基于STM32智能氘燈電源的設(shè)計與實現(xiàn)

*

(1.大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，大連 116028；2.大連依利特分析儀器有限公司，大連 116023)

1 引言

氘燈作為一種理想的紫外光源在高效液相色譜儀、紫外分光光度計、膠片厚度測量儀等分析儀器中廣泛應(yīng)用[1]。隨著國內(nèi)外高端分析儀器的發(fā)展，不僅對分析儀器的穩(wěn)定性及使用壽命提出了要求，也提出了分析儀器智能化的發(fā)展理念[2]。例如，通過上位機軟件控制檢測器的各種功能、監(jiān)測檢測器的參數(shù)及性能指標(biāo)。氘燈電源作為紫外檢測器的核心部件，也應(yīng)該考慮智能化發(fā)展。目前，德國Heraeus生產(chǎn)的PSD186型氘燈電源[3]，其預(yù)熱電壓可調(diào)，能點亮所有功率為30 W的氘燈；日本HAMAMATSU生產(chǎn)的C9598型氘燈電源[4]，使用了精密的恒流電路，具有高穩(wěn)定性，外部控制及結(jié)構(gòu)簡單等特點；國內(nèi)田俊杰采用基于場效應(yīng)管的數(shù)控恒流源方案，使輸出電流保持穩(wěn)定[5]；徐丹陽等人使用了L6561功率因數(shù)校準(zhǔn)電路和UC3843穩(wěn)壓電路，改善了傳統(tǒng)電路功率因數(shù)低、電流諧波大的問題[6]；天津拓普儀器有限公司發(fā)明的高精度恒流氘燈電源，使用采樣器對電流采樣進行反饋控制，以提高電流穩(wěn)定性[7]。

本研究設(shè)計了一種基于STM32的智能氘燈電源，可與上位機進行通信，接收上位機發(fā)送來的氘燈發(fā)光強度數(shù)據(jù)，根據(jù)氘燈發(fā)光強度自動調(diào)節(jié)電流檔位大小，讓氘燈能量保持在一個相對固定的水平。除了自動調(diào)節(jié)電流檔位，也可以開啟手動調(diào)節(jié)模式，人為的調(diào)節(jié)電流檔位大小，滿足不同場合對氘燈能量的需求，具有一定的實際應(yīng)用價值。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計

所設(shè)計的氘燈電源系統(tǒng)適用于點亮預(yù)熱電壓/電流為2.5 V/4 A的氘燈[8]。系統(tǒng)主要包括：MCU主控模塊、電源模塊、預(yù)熱電路模塊、高壓啟輝模塊、電流檔位調(diào)節(jié)模塊、外部通信模塊等[9]。系統(tǒng)的輸入電壓為220 V市電，為了滿足各部分電路需求電壓的不同，通過AD～DC電源模塊將電壓220 V轉(zhuǎn)換為30 V，進一步采用3個LM2596將30 V電壓分別轉(zhuǎn)化為12 V、6 V、3.3 V電壓[10]，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2.1 MCU主控模塊設(shè)計

采用STM32F103C8T6作為智能氘燈電源控制模塊的核心，程序上使用STM32特有的固件庫開發(fā)，不必接觸底層寄存器，縮短了開發(fā)周期，降低了編程難度。STM32主要負(fù)責(zé)控制氘燈電源各模塊的啟動順序、定時器中斷、外部通信；處理上位機發(fā)送來的發(fā)光強度數(shù)據(jù)以及記錄開燈次數(shù)、開燈時間等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)時鐘源采用有源晶振，提高了系統(tǒng)程序運行的準(zhǔn)確性和安全性，避免了控制系統(tǒng)因為復(fù)雜的電磁環(huán)境影響了時鐘的準(zhǔn)確性[11]。圖2為設(shè)計的最小系統(tǒng)原理圖。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 最小系統(tǒng)原理圖

2.2 電流檔位調(diào)節(jié)模塊設(shè)計

電流檔位調(diào)節(jié)模塊分為恒流和控制兩個部分電路組成，恒流電路主要采用LM317三端可調(diào)穩(wěn)壓芯片，將兩個LM317T串聯(lián)組成跟蹤與調(diào)節(jié)器電路，使得第二個LM317輸出恒定的電壓，再使用高精度電阻將恒定電壓轉(zhuǎn)換成電流供氘燈陽極使用[12]。為了減小波紋電壓，在電路中加入濾波電容。同時在穩(wěn)壓器的輸入端和輸出端之間跨接一個二極管，防止在輸出短路時，電容向穩(wěn)壓器調(diào)整端放電，調(diào)整管發(fā)射結(jié)反偏，損壞穩(wěn)壓器。控制部分主要分為三檔可調(diào)，選取兩個NPN型晶體三極管組成開關(guān)電路，通過STM32輸出高低電平控制三極管的開關(guān)，從而控制兩個繼電器吸合，完成電流檔位的調(diào)節(jié)。其硬件電路圖如圖3所示。

圖3 電流檔位調(diào)節(jié)電路圖

根據(jù)氘燈使用說明可知[13]，氘燈運行時的電流應(yīng)在300±20 mA之內(nèi)，因此取兩個繼電器都不吸合輸出電流為280 mA，只吸合一個繼電器輸出電流為300 mA，兩個繼電器都吸合輸出電流為320 mA。根據(jù)LM317的計算公式(1)和(2)可計算出限流電阻R1，R2，R3阻值的大小，其中Vref為LM317的參考電壓，其固定值為1.25 V。

Vout =Vref (1+Ra/Rb)+ (Iadj×Rb)

(1)

Iout=Vref/Rs

(2)

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計與流程設(shè)計

STM32微控制器采用C語言編程，完成硬件和數(shù)據(jù)初始化功能，由微控制單元控制時序電路讓預(yù)熱電路對氘燈陰極燈絲進行預(yù)熱，當(dāng)達到設(shè)定的燈絲預(yù)熱時間，高壓啟輝電路作用在氘燈的陽極陰極之間，使燈擊穿啟輝并進入弧光放電后，恒流電路開始持續(xù)給氘燈陽極提供穩(wěn)定電能[14]。EEPROM用來存儲電路相關(guān)參數(shù)，初始化成功后進入標(biāo)志位循環(huán)掃描狀態(tài)，系統(tǒng)每隔30min就會接收上位機發(fā)送來的光強數(shù)據(jù)儲存在EEPROM中，單片機通過IIC 總線讀取上一次儲存在EEPROM中的光強數(shù)據(jù)，然后進行處理判斷，從而自動根據(jù)光強調(diào)整電流檔位，軟件程序流程圖如圖4所示。

3.2 STM32與上位機的通信協(xié)議設(shè)計

STM32采用串口傳輸數(shù)據(jù)方式與上位機通信，氘燈電源從上位機獲取光強數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1 氘燈電源獲取光強數(shù)據(jù)通信協(xié)議格式

表中均為十六進制數(shù)，55表示數(shù)據(jù)幀的包頭用來識別一個數(shù)據(jù)幀的開始，00 09為光強的數(shù)據(jù)位數(shù)，aa為目標(biāo)地址，01表示獲取光強數(shù)據(jù)，01為發(fā)光強度值存儲的起始地址，af為一組數(shù)據(jù)幀的包尾，從數(shù)據(jù)長度開始結(jié)算累加、異或校驗和，到數(shù)據(jù)的最后一位結(jié)束，用于標(biāo)識一幀的結(jié)束。發(fā)送上述命令用來獲取氘燈發(fā)光強數(shù)據(jù)，當(dāng)上位機收到這條命令時，會采集氘燈發(fā)光強度的數(shù)據(jù)并向氘燈電源做出回應(yīng)，應(yīng)答數(shù)據(jù)格式如表2所示。

圖4 軟件流程圖

包頭數(shù)據(jù)長度目標(biāo)地址功能碼數(shù)據(jù)包尾5500 09010200 05 38 31d7

表中均為十六進制數(shù)，55表示數(shù)據(jù)幀的包頭用來識別一個數(shù)據(jù)幀的開始，00 09為光強的數(shù)據(jù)位數(shù)，01為氘燈電源板，02表示發(fā)送光強數(shù)據(jù)，0X00053831的十進制數(shù)為342065，此命令發(fā)送氘燈發(fā)光強數(shù)據(jù)給氘燈電源，氘燈電源接收到數(shù)據(jù)后，可以判斷數(shù)據(jù)包的完整性，正確性，然后提取數(shù)據(jù)，存放在EEPROM中用于主程序處理[15]。

4 系統(tǒng)測試及分析

4.1 實驗設(shè)備

驗證智能氘燈電源基本性能指標(biāo)的實驗設(shè)備如圖5所示。使用基本直流精度為0.0035 %的多功能數(shù)字萬用表用連接氘燈，用于實時采集實驗數(shù)據(jù)。PC機使用RS232通信線與萬用表連接，用于顯示采集來的數(shù)據(jù)。智能氘燈電源輸出端接入氘燈引線，用于點亮氘燈。D5101紫外檢測器的控制板與智能氘燈電源使用串口通信，用于向氘燈電源板發(fā)送光強數(shù)據(jù)。

圖5 氘燈電源實驗設(shè)備圖

4.2 基礎(chǔ)參數(shù)測試

對設(shè)計的氘燈電源陽極電壓、預(yù)熱電壓以及啟輝電壓等參數(shù)進行測試，驗證其是否滿足氘燈電源的基本要求，實驗過程如下。

(1) 氘燈陽極電流測試

將萬用表調(diào)節(jié)至直流電流檔位串聯(lián)在氘燈陽極與氘燈電源之間。在開機約20 s繼電器有動作后，測試并記錄，得到氘燈陽極電流波形如圖6(a)所示。經(jīng)過計算其電流波動為：0.05 %，漂移為：±0.06 %/h。

(2) 氘燈陽極電壓測試

用萬用表直流電壓檔位，黑色表筆接在接線端子的“地”端，紅表筆接在接線端子的陽極端，在開機約20 s繼電器有動作后，測試并記錄。得到氘燈電源陽極電壓波形圖，如圖6(b)所示。氘燈陽極電壓在開機前20 s為122.54 V，20 s后氘燈點亮陽極電壓變?yōu)?0 V，滿足設(shè)計要求。

(3) 氘燈陰極電壓測試

用萬用表直流電壓檔位，黑色表筆接在接線端子的“地”端，紅表筆接在接線端子的陰極端，測試并記錄。得到氘燈電源陰極電壓波形圖，如圖6(c)所示。氘燈陰極電壓在氘燈點亮前的20 s預(yù)熱時間內(nèi)的實測電壓值為2.32 V，點燈后維持電壓實測值在0.93 V左右，可以正常點亮氘燈。

(4) 氘燈啟輝電壓測試

將數(shù)字萬用表調(diào)節(jié)至1000 V直流電壓檔位，黑色表筆接在接線端子的“地”端，紅表筆接在接線端子的陽極端，測試并記錄。得到氘燈電源啟輝電壓波形圖，如圖6(d)所示，啟輝電壓達到392 V，滿足氘燈啟輝要求。

圖6 基礎(chǔ)參數(shù)測試(a).氘燈陽極電流；(b)氘燈陽極電壓 ；(c)氘燈陰極電壓 ；(d)氘燈啟輝電壓

4.3 檔位反饋調(diào)節(jié)測試

為了測試氘燈電源能否自動調(diào)節(jié)電流檔位，首先開啟調(diào)節(jié)模式，使用新、中、舊3個使用時間不同的氘燈，分別連入D5101紫外檢測器的智能氘燈電源上，并將數(shù)字萬用表調(diào)節(jié)至電流檔位與氘燈電源串聯(lián)。開機點燈等待D5101紫外檢測器自檢通過，在PC端打開數(shù)據(jù)采集工具，觀察并記錄不同氘燈對應(yīng)的電流檔位以及氘燈的發(fā)光強度大小。實驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 反饋調(diào)節(jié)測試結(jié)果

*測量的發(fā)光強度數(shù)值大小是氘燈電源的轉(zhuǎn)換值，并非標(biāo)準(zhǔn)發(fā)光強度計量單位。

由實驗數(shù)據(jù)可知，相比于普通氘燈電源，智能氘燈電源可以自動調(diào)整電流檔位，控制氘燈能量保持在一個相對固定的水平。新燈接入智能氘燈電源，電流檔位自動調(diào)整至低檔，氘燈發(fā)光強度降低，降低后的光強既滿足實驗需求又減少了氘燈能量不必要的浪費。舊燈接入氘燈電源，電流檔位自動調(diào)整至高檔，發(fā)光強度升高，光強的升高既降低了分析系統(tǒng)的信噪比，又延長了氘燈的使用壽命[16]。自動反饋調(diào)節(jié)功能不僅提高了儀器的整體性能，又減少多余能量的浪費，符合了現(xiàn)代科學(xué)儀器智能化、綠色化的發(fā)展要求，是未來科學(xué)儀器的發(fā)展方向。

5 結(jié)論

經(jīng)過原理圖和PCB 設(shè)計、焊接制板、硬件測試、模塊程序編寫、模塊程序功能測試，最后通過反復(fù)的調(diào)試，設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)氘燈的正常點亮，以及根據(jù)光強能量去自動調(diào)節(jié)氘燈電源電流檔位，其電流波動為：0.05 %，漂移為：±0.06 %/h。對于發(fā)展智能電源具有一定的參考價值。

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