基于K60的氙燈電源控制系統設計方案

　　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、能耗浪費低，可實(shí)現高能量密度、長(cháng)時(shí)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(diǎn)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(xué)等方面充當人工老化的光源和模擬日光。

　　隨著(zhù)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，氙燈電源驅動(dòng)技術(shù)也在不斷發(fā)展，從而使氙燈的應用領(lǐng)域越來(lái)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(méi)有鎢絲，其石英泡殼內充有0.019~0.0266MPa高壓氙氣，是通過(guò)氣體放電而達到照明效果的光源，它有正負兩個(gè)電極，極間距離小于10mm，氙氣在高壓的條件下電離成正負離子而具有導電性，正負電極進(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。

　　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(guò)對氙燈光源軟硬件控制系統的設計和聯(lián)合調試，實(shí)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。

　　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(yōu)點(diǎn)，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(mǎn)足了系統開(kāi)發(fā)的需要［5］。通過(guò)按、旋鈕的調節實(shí)現定時(shí)關(guān)燈、累計工作時(shí)間、亮度可調等主要功能，并把相關(guān)數據顯示在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，當達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(wàn)伏的高壓，擊穿氙氣，完成啟輝，而后只需24V開(kāi)關(guān)電源正常供電，氙燈即可持續工作。為了減少功率驅動(dòng)電路工作時(shí)對數字電路產(chǎn)生干擾，為此在數字電路與功率驅動(dòng)電路之間加入了光電隔離器進(jìn)行隔離。

　　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(kāi)關(guān)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(gè)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。

　　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。電壓升到一定的值后，驅動(dòng)繼電器電路，觸發(fā)器由此得以觸發(fā)。觸發(fā)電壓高達上萬(wàn)伏，足以使氙燈光源啟輝成功。升壓電路簡(jiǎn)圖如圖4所示。

　　4.3 人機交互接口

　　隨著(zhù)科技的發(fā)展，友好的人機接口，可視化界面已經(jīng)成為各種數字控制產(chǎn)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(guò)微控制器8位并口寫(xiě)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?？煞炙男酗@示，每行可顯示8個(gè)漢字或者16個(gè)字符。鍵盤(pán)接口電路一端接5V電壓，另一端通過(guò)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(guò)軟件程序掃描I/O的狀態(tài)，當按鍵未按下時(shí)，I/O口為低電平。當按鍵按下時(shí)，I/O口為高電平。通過(guò)這種方法實(shí)現按鍵檢測。

　　5.軟件設計

　　本設計程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，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(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(guò)對微控制器片內FLASH的讀寫(xiě)實(shí)現掉電數據保存，達到累計時(shí)間的功能通過(guò)對液晶的讀寫(xiě)操作，實(shí)現顯示功能。

　　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(dòng)越小，光強越穩定，所以在設計中應進(jìn)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(guò)D/A模塊和運放完成的。當調節設定電流大小時(shí)，D/A輸出相應變化，經(jīng)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。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(guò)反復試驗，選取合適的P值。

　　本系統中最適合的P值取0.15，使電流調節過(guò)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(lèi)似，采樣時(shí)利用光電池將光信號轉化成電信號，經(jīng)過(guò)信號處理并放大至同采樣基準相當的量級，保證采樣精度。

　　6.實(shí)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(dòng)后回路電流進(jìn)行測量實(shí)驗，取得測量數據，并用MATLAB繪制了電流隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)如圖7、8所示。

　　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(dòng)后光照強度進(jìn)行測量實(shí)驗，取得測量數據，繪制曲線(xiàn)如圖9、10所示。

　　實(shí)驗結果表明，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)，光強隨時(shí)間有明顯波動(dòng)，而帶有光反饋時(shí)，輸出的光強度基本達到穩定，滿(mǎn)足使用要求。

　　7.結語(yǔ)

　　本文以Kinetis 60微控制器為核心，提出了一款氙燈電源控制系統的設計方案，方案設計中主要包括電源轉換電路，升壓控制電路以及人及交互接口電路，利用電流反饋和光反饋控制算法保證光的穩定輸出。實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)軟硬件的調試，本方案中所設計的系統可以穩定地運行，達到控制要求。氙燈光源控制系統的開(kāi)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(wèn)題，具有一定的積極作用及現實(shí)意義。氙燈光源同樣作為一種新型的能源，發(fā)光效率高，節約能耗，響應了低碳環(huán)保的時(shí)代發(fā)展趨勢。（作者：霍亮生，顧祖寶，李秋林，陳磊）