北京工商大學(xué) 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(yōu)點(diǎn)是發(fā)光效率高、能耗浪費(fèi)低，可實(shí)現(xiàn)高能量密度、長時(shí)間連續(xù)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(diǎn)光源。廣泛應(yīng)用于布匹織物的顏色檢驗(yàn)，藥物、塑料的老化試驗(yàn)，植物栽培，光化學(xué)等方面充當(dāng)人工老化的光源和模擬日光[1]。隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，尤其是電力電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、傳感器技術(shù)的日趨成熟，各種功率器件不斷涌現(xiàn)，氙燈電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)也在不斷發(fā)展，從而使氙燈的應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬。因此很有必要設(shè)計(jì)出一款穩(wěn)定，可靠的氙燈電源控制系統(tǒng)。

2.氙燈的工作原理

氙燈結(jié)構(gòu)與常用的白熾燈不同，沒有鎢絲，其石英泡殼內(nèi)充有0.019~0.0266MPa高壓氙氣，是通過氣體放電而達(dá)到照明效果的光源，它有正負(fù)兩個(gè)電極，極間距離小于10mm，氙氣在高壓的條件下電離成正負(fù)離子而具有導(dǎo)電性，正負(fù)電極進(jìn)行極間放電產(chǎn)生電弧，利用電弧激活隋性氣體氙氣，促使金屬鹽發(fā)光[2-4]。

3.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氙燈電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩大部分。其中硬件系統(tǒng)主要包括主控制器和氙燈電源系統(tǒng)，組成原理框圖如圖1所示。

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(tǒng)的設(shè)計(jì)和聯(lián)合調(diào)試，實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定的工作。

4.硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分主要包括電源轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

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

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System Hardware Structure

硬件系統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)，其片內(nèi)128KB的RAM，512KB的FLASH，高達(dá)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(tǒng)開發(fā)的需要[5]。通過按、旋鈕的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)定時(shí)關(guān)燈、累計(jì)工作時(shí)間、亮度可調(diào)等主要功能，并把相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在LCD液晶顯示屏上。繼電器的吸合控制了觸發(fā)器的觸發(fā)時(shí)刻，升壓電路工作以后，電壓迅速上升，當(dāng)達(dá)到氙燈啟輝的電壓值時(shí)，繼電器吸合，給出觸發(fā)信號，帶動(dòng)觸發(fā)器工作，瞬時(shí)產(chǎn)生近萬伏的高壓，擊穿氙氣，完成啟輝，而后只需24V開關(guān)電源正常供電，氙燈即可持續(xù)工作。為了減少功率驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)對數(shù)字電路產(chǎn)生干擾，為此在數(shù)字電路與功率驅(qū)動(dòng)電路之間加入了光電隔離器進(jìn)行隔離[6]。

4.1 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

氙燈工作需要直流供電，電源選用24V直流開關(guān)電源模塊，控制系統(tǒng)的其他外圍模塊，例如輸入設(shè)備、液晶顯示器、其它數(shù)字芯片、模擬運(yùn)放等大多為5V供電，主控芯片需要3.3V工作電壓，本系統(tǒng)先采用變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓將220V交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5V直流電[7]，給常規(guī)元器件供電，主控制器再將5V轉(zhuǎn)換成3.3V，使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加細(xì)致、緊湊，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電源轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖3所示。

圖3 電源轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Power Conversion Circuit

4.2 升壓控制電路設(shè)計(jì)

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(tǒng)必須包括升壓電路[9]。電壓升到一定的值后，驅(qū)動(dòng)繼電器電路，觸發(fā)器由此得以觸發(fā)。觸發(fā)電壓高達(dá)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(jī)交互接口

隨著科技的發(fā)展，友好的人機(jī)接口，可視化界面已經(jīng)成為各種數(shù)字控制產(chǎn)品的必要功能，本設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)。12864液晶帶有中文字庫，可以顯示絕大部分字符，符號和文字?？煞炙男酗@示，每行可顯示8個(gè)漢字或者16個(gè)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(tài)，當(dāng)按鍵未按下時(shí)，I/O口為低電平。當(dāng)按鍵按下時(shí)，I/O口為高電平。通過這種方法實(shí)現(xiàn)按鍵檢測。

5.軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)程序采用C語言編寫，代碼執(zhí)行效率高，可讀性好，代碼的移植性強(qiáng)。

5.1 軟件整體設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)成功后，程序通過對微控制器片內(nèi)FLASH的讀寫實(shí)現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保存，達(dá)到累計(jì)時(shí)間的功能通過對液晶的讀寫操作，實(shí)現(xiàn)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(wěn)定的直流電源，電流波動(dòng)越小，光強(qiáng)越穩(wěn)定，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)可能的使電流達(dá)到恒定。每一次調(diào)節(jié)電流之后，也應(yīng)使電流盡快的達(dá)到設(shè)定值并保持穩(wěn)定。電流調(diào)節(jié)電路是通過D/A模塊和運(yùn)放完成的。當(dāng)調(diào)節(jié)設(shè)定電流大小時(shí)，D/A輸出相應(yīng)變化，經(jīng)運(yùn)放比較后輸出，使氙燈回路的電流相應(yīng)增大或減小，并最終趨于穩(wěn)定[10]。電流反饋調(diào)節(jié)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(shù)控制，P為比例系數(shù)，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(fù)試驗(yàn)，選取合適的P值。

圖6 電流反饋調(diào)節(jié)控制框圖Fig.6 Control Block Diagram of Light Feedback

本系統(tǒng)中最適合的P值取0.15，使電流調(diào)節(jié)過程的快速性、準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性得以保證。光反饋原理和電流反饋類似，采樣時(shí)利用光電池將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)過信號處理并放大至同采樣基準(zhǔn)相當(dāng)?shù)牧考?，保證采樣精度[11]。

6.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)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(dòng)后回路電流進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)，取得測量數(shù)據(jù)，并用MATLAB繪制了電流隨時(shí)間變化的曲線如圖7、8所示。

圖7 不帶電流反饋測量結(jié)果Fig.7 Measurement Results without Light Feedback

圖8 帶電流反饋測量結(jié)果Fig.8 Measurement Results with Light Feedback

為了驗(yàn)證光輸出的穩(wěn)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(dòng)后光照強(qiáng)度進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)，取得測量數(shù)據(jù)，繪制曲線如圖9、10所示。

圖9 不帶光反饋測量結(jié)果Fig.9 Measurement Results without Light Feedback

圖10 帶光反饋測量結(jié)果Fig.10 Measurement Results with Light Feedback

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電流反饋控制算法有效地抑制了電流的波動(dòng)。不帶光反饋時(shí)，光強(qiáng)隨時(shí)間有明顯波動(dòng)，而帶有光反饋時(shí)，輸出的光強(qiáng)度基本達(dá)到穩(wěn)定，滿足使用要求。

7.結(jié)束語

本設(shè)計(jì)簡要說明了氙燈光源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)主要硬件模塊和軟件流程，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。氙燈光源控制系統(tǒng)的開發(fā)，對于解決我國目前電子產(chǎn)品研發(fā)水平低、產(chǎn)品質(zhì)量差、智能化程度低等問題，具有一定的積極作用及現(xiàn)實(shí)意義。氙燈光源同樣作為一種新型的能源，發(fā)光效率高，節(jié)約能耗，響應(yīng)了低碳環(huán)保的時(shí)代發(fā)展趨勢。

[1]潘林，張北寧.短弧氙燈的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2006，21(2)：26-28.

[2]韓春霞.大功率軟開關(guān)氙燈電源的研究[D].黑龍江：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[3]Chang.Y.N，Yang.T.H，Chan.S.Y，etal.Design of electronic ballast for short-arc Xenon lamps[J].IEEE International Symposium on Industrial Electronics.2012：309-314.

[4]Sobierajski.G，Peterson.W.A wide bandwidth，low noise xenon lamp ballast[J].IEEE International Symposium on Industrial Electronics，2012，1：309-314.

[5]王宜懷，吳瑾，蔣銀珍.嵌入式原理與實(shí)踐——ARM Cortex-M4 Kinetis微控制器[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012：24-44.

[6]周冠軍，畢祥麗，王柏林.氙燈調(diào)制電源系統(tǒng)中單片機(jī)控制器的抗干擾設(shè)計(jì)[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2007，22(1)：58-61.

[7]孫駱生.電工學(xué)基本教程[M].北京：高等教育出版社，2008：207-235.

[8]霍亮生.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社(第二版)，2011：23-53.

[9]肖站，國海峰.新型脈沖氖燈起輝預(yù)燃電源的研制[J].電源世界，2009：42-46.

[10]魯甜，谷玉海，徐小力.基于單片機(jī)的氙燈起輝電源設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012(7)：93-99.

[11]徐永杰，陸綺榮，李靜等.光譜測試系統(tǒng)中氙燈穩(wěn)定電源[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007(9)：49-50.