基于K60的氙燈電源控制系統設計

北京工商大學 霍亮生 顧祖寶 李秋林

北京泊菲萊科技有限公司 陳 磊

1.引言

氙燈光源相比于其它電光源的優點是發光效率高、能耗浪費低，可實現高能量密度、長時間連續照射，氙燈輻射光譜能量分布與日光相接近，色溫約為6000K，近似點光源。廣泛應用于布匹織物的顏色檢驗，藥物、塑料的老化試驗，植物栽培，光化學等方面充當人工老化的光源和模擬日光[1]。隨著科學技術日新月異的發展，尤其是電力電子技術、半導體技術、傳感器技術的日趨成熟，各種功率器件不斷涌現，氙燈電源驅動技術也在不斷發展，從而使氙燈的應用領域越來越寬。因此很有必要設計出一款穩定，可靠的氙燈電源控制系統。

2.氙燈的工作原理

氙燈結構與常用的白熾燈不同，沒有鎢絲，其石英泡殼內充有0.019~0.0266MPa高壓氙氣，是通過氣體放電而達到照明效果的光源，它有正負兩個電極，極間距離小于10mm，氙氣在高壓的條件下電離成正負離子而具有導電性，正負電極進行極間放電產生電弧，利用電弧激活隋性氣體氙氣，促使金屬鹽發光[2-4]。

3.系統總體結構設計

氙燈電源控制系統的設計主要包括硬件系統設計和軟件系統設計兩大部分。其中硬件系統主要包括主控制器和氙燈電源系統，組成原理框圖如圖1所示。

軟件系統的設計包括液晶顯示程序、按鍵掃描程序、電流、電壓、光采樣程序以及電流和光反饋控制算法程序等。通過對氙燈光源軟硬件控制系統的設計和聯合調試，實現該控制系統可靠、穩定的工作。

4.硬件設計

控制系統的硬件設計部分主要包括電源轉換電路，升壓控制電路，繼電器控制電路以及人及交互接口電路等，具體硬件結構如圖2所示。

圖1 氙燈電源控制系統框圖Fig.1 Block diagram of Xenon Lamp Power Supply Control System

圖2 系統硬件結構圖Fig.2 System Hardware Structure

硬件系統以Kinetis 60微控制器為核心，具有處理速度快，功耗低，成本低等優點，其片內128KB的RAM，512KB的FLASH，高達16位精度A/D采樣模塊和多通道的DMA模塊完全滿足了系統開發的需要[5]。通過按、旋鈕的調節實現定時關燈、累計工作時間、亮度可調等主要功能，并把相關數據顯示在LCD液晶顯示屏上。繼電器的吸合控制了觸發器的觸發時刻，升壓電路工作以后，電壓迅速上升，當達到氙燈啟輝的電壓值時，繼電器吸合，給出觸發信號，帶動觸發器工作，瞬時產生近萬伏的高壓，擊穿氙氣，完成啟輝，而后只需24V開關電源正常供電，氙燈即可持續工作。為了減少功率驅動電路工作時對數字電路產生干擾，為此在數字電路與功率驅動電路之間加入了光電隔離器進行隔離[6]。

4.1 電源轉換電路設計

氙燈工作需要直流供電，電源選用24V直流開關電源模塊，控制系統的其他外圍模塊，例如輸入設備、液晶顯示器、其它數字芯片、模擬運放等大多為5V供電，主控芯片需要3.3V工作電壓，本系統先采用變壓、整流、濾波、穩壓將220V交流電轉換成穩定的5V直流電[7]，給常規元器件供電，主控制器再將5V轉換成3.3V，使整個系統結構更加細致、緊湊，增加了系統的穩定性。電源轉換電路原理圖如圖3所示。

圖3 電源轉換電路Fig.3 Power Conversion Circuit

4.2 升壓控制電路設計

由氙燈的工作原理可知，氙氣是一種惰性氣體，若要擊穿氙氣使氙燈工作，必須提供足夠高的啟輝電壓，這就要求控制系統必須包括升壓電路[9]。電壓升到一定的值后，驅動繼電器電路，觸發器由此得以觸發。觸發電壓高達上萬伏，足以使氙燈光源啟輝成功。升壓電路簡圖如圖4所示。

圖4 升壓控制電路簡圖Fig.4 Boost Control Circuit

4.3 人機交互接口

隨著科技的發展，友好的人機接口，可視化界面已經成為各種數字控制產品的必要功能，本設計中采用了12864液晶顯示電路，液晶模塊可通過微控制器8位并口寫入數據。12864液晶帶有中文字庫，可以顯示絕大部分字符，符號和文字。可分四行顯示，每行可顯示8個漢字或者16個字符。鍵盤接口電路一端接5V電壓，另一端通過上拉電阻直接微控制器I/O相連，將微控制器接口配置為輸入，不上拉，通過軟件程序掃描I/O的狀態，當按鍵未按下時，I/O口為低電平。當按鍵按下時，I/O口為高電平。通過這種方法實現按鍵檢測。

5.軟件設計

本設計程序采用C語言編寫，代碼執行效率高，可讀性好，代碼的移植性強。

5.1 軟件整體設計方案

如圖5所示為程序流程圖，初始化部分主要是對A/D采樣，D/A模塊，PWM模塊，定時器以及微控制器I/O口等初始化。微控制器不斷掃描按鍵，檢測按鍵是否按下。啟動成功后，程序通過對微控制器片內FLASH的讀寫實現掉電數據保存，達到累計時間的功能通過對液晶的讀寫操作，實現顯示功能。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flowchart of the Systerm

5.2 電流和光的反饋控制算法

氙燈光源的工作需要穩定的直流電源，電流波動越小，光強越穩定，所以在設計中應進可能的使電流達到恒定。每一次調節電流之后，也應使電流盡快的達到設定值并保持穩定。電流調節電路是通過D/A模塊和運放完成的。當調節設定電流大小時，D/A輸出相應變化，經運放比較后輸出，使氙燈回路的電流相應增大或減小，并最終趨于穩定[10]。電流反饋調節控制算法框圖如圖6所示。

反饋回路只采用了PID控制算法中斷P系數控制，P為比例系數，P越小，電流跟隨的越慢，但是精度較高，P越大，電流跟隨的雖然很快，但是精度不能很好的保證。所以必須通過反復試驗，選取合適的P值。

圖6 電流反饋調節控制框圖Fig.6 Control Block Diagram of Light Feedback

本系統中最適合的P值取0.15，使電流調節過程的快速性、準確性以及穩定性得以保證。光反饋原理和電流反饋類似，采樣時利用光電池將光信號轉化成電信號，經過信號處理并放大至同采樣基準相當的量級，保證采樣精度[11]。

6.實驗結果

為了驗證系統電流反饋控制算法的有效性和必要性，分別在帶有電流反饋與不帶電流反饋兩種情況下，對氙燈啟動后回路電流進行測量實驗，取得測量數據，并用MATLAB繪制了電流隨時間變化的曲線如圖7、8所示。

圖7 不帶電流反饋測量結果Fig.7 Measurement Results without Light Feedback

圖8 帶電流反饋測量結果Fig.8 Measurement Results with Light Feedback

為了驗證光輸出的穩定性，分別在帶有光反饋和不帶光反饋，兩種情況下，對氙燈啟動后光照強度進行測量實驗，取得測量數據，繪制曲線如圖9、10所示。

圖9 不帶光反饋測量結果Fig.9 Measurement Results without Light Feedback

圖10 帶光反饋測量結果Fig.10 Measurement Results with Light Feedback

實驗結果表明，電流反饋控制算法有效地抑制了電流的波動。不帶光反饋時，光強隨時間有明顯波動，而帶有光反饋時，輸出的光強度基本達到穩定，滿足使用要求。

7.結束語

本設計簡要說明了氙燈光源控制系統設計的各個主要硬件模塊和軟件流程，實現了預期的功能。氙燈光源控制系統的開發，對于解決我國目前電子產品研發水平低、產品質量差、智能化程度低等問題，具有一定的積極作用及現實意義。氙燈光源同樣作為一種新型的能源，發光效率高，節約能耗，響應了低碳環保的時代發展趨勢。

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