是電阻或電阻比率，允許用戶直接過(guò)程控制，利用電阻值或電阻比率變化進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

    Xicor 公司生產(chǎn)的非易失性數(shù)字電位器可以滿足各種分辨率和控制精度的要求，幾乎可取代所有仿真電路中的機(jī)械電位器。X9312是Xicor 非易失性數(shù)字電位器系列中的典型產(chǎn)品之一，圖1為X9312的結(jié)構(gòu)框圖，圖2是X9312的引腳配置圖。

    X9312有三個(gè)組成部分：電阻數(shù)組；非易失性存貯器；輸入控制、計(jì)數(shù)器、譯碼器。

    X9312的電阻數(shù)組帶溫度補(bǔ)償，包含99個(gè)電阻單元，在每?jī)蓚€(gè)單元之間和兩個(gè)端點(diǎn)都有可以被滑動(dòng)單元訪問(wèn)的抽頭點(diǎn)。滑動(dòng)單元的位置由、和三個(gè)輸入端控制。只有置低，X9312被選中，才能使和輸入端接受信號(hào)。在輸入端由高變低時(shí)將增加或減少(這取決于輸入端的狀態(tài))7位計(jì)數(shù)器的值，計(jì)數(shù)器的輸出被譯碼，進(jìn)行一百選一的操作，使滑動(dòng)端的位置沿電阻數(shù)組移動(dòng)。計(jì)數(shù)器的值不會(huì)從全0跳至全1，也不會(huì)從全1跳至全0，因此滑動(dòng)端到達(dá)電阻數(shù)組的一個(gè)極端時(shí)不會(huì)跳至另一極端而循環(huán)往復(fù)?；瑒?dòng)端的位置可以被貯存到一個(gè)非易失性存貯器中，因而在下一次上電工作時(shí)可以重新調(diào)用。X9312的分辨率等于最大的電阻值除以99。例如X9312T(100KΩ)的每?jī)蓚€(gè)抽頭間的阻值為1010Ω。

基于X9312的功率調(diào)節(jié)電路

    圖3(a)是用NE555組成的占空比可調(diào)的脈沖振蕩器，該振蕩器占空比調(diào)節(jié)范圍較大，NE555工作于無(wú)穩(wěn)態(tài)工作方式。此電路實(shí)現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)的關(guān)鍵器件是電位器W，數(shù)字電位器X9312用于圖3(a)的電路中，替換機(jī)械電位器，就可在單片機(jī)控制下直接調(diào)整輸出脈沖的占空比，驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，其電路如圖3(b)所示。

    某型標(biāo)準(zhǔn)恒溫油槽是根據(jù)國(guó)家頒布的計(jì)量檢定規(guī)程要求而專門設(shè)計(jì)制造的，主要用于溫度傳感器檢定，最大加熱功率為4000瓦，工作溫度可在0℃~300℃間根據(jù)需要設(shè)定，達(dá)到設(shè)定溫度并穩(wěn)定后,要求15分鐘內(nèi)溫度波動(dòng)小于±0.01℃，在對(duì)該型恒溫油槽進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，采用了基于數(shù)字電位器X9312的功率調(diào)節(jié)電路作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于該標(biāo)準(zhǔn)恒溫油槽對(duì)溫度波動(dòng)的要求很高，因此要求功率調(diào)節(jié)電路能進(jìn)行非常精細(xì)的功率調(diào)節(jié)。而數(shù)字電位器由于生產(chǎn)工藝等因素的限制，目前其抽頭數(shù)最大一般為256，圖3電路中的X9312的抽頭數(shù)僅為100，也就是說(shuō)圖3電路只能按加熱絲最大功率的百分之一的分辨力進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，其功率調(diào)節(jié)精度難以滿足恒溫油槽的要求。為此，在圖3電路的基礎(chǔ)上增加了微調(diào)數(shù)字電位器，使功率調(diào)節(jié)分辨能力達(dá)到加熱絲最大功率的萬(wàn)分之一，圖4為其電路圖。

    圖中數(shù)字電位器U2、U4是粗調(diào)電位器，兩者同步調(diào)節(jié)，選用X9312TP，阻值為100KW，抽頭數(shù)為100，每一檔阻值約為1KW。U3是微調(diào)電位器，選用X9312ZP，阻值為1KΩ，抽頭數(shù)為100，每一檔阻值約為10Ω。微調(diào)電位器將粗調(diào)電位器的每一檔又分為100檔，因此分辨能力為最大加熱功率的萬(wàn)分之一。固態(tài)繼電器選用30A/220V交流過(guò)零型。R1、R2決定占空比的最大值和最小值，應(yīng)盡可能的小，以增大功率調(diào)節(jié)范圍，但受數(shù)字電位器滑動(dòng)端所能承受最大電流的限制，應(yīng)根據(jù)需要綜合考慮。X9312滑動(dòng)端所能承受的最大電流為±1mA，選擇圖中阻值時(shí)，實(shí)測(cè)X9312滑動(dòng)端電流約為0.1mA，必要時(shí)R1、R2可進(jìn)一步減小，但已滿足了恒溫油槽功率調(diào)節(jié)范圍的需要，為保證數(shù)字電位器的安全工作，R1、R2沒(méi)有選擇更小的阻值。電容C應(yīng)選擇漏電小的鉭電解電容，其容量決定固態(tài)繼電器的開(kāi)關(guān)周期。

單片機(jī)控制程序

    單片機(jī)對(duì)功率調(diào)節(jié)電路進(jìn)行調(diào)節(jié)的程序框圖如圖5所示。其中單片機(jī)的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7引腳分別接微調(diào)電位器片選、粗調(diào)電位器片選和升/降控制輸入引腳、輸入時(shí)鐘引腳，P2.6、P2.7為微調(diào)和粗調(diào)電位器共享，根據(jù)片選信號(hào)區(qū)分兩電位器。

    程序中，位尋址單元SIGN1為PID運(yùn)算所決定的功率調(diào)整方向，SIGN1為1時(shí)，減小功率；為0時(shí)，增大功率。單片機(jī)的58H、59H單元為調(diào)整量寄存器，存放PID運(yùn)算結(jié)果，決定調(diào)整量的大小，功率調(diào)節(jié)子程序執(zhí)行完時(shí)，該寄存器應(yīng)為全0。內(nèi)存的W0P、W1P單元記錄微調(diào)、粗調(diào)電位器當(dāng)前所處的位置，當(dāng)W0、W1均位于最高(低)端時(shí)，說(shuō)明加熱功率為最大(小)，此時(shí)已無(wú)法繼續(xù)增大(減小)功率，因此不作調(diào)整。


結(jié)語(yǔ)

    用該電路改進(jìn)的恒溫油槽經(jīng)測(cè)試完全符合計(jì)量檢定規(guī)程的要求，15分鐘內(nèi)的溫度波動(dòng)小于±0.01℃。適當(dāng)調(diào)整控制系統(tǒng)的PID參數(shù)后用于某型恒溫水槽，其15分鐘內(nèi)的溫度波動(dòng)小于±0.008℃，優(yōu)于計(jì)量檢定規(guī)程要求的±0.01℃溫度波動(dòng)要求。

    基于數(shù)字電位器X9312的功率調(diào)節(jié)電路在實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)出以下特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，整個(gè)功率調(diào)節(jié)電路僅十余個(gè)組件，只要焊接無(wú)誤，幾乎不需要調(diào)試；成本低，除固態(tài)繼電器需根據(jù)加熱功率選擇外，其它器件總成本非常低；單片機(jī)僅在需要改變功率時(shí)對(duì)數(shù)字電位器進(jìn)行操作，不操作時(shí)調(diào)功器保持最后一次操作所確定的功率，不需要單片機(jī)不斷地對(duì)I/O引腳進(jìn)行操作以產(chǎn)生控制脈沖，不占用片內(nèi)的定時(shí)器，軟件編寫十分方便；適用范圍廣，只要更換合適的固態(tài)繼電器，就能用于小到幾瓦、大到幾十千瓦的功率調(diào)節(jié)中，不僅能用于直流電、單相交流電，還能用于三相交流電。