基于數字電位器X9312的功率調節(jié)電路
[導讀]本文采用Xicor數字電位器X9312和NE555組成占空比可調的脈沖振蕩器，驅動固態(tài)繼電器實現功率調節(jié)的功率調節(jié)電路及其單片機控制程序。
引言
在科學研究和工業(yè)生產的許多領域中，人們都需要對各類加熱爐的內部溫度進行監(jiān)測和控制。采用單片機來對它們進行監(jiān)測控制不僅具有控制方便、簡單、靈活等優(yōu)點，而且可以大幅度提高受控對象的技術指針。
單片機通常是通過輸入信道將溫度傳感器感受到的被控對象當前溫度轉變?yōu)閿底至坎⑤斎氲絾纹瑱C內，單片機求出輸入的當前溫度值與設定值的偏差，并根據該偏差進行PID運算，最后根據PID運算的結果，通過功率調節(jié)電路改變給定周期內加熱絲的通電時間來實現對溫度的控制。功率調節(jié)電路調節(jié)功率的實質是利用占空比的調節(jié)來改變加熱絲的平均功率，整個控制系統(tǒng)是一個典型的死循環(huán)系統(tǒng)。功率調節(jié)電路是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，不僅要求輸出功率大，還要求能根據需要對輸出功率進行精確的調節(jié)，是系統(tǒng)中最關鍵、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數字電位器X9312和NE555組成占空比可調的脈沖振蕩器，驅動固態(tài)繼電器實現功率調節(jié)的功率調節(jié)電路及其單片機控制程序。該電路用于某型標準恒溫油槽中作為自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，取得了理想效果。
數字電位器X 9312
數字電位器一般用電阻數組和多路仿真開關組合實現電阻值的改變，克服了仿真電位器噪聲大、磨損大、怕振動、壽命短的主要缺點。尤其重要的是數字電位器具有可編程能力，可方便地實現與單片機的接口，實質上是一種特殊的數模轉換器。其仿真量輸出不是電壓或電流，而是電阻或電阻比率，允許用戶直接過程控制，利用電阻值或電阻比率變化進行參數調整。
Xicor 公司生產的非易失性數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械電位器。X9312是Xicor 非易失性數字電位器系列中的典型產品之一，圖1為X9312的結構框圖，圖2是X9312的引腳配置圖。
X9312有三個組成部分：電阻數組；非易失性存貯器；輸入控制、計數器、譯碼器。
X9312的電阻數組帶溫度補償，包含99個電阻單元，在每兩個單元之間和兩個端點都有可以被滑動單元訪問的抽頭點。滑動單元的位置由、和三個輸入端控制。只有置低，X9312被選中，才能使和輸入端接受信號。在輸入端由高變低時將增加或減少(這取決于輸入端的狀態(tài))7位計數器的值，計數器的輸出被譯碼，進行一百選一的操作，使滑動端的位置沿電阻數組移動。計數器的值不會從全0跳至全1，也不會從全1跳至全0，因此滑動端到達電阻數組的一個極端時不會跳至另一極端而循環(huán)往復?；瑒佣说奈恢每梢员毁A存到一個非易失性存貯器中，因而在下一次上電工作時可以重新調用。X9312的分辨率等于最大的電阻值除以99。例如X9312T(100KΩ)的每兩個抽頭間的阻值為1010Ω。
基于X9312的功率調節(jié)電路
圖3(a)是用NE555組成的占空比可調的脈沖振蕩器，該振蕩器占空比調節(jié)范圍較大，NE555工作于無穩(wěn)態(tài)工作方式。此電路實現占空比調節(jié)的關鍵器件是電位器W，數字電位器X9312用于圖3(a)的電路中，替換機械電位器，就可在單片機控制下直接調整輸出脈沖的占空比，驅動固態(tài)繼電器實現功率調節(jié)，其電路如圖3(b)所示。
某型標準恒溫油槽是根據國家頒布的計量檢定規(guī)程要求而專門設計制造的，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℃間根據需要設定，達到設定溫度并穩(wěn)定后,要求15分鐘內溫度波動小于±0.01℃，在對該型恒溫油槽進行改進時，采用了基于數字電位器X9312的功率調節(jié)電路作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構。由于該標準恒溫油槽對溫度波動的要求很高，因此要求功率調節(jié)電路能進行非常精細的功率調節(jié)。而數字電位器由于生產工藝等因素的限制，目前其抽頭數最大一般為256，圖3電路中的X9312的抽頭數僅為100，也就是說圖3電路只能按加熱絲最大功率的百分之一的分辨力進行功率調節(jié)，其功率調節(jié)精度難以滿足恒溫油槽的要求。為此，在圖3電路的基礎上增加了微調數字電位器，使功率調節(jié)分辨能力達到加熱絲最大功率的萬分之一，圖4為其電路圖。
圖中數字電位器U2、U4是粗調電位器，兩者同步調節(jié)，選用X9312TP，阻值為100KW，抽頭數為100，每一檔阻值約為1KW。U3是微調電位器，選用X9312ZP，阻值為1KΩ，抽頭數為100，每一檔阻值約為10Ω。微調電位器將粗調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分之一。固態(tài)繼電器選用30A/220V交流過零型。R1、R2決定占空比的最大值和最小值，應盡可能的小，以增大功率調節(jié)范圍，但受數字電位器滑動端所能承受最大電流的限制，應根據需要綜合考慮。X9312滑動端所能承受的最大電流為±1mA，選擇圖中阻值時，實測X9312滑動端電流約為0.1mA，必要時R1、R2可進一步減小，但已滿足了恒溫油槽功率調節(jié)范圍的需要，為保證數字電位器的安全工作，R1、R2沒有選擇更小的阻值。電容C應選擇漏電小的鉭電解電容，其容量決定固態(tài)繼電器的開關周期。
單片機控制程序
單片機對功率調節(jié)電路進行調節(jié)的程序框圖如圖5所示。其中單片機的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7引腳分別接微調電位器片選、粗調電位器片選和升/降控制輸入引腳、輸入時鐘引腳，P2.6、P2.7為微調和粗調電位器共享，根據片選信號區(qū)分兩電位器。
程序中，位尋址單元SIGN1為PID運算所決定的功率調整方向，SIGN1為1時，減小功率；為0時，增大功率。單片機的58H、59H單元為調整量寄存器，存放PID運算結果，決定調整量的大小，功率調節(jié)子程序執(zhí)行完時，該寄存器應為全0。內存的W0P、W1P單元記錄微調、粗調電位器當前所處的位置，當W0、W1均位于最高(低)端時，說明加熱功率為最大(小)，此時已無法繼續(xù)增大(減小)功率，因此不作調整。
結語
用該電路改進的恒溫油槽經測試完全符合計量檢定規(guī)程的要求，15分鐘內的溫度波動小于±0.01℃。適當調整控制系統(tǒng)的PID參數后用于某型恒溫水槽，其15分鐘內的溫度波動小于±0.008℃，優(yōu)于計量檢定規(guī)程要求的±0.01℃溫度波動要求。
基于數字電位器X9312的功率調節(jié)電路在實際應用中體現出以下特點：電路結構簡單，調試方便，整個功率調節(jié)電路僅十余個組件，只要焊接無誤，幾乎不需要調試；成本低，除固態(tài)繼電器需根據加熱功率選擇外，其它器件總成本非常低；單片機僅在需要改變功率時對數字電位器進行操作，不操作時調功器保持最后一次操作所確定的功率，不需要單片機不斷地對I/O引腳進行操作以產生控制脈沖，不占用片內的定時器，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。
在科學研究和工業(yè)生產的許多領域中，人們都需要對各類加熱爐的內部溫度進行監(jiān)測和控制。采用單片機來對它們進行監(jiān)測控制不僅具有控制方便、簡單、靈活等優(yōu)點，而且可以大幅度提高受控對象的技術指針。
單片機通常是通過輸入信道將溫度傳感器感受到的被控對象當前溫度轉變?yōu)閿底至坎⑤斎氲絾纹瑱C內，單片機求出輸入的當前溫度值與設定值的偏差，并根據該偏差進行PID運算，最后根據PID運算的結果，通過功率調節(jié)電路改變給定周期內加熱絲的通電時間來實現對溫度的控制。功率調節(jié)電路調節(jié)功率的實質是利用占空比的調節(jié)來改變加熱絲的平均功率，整個控制系統(tǒng)是一個典型的死循環(huán)系統(tǒng)。功率調節(jié)電路是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，不僅要求輸出功率大，還要求能根據需要對輸出功率進行精確的調節(jié)，是系統(tǒng)中最關鍵、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數字電位器X9312和NE555組成占空比可調的脈沖振蕩器，驅動固態(tài)繼電器實現功率調節(jié)的功率調節(jié)電路及其單片機控制程序。該電路用于某型標準恒溫油槽中作為自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，取得了理想效果。
數字電位器X 9312
數字電位器一般用電阻數組和多路仿真開關組合實現電阻值的改變，克服了仿真電位器噪聲大、磨損大、怕振動、壽命短的主要缺點。尤其重要的是數字電位器具有可編程能力，可方便地實現與單片機的接口，實質上是一種特殊的數模轉換器。其仿真量輸出不是電壓或電流，而是電阻或電阻比率，允許用戶直接過程控制，利用電阻值或電阻比率變化進行參數調整。
Xicor 公司生產的非易失性數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械電位器。X9312是Xicor 非易失性數字電位器系列中的典型產品之一，圖1為X9312的結構框圖，圖2是X9312的引腳配置圖。
X9312有三個組成部分：電阻數組；非易失性存貯器；輸入控制、計數器、譯碼器。
X9312的電阻數組帶溫度補償，包含99個電阻單元，在每兩個單元之間和兩個端點都有可以被滑動單元訪問的抽頭點。滑動單元的位置由、和三個輸入端控制。只有置低，X9312被選中，才能使和輸入端接受信號。在輸入端由高變低時將增加或減少(這取決于輸入端的狀態(tài))7位計數器的值，計數器的輸出被譯碼，進行一百選一的操作，使滑動端的位置沿電阻數組移動。計數器的值不會從全0跳至全1，也不會從全1跳至全0，因此滑動端到達電阻數組的一個極端時不會跳至另一極端而循環(huán)往復?；瑒佣说奈恢每梢员毁A存到一個非易失性存貯器中，因而在下一次上電工作時可以重新調用。X9312的分辨率等于最大的電阻值除以99。例如X9312T(100KΩ)的每兩個抽頭間的阻值為1010Ω。
基于X9312的功率調節(jié)電路
圖3(a)是用NE555組成的占空比可調的脈沖振蕩器，該振蕩器占空比調節(jié)范圍較大，NE555工作于無穩(wěn)態(tài)工作方式。此電路實現占空比調節(jié)的關鍵器件是電位器W，數字電位器X9312用于圖3(a)的電路中，替換機械電位器，就可在單片機控制下直接調整輸出脈沖的占空比，驅動固態(tài)繼電器實現功率調節(jié)，其電路如圖3(b)所示。
某型標準恒溫油槽是根據國家頒布的計量檢定規(guī)程要求而專門設計制造的，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℃間根據需要設定，達到設定溫度并穩(wěn)定后,要求15分鐘內溫度波動小于±0.01℃，在對該型恒溫油槽進行改進時，采用了基于數字電位器X9312的功率調節(jié)電路作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構。由于該標準恒溫油槽對溫度波動的要求很高，因此要求功率調節(jié)電路能進行非常精細的功率調節(jié)。而數字電位器由于生產工藝等因素的限制，目前其抽頭數最大一般為256，圖3電路中的X9312的抽頭數僅為100，也就是說圖3電路只能按加熱絲最大功率的百分之一的分辨力進行功率調節(jié)，其功率調節(jié)精度難以滿足恒溫油槽的要求。為此，在圖3電路的基礎上增加了微調數字電位器，使功率調節(jié)分辨能力達到加熱絲最大功率的萬分之一，圖4為其電路圖。
圖中數字電位器U2、U4是粗調電位器，兩者同步調節(jié)，選用X9312TP，阻值為100KW，抽頭數為100，每一檔阻值約為1KW。U3是微調電位器，選用X9312ZP，阻值為1KΩ，抽頭數為100，每一檔阻值約為10Ω。微調電位器將粗調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分之一。固態(tài)繼電器選用30A/220V交流過零型。R1、R2決定占空比的最大值和最小值，應盡可能的小，以增大功率調節(jié)范圍，但受數字電位器滑動端所能承受最大電流的限制，應根據需要綜合考慮。X9312滑動端所能承受的最大電流為±1mA，選擇圖中阻值時，實測X9312滑動端電流約為0.1mA，必要時R1、R2可進一步減小，但已滿足了恒溫油槽功率調節(jié)范圍的需要，為保證數字電位器的安全工作，R1、R2沒有選擇更小的阻值。電容C應選擇漏電小的鉭電解電容，其容量決定固態(tài)繼電器的開關周期。
單片機控制程序
單片機對功率調節(jié)電路進行調節(jié)的程序框圖如圖5所示。其中單片機的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7引腳分別接微調電位器片選、粗調電位器片選和升/降控制輸入引腳、輸入時鐘引腳，P2.6、P2.7為微調和粗調電位器共享，根據片選信號區(qū)分兩電位器。
程序中，位尋址單元SIGN1為PID運算所決定的功率調整方向，SIGN1為1時，減小功率；為0時，增大功率。單片機的58H、59H單元為調整量寄存器，存放PID運算結果，決定調整量的大小，功率調節(jié)子程序執(zhí)行完時，該寄存器應為全0。內存的W0P、W1P單元記錄微調、粗調電位器當前所處的位置，當W0、W1均位于最高(低)端時，說明加熱功率為最大(小)，此時已無法繼續(xù)增大(減小)功率，因此不作調整。
結語
用該電路改進的恒溫油槽經測試完全符合計量檢定規(guī)程的要求，15分鐘內的溫度波動小于±0.01℃。適當調整控制系統(tǒng)的PID參數后用于某型恒溫水槽，其15分鐘內的溫度波動小于±0.008℃，優(yōu)于計量檢定規(guī)程要求的±0.01℃溫度波動要求。
基于數字電位器X9312的功率調節(jié)電路在實際應用中體現出以下特點：電路結構簡單，調試方便，整個功率調節(jié)電路僅十余個組件，只要焊接無誤，幾乎不需要調試；成本低，除固態(tài)繼電器需根據加熱功率選擇外，其它器件總成本非常低；單片機僅在需要改變功率時對數字電位器進行操作，不操作時調功器保持最后一次操作所確定的功率，不需要單片機不斷地對I/O引腳進行操作以產生控制脈沖，不占用片內的定時器，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。
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