基于dsPIC的船用航行燈恒流源設計

秦俊峰, 白洪芬, 范宏偉， 李 凱

(1. 欽州學院 海運學院， 廣西 欽州 535000； 2. 大連海事大學 輪機工程學院， 遼寧 大連 116026；3. 廣東海洋大學 航海學院， 廣東 湛江 524088)

基于dsPIC的船用航行燈恒流源設計

秦俊峰1, 白洪芬2, 范宏偉1， 李 凱3

(1. 欽州學院 海運學院， 廣西 欽州 535000； 2. 大連海事大學 輪機工程學院， 遼寧 大連 116026；3. 廣東海洋大學 航海學院， 廣東 湛江 524088)

船舶電網(wǎng)電流發(fā)生波動會嚴重影響航行燈等白熾燈的使用壽命，需使用恒流源維持其電流恒定。對此，設計一種基于dsPIC30f4011單片機控制的壓控交流恒流源，采用雙極性脈寬調(diào)制。逆變電路為單相全橋逆變電路，采樣輸出電流反饋，PI調(diào)節(jié)器輸出改變逆變電路的調(diào)制比，達到改變逆變輸出電壓，進而控制輸出電流的目的。經(jīng)試驗驗證，所設計的恒流源具有較好的穩(wěn)定性。

船用航行燈； 恒流源； 單相全橋逆變電路； dsPIC

Abstract: Fluctuation in electric current seriously affects the lifespan of the incandescent lamps in marine navigation lights. In order to eliminate the fluctuation, a voltage controlled AC constant-current source based on Bipolar Pulse Width Modulation (BPWM) is developed with dsPIC30f4011. The design is basically a single-phase full bridge inverter with the feedback of its output current. A PI regulator adjusts the modulation ratio of the inverter circuit to regulate the output voltage so as to keep the output current constant. The measured waveforms are presented. Experiments are performed to verify the stability of the constant-current source.

Keywords: marine navigation light; constant-current source; single-phase full bridge inverter; dsPIC

船舶航行燈用來表示船舶航行中的位置和方向，主要包括桅燈、舷燈和艉燈等。由于船舶電網(wǎng)容量較小，因此有大功率用電設備啟動(如大功率電機等)時可能會使電網(wǎng)電流產(chǎn)生波動，導致生活用電的電網(wǎng)電流瞬時變小，航行燈燈光變暗，久而久之嚴重影響照明燈具、辦公電腦等設備的使用壽命。這既會給船舶帶來損失，又會影響船員的生活。因此，保證低壓電網(wǎng)電流恒定對提高船舶航行燈及其他生活用電設備的使用壽命具有重要的意義。

當下，我國對非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護方式主要是利用行政手段和行業(yè)協(xié)會的保護，對于其運用知識產(chǎn)權保護的意識淡薄，鮮有相關藝術人利用現(xiàn)代知識產(chǎn)權制度來對非物質(zhì)文化遺產(chǎn)進行保護，比如通過申請注冊商標等法律手段來制止產(chǎn)品的侵權行為。但是，結(jié)合現(xiàn)代知識產(chǎn)權制度的特征和我國非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的特點，我們發(fā)現(xiàn)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護與現(xiàn)代知識產(chǎn)權制度有很多契合點。

第二，加強高校教師學術道德建設，必須建立以政府為主，政府、高等院校、民間教育機構共同參與的學術道德教育主導體系。當前，我國高校教師學術道德教育的主管單位有政府、高校等，但教育的實施則主要依靠高校，缺乏政府與民間部門的參與。韓國的經(jīng)驗告訴我們，要切實有效地開展針對高校教師的學術道德教育，必須建立一個官、學、民三位一體的教育實施體系。政府、高校、高校教師都應參與到高校學術道德教育工作中去，而不應只由高校單方負責。只有全社會共同參與，形成合力，才能真正達到學術道德建設的效果。而且，隨著我國網(wǎng)絡技術的發(fā)展，全社會共同參與高校教師學術道德建設，發(fā)揮網(wǎng)絡媒體監(jiān)督作用業(yè)已成為可能。

現(xiàn)階段對船舶電網(wǎng)的研究主要集中在用逆變電源維持電機的電流恒定方面。文獻[1]采用瞬時值控制的雙環(huán)控制方式研究船用三相數(shù)字逆變電源;文獻[2]采用神經(jīng)網(wǎng)絡等控制算法研究船用逆變電源控制獲得高質(zhì)量的交流電，主要用于控制電機，未考慮航行燈及各種辦公設備的用電需要;文獻[3]通過實踐驗證高壓變頻技術在船舶岸電電源應用中的優(yōu)越性;文獻[4]提出在船上使用質(zhì)子交換膜燃料電池，改善船舶的污染情況;文獻[5]提出簡單易操作且穩(wěn)定性更高的新型可編程號燈控制器。然而，很少有針對船用航行燈低壓電網(wǎng)電流的研究。

因此，設計基于dsPIC30f4011控制的壓控交流恒流源，通過ACS712傳感器對輸出電流進行檢測，調(diào)節(jié)逆變電路的調(diào)制比，得到穩(wěn)定度較好且在負載變化范圍內(nèi)輸出定值的恒流源系統(tǒng)，使船上的低壓電網(wǎng)電流恒定，保證航行燈等設備的使用壽命。

根據(jù)計算所得限額值，首先將工程投資按照專業(yè)分配到設計單位內(nèi)部各專業(yè)，明確各員工對限額設計所負的責任，根據(jù)限額確定獎懲制度，最終保證在工程達到其技術指標的同時，不超過限額。

總之，農(nóng)村社會保障制度的建立與完善是一項長期的系統(tǒng)性工程，如何完善和發(fā)展農(nóng)村公共產(chǎn)品供給狀況也是當前我國要建設社會主義新農(nóng)村的一項重要工作?；谵r(nóng)村公共產(chǎn)品供給視角來探究我國農(nóng)村社會保障制度建設狀況，為解決現(xiàn)階段我國農(nóng)村社會保障問題提供重要的解決路徑，在構建和完善中國農(nóng)村社會保障體系中發(fā)揮著重要的作用。

針對不同的學習模塊學生學習水平參差不齊，掌握學生的學習情況很重要，教師的課前測試內(nèi)容難度要與大部分學生的學習狀況匹配。

恒流源主要用于給負載提供恒定的電流，常以單片機為控制核心進行設計。文獻[6]采用51單片機，從硬件和軟件2個方面詳細介紹恒流源設計過程；文獻[7]將單片機與電壓電流轉(zhuǎn)換芯片相結(jié)合，提高恒流源的可調(diào)節(jié)性，但沒有給出試驗結(jié)果圖；文獻[8]采用高精度的單片機設計數(shù)控恒流源，并以表格的形式說明所設計恒流源的性能和精度，但沒有給出試驗波形，不夠清晰直觀。

由表2數(shù)據(jù)可看出，pH值對菌體濃度有較大影響，隨著培養(yǎng)基pH值的逐漸降低，19株菌的OD值都逐漸降低。除SC-09外，其他18株菌與對照組差異不顯著。SC-09呈現(xiàn)出隨著pH值的降低，菌體濃度逐漸增加的趨勢，因此，該株菌還有待進一步的深入研究。

1 船舶航行燈系統(tǒng)分析

船舶照明主要包括確保船舶和人員安全的照明(如航行燈、信號燈、登放艇區(qū)域的照明)、船舶工作場所的照明(如駕駛室、機艙和甲板裝卸照明)及生活區(qū)域的照明等。[9]上述照明中，航行燈包括前桅燈、主桅燈、艉燈、左右舷燈和前后錨燈等，用于協(xié)助船舶夜航和指示船舶的狀態(tài)及其所處的位置。白熾燈具有可瞬時點燃的特性，因此可用作航行信號燈、應急照明燈等；航行燈一般采用60 W的雙絲白熾燈。[10]

白熾燈的使用壽命通常約1 000 h，當電源電壓超過額定電壓5%時，其使用壽命可能會縮短1/2。因此，保證船上航行燈的電流恒定,進而維持額定電壓恒定，是十分必要的。

聽了這個問題，陳校長笑呵呵地說：“陳校長可當不了未來三十年的校長嘍！但是我可以作為老校長暢想一下學校的未來。在未來，學校乘著集團化辦學的東風，會在添置校園硬件設備、打造校園課程空間、提升教學質(zhì)量及豐富校園文化建設等方面做出更多的努力。同時也希望不僅僅只有校方的努力，還需要學生和家長的共同參與，使虹口區(qū)第四中心小學可以成為上海，乃至全國一流的學校，為社會培養(yǎng)更多的人才！”

2 船用航行燈恒流源原理

Δuk=uk-uk-1=

恒流源主要由穩(wěn)壓電路、逆變電路、控制電路、電磁干擾(ElectroMagnetic Interference，EMI)濾波電路、輸出濾波電路、電流檢測電路和保護電路組成(見圖1)。恒流源的工作原理為：直流輸入電壓經(jīng)EMI濾波電路和單相全橋逆變電路逆變?yōu)榻涣麟妷?；控制器檢測逆變器輸出的電流，將其與設定值比較；經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)逆變電路調(diào)制比，從而調(diào)節(jié)逆變輸出電壓，達到恒流輸出的目的。

3 船用航行燈恒流源設計

在設計船用航行燈恒流源時，首先要設計硬件電路?；赿sPIC的硬件電路主要包括逆變主電路、逆變驅(qū)動電路、光耦隔離電路、電流檢測及調(diào)理電路等。此外，采用增量式PI算法進行軟件編程，實現(xiàn)恒流功能。

3.1.4電流檢測電路及調(diào)理電路

3.1恒流源硬件電路設計

3.1.1逆變主電路設計

圖2 H橋逆變電路圖

3.1.2逆變驅(qū)動電路設計

IGBT的驅(qū)動采用集成芯片IR2110，其內(nèi)部主要有欠壓保護電路、輸入邏輯電路、電平移位電路及自舉電路(見圖3)。

圖3 逆變驅(qū)動電路圖

在驅(qū)動電路中，自舉電容C1一般選擇1 μF的鉭電容，二極管D1選擇快恢復二極管，IR2110的管腳10和管腳12的驅(qū)動電壓幅值與管腳9相同。

3.1.3光耦隔離電路設計

脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)驅(qū)動采用光耦合器6N137隔離(見圖4):當脈沖信號為高時，光耦輸出為高；當脈沖信號為低時，光耦輸出為低。

圖4 光耦隔離電路圖

收入：丈夫每月收入3美元并積攢下來。每月除了留下30個銅板外都交給妻子。長子每月收入4-5美元，也都上繳給自己的母親。次子沒有收入，但也不需家里花錢供養(yǎng)。

電流檢測電路及調(diào)理電路見圖5。電流檢測采用霍爾電流傳感器ACS712，輸出電壓信號Vout=2.5+0.2I。調(diào)理電路中，調(diào)節(jié)滑動變阻器使2個運放的同相輸入端為2.5 V，若取R1/R2=2，則Vout=2.5+0.4I，滿足單片機0～5 V的AD轉(zhuǎn)換電壓范圍。

一方面，在銀行對賬、日常賬務調(diào)整、無現(xiàn)金支付銀行信息審核、無現(xiàn)金支付失敗重付、憑證傳遞、非稅收入上繳等業(yè)務，核算科和結(jié)算科工作職責劃分不清，影響業(yè)務處理效率。例如，銀行調(diào)賬業(yè)務現(xiàn)由稽核科負責提出申請，在未經(jīng)結(jié)算科確認的情況下，直接交由核算科進行賬務處理，流程上存在內(nèi)控隱患。另一方面，當部分業(yè)務涉及兩個科室時，協(xié)調(diào)難度較大。核算科和結(jié)算科人員思想不統(tǒng)一，工作中缺乏交流互動和大局意識，不能根據(jù)工作需要靈活調(diào)配人員。

1.3評定標準 采用美國壓瘡協(xié)會制定壓瘡評估標準對壓瘡進行評定,皮膚完整受壓區(qū)顏色變紅,手指按壓受壓皮膚不變白為壓瘡一期;皮膚有損傷,傷及表皮或真皮,潰瘍表淺為二期;壓瘡處有傷口,傷口浸及皮下組織但未傷及淺筋膜為三期;壓瘡處組織破壞或壞死到肌肉骨骼等結(jié)構為壓瘡四期。

3.1.5恒流源總電路圖

圖5 電流檢測電路及調(diào)理電路圖

設計完逆變電路及各控制電路之后，結(jié)合dsPIC30f4011的結(jié)構及其工作原理，得到恒流源總電路圖(見圖6)。

3.2恒流源軟件設計

所設計的恒流源采用dsPIC30f4011作為主控芯片，不僅具有普通單片機的優(yōu)良特性，而且具有數(shù)字信號處理器(Digital Singnal Processor, DSP)的高速運算能力，已成為很多外圍模塊[12]；其內(nèi)部含有專用的PWM控制器，簡化了產(chǎn)生PWM波形的控制軟件和外部硬件電路。這里主要用到PWM產(chǎn)生模塊和AD轉(zhuǎn)換模塊。

采用費控的營銷業(yè)務系統(tǒng)，可極大地縮短電力用戶復電的時間，在傳統(tǒng)的營銷模式下，采用人工進行復電時，根據(jù)包頭市供電局歷年人工復電時間的記錄可知，在市區(qū)進行人工現(xiàn)場復電時間大概需要45分鐘左右，在郊區(qū)的復電時間大概需要90分鐘左右，在偏遠農(nóng)村的復電時間大概需要2小時左右。而采用費控策略后，復電時間最長需要10分鐘完成。另外，基于費控策略的停復電流程，具有嚴格的執(zhí)行手續(xù)，極大地降低了人為因素的干預，不僅能加快復電時間，增加售電量，而且使得復電流程更透明、規(guī)范和合理。

3.1 老年患者手術后容易出現(xiàn)意識狀態(tài)改變 術后由于多種因素如麻醉、術中出血、低氧血癥、電解質(zhì)紊亂、營養(yǎng)不良和內(nèi)分泌紊亂等的協(xié)同作用可導致意識狀態(tài)的改變，老年人出現(xiàn)意識狀態(tài)改變時，往往容易出現(xiàn)拒絕治療、躁動、自動拔出輸液管或各種引流管，容易出現(xiàn)安全隱患。

圖6 恒流源總電路圖

軟件分為主程序和中斷程序2部分，程序流程見圖7。主程序主要用于系統(tǒng)初始化，設置dsPIC30f4011的PWM，AD，定時器T2和定時器T3等系統(tǒng)功能模塊的工作方式。定時器T2中斷用來調(diào)節(jié)占空比，AD中斷用來查找正弦表。

3.2.1SPWM生成模塊

圖7 程序流程

dsPIC30f4011軟件實現(xiàn)三角載波，設置PWM計數(shù)時基工作在增減計數(shù)模式，當PWM的時基計數(shù)器PTMR的值與占空比寄存器的值匹配時，PWM由高電平變?yōu)榈碗娖?見圖8)。由于PWM沒有預分頻，因此占空比寄存器的最低位為無效位，實際寫入占空比寄存器中的最大值為PTPER中的值的2倍，最小值為0。將給定電壓的正弦值經(jīng)相應的變換轉(zhuǎn)化到0～2 PTPER和PTMR的值進行比較，即可產(chǎn)生雙極性調(diào)制的SPWM波。

圖8 單片機產(chǎn)生SPWM波原理圖

3.2.2PI調(diào)節(jié)器設計

采用增量式數(shù)字PI控制算法時，由于數(shù)字控制系統(tǒng)只能根據(jù)采樣時刻的偏差值來計算控制量，因此積分項要進行離散化處理。[13]增量式PI的表達式為

由于工程實踐中常采用恒流源系統(tǒng)來維持電流恒定，因此考慮在船舶航行燈電網(wǎng)系統(tǒng)中設計恒流源，使流向航行燈的電流始終維持為額定值。

(1)

逆變器采用H橋逆變電路[11](見圖2)，其中開關元件采用的是Q1,Q2,Q3及Q4等4個絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)。由于同一橋臂的2個開關管不能同時導通，因此開關管Q1與Q4和Q2與Q3可分別導通180°。IGBT的導通與截止是由dsPIC30f4011輸出的SPWM脈寬調(diào)制信號經(jīng)隔離電路控制驅(qū)動的。

Δuk=aek+bek-1+cek-2

(2)

式(1)和式(2)中：uk=Δuk+uk-1；KP為比例系數(shù)；TD為微分常數(shù)；TI為積分常數(shù)；T為采樣時間；uk為第k次采樣時刻單片機的輸出；ek為第k次采樣時刻輸入偏差。電流PI調(diào)節(jié)器C語言程序為

void PI(void)

{

I_PIcoffcients0=kp+ki;

I_PIcoffcients1=-kp;

I_diffrence_0=I_ref-I_acu;

I_con +=I_diffrence_0×I_PIcoffcients0;

I_con +=I_diffrence_1×I_PIcoffcients1;

I_diffrence_1=I_diffrence_0;

if(I_con>=1 024.0)

I_con=1 024.0;

if(I_con<=10)

I_con=10;

M=I_con/1 024.0;

}

4 試驗結(jié)果分析

為檢驗所設計的恒流源是否能穩(wěn)定恒流輸出，進行驗證試驗。試驗中設置SPWM頻率為10 kHz，逆變電路上下橋臂的驅(qū)動信號波形見圖9。逆變器輸出波形見圖10。

圖9 逆變電路上下橋臂的驅(qū)動信號波形

圖10 試驗輸出波形

由圖10可知，負載不同時逆變器輸出的電流基本相同，圖中每格代表1.5 A，輸出有效值約為3 A。所設計的恒流源系統(tǒng)可在負載變化較大的范圍里實現(xiàn)有效值為3 A的穩(wěn)定輸出，具有較強的抗干擾能力。同理，可根據(jù)實際需要改變參數(shù)，實現(xiàn)某定值的穩(wěn)定輸出。

目前我國酒店管理專業(yè)實訓基地建設層次不齊，大體可分為兩大類：一是旅游酒店管理專業(yè)為主的專門院校實訓基地；一是綜合類院校的旅游酒店管理專業(yè)實訓基地。

5 結(jié)束語

恒流源可保證流過船用航行燈的電流恒定，進而保證其兩端電壓維持額定電壓不變。在分析恒流源電路基本原理和電路拓撲結(jié)構的基礎上，從硬件電路和軟件編程設計2個方面詳細介紹恒流源系統(tǒng)的設計原理，根據(jù)不同負載情況下的恒流輸出波形驗證該系統(tǒng)的有效性和抗干擾性。該恒流源系統(tǒng)采用的dsPIC30f4011兼具普通單片機和DSP的優(yōu)點，使用硬件修正和軟件參數(shù)補償，因此精度高、穩(wěn)定性強、操作簡單、成本低，且具有較強的抗干擾性能，可通過頻率可設定功能實現(xiàn)實際的測量需求，對提高船用航行燈的使用壽命和可靠性有積極作用。

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AdsPIC-BasedConstant-CurrentSourceforMarineNavigationLights

QINJunfeng1,BAIHongfen2,FANHongwei1,LIKai3

(1. Maritime College, Qinzhou University, Qinzhou 535000, China; 2. Marine Engineering College,Dalian Maritime University, Dalian 116026, China； 3. Navigation College, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China)

U665.16

A

2016-04-26

教育部本科專業(yè)綜合改革試點項目(ZG0434)； 廣西壯族自治區(qū)大學生創(chuàng)新項目訓練(201611607045); 廣西青年教師基礎能力提升項目(KY2016LX419)

秦俊峰 (1983—)，男，河南沈丘人，講師，從事船舶電氣相關研究。E-mail：20878653@qq.com

1000-4653(2016)03-0012-04