基于C8051F500的數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)

引言

放射法測(cè)井是測(cè)井方法的重要組成部分，相對(duì)于r射線，X射線具有獲得容易、輻射可控、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用X射線管的燈絲經(jīng)過(guò)大電流（0~2A）的加熱產(chǎn)生大量的自由電子，自由電子在高壓電源的強(qiáng)電場(chǎng)作用下加速，加速后的高速自由電子轟擊陽(yáng)極靶材，產(chǎn)生X射線X射線管的燈絲供電電流能夠調(diào)節(jié)射線的強(qiáng)度若使用電壓源供電，由于燈絲電阻會(huì)隨著通電時(shí)間增加而發(fā)熱，導(dǎo)致燈絲電阻并不是一個(gè)恒定值，燈絲電阻的波動(dòng)會(huì)引起電流的波動(dòng)，進(jìn)而影響X射線機(jī)發(fā)出的射線強(qiáng)度的穩(wěn)定性X射線具有較強(qiáng)的輻射能力，長(zhǎng)期照射對(duì)人體組織傷害很大，昕以應(yīng)避免操作人員近距離操作基于以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并研制了一種硬件電路

硬件系統(tǒng)如圖l所示，整個(gè)系統(tǒng)包含單片機(jī)、按鍵、液晶顯示、D/A轉(zhuǎn)換器、A／D轉(zhuǎn)換器、485通信接口及由開(kāi)關(guān)電源構(gòu)成恒流電路，本系統(tǒng)單片機(jī)選用SiliconLab公司的處理器芯片C8051F500，該芯片為8位51內(nèi)核結(jié)構(gòu)，主頻可達(dá)50MHz，片內(nèi)集成12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，最高采樣率可達(dá)200KPS，且片內(nèi)自動(dòng)提供參考電壓外部有48個(gè)引腳，一個(gè)UART、一個(gè)通用SPI、一個(gè)CAN總線等豐富的通信接口。片內(nèi)集成多達(dá)64KFLASHROM空間，可存儲(chǔ)較為復(fù)雜的代碼，并有4KXRAM，無(wú)需再外部擴(kuò)展RAM。

Buck型變換器又稱為降壓變換器，結(jié)構(gòu)如圖2所示Udo是穩(wěn)定的直流電源，VT為開(kāi)關(guān)管，VD1為續(xù)流二極管，L1為儲(chǔ)能電感，電容C1、C2濾除紋波并且儲(chǔ)能反饋回路由電流采樣電阻Rl、運(yùn)放OP07、片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器和DAC0800構(gòu)成，單片機(jī)為控制核心，D/A轉(zhuǎn)換器為PWM控制器提供參考電壓Ur。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，電壓U．與輸入電壓Uout相等，二極管VD．處于反向截止?fàn)顟B(tài)，電流IVD，為零電流IVT=ILI，流經(jīng)電感Ll，電流線性增加當(dāng)PWM波電平改變，開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，電感L．為了保持其電流IL1不會(huì)突變，電感L．中的磁場(chǎng)將改變其兩端的電壓極性，這時(shí)二極管VD1承受正向偏壓，并有電流IVD，流過(guò)，二極管VD．使電感L兩端的電流IL1保持連續(xù)變化，因此VD1為續(xù)流二極管當(dāng)時(shí)ILl《lout，電容Cl、C2處于放電：l犬態(tài)；當(dāng)ILl》lout電容Cl、C2處于充電狀態(tài)電容Cl、C2有利于輸出電流Iout，和輸出電壓Uout保持恒定開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率取決于PWM控制器Sg3525的振蕩頻率在輸出端，輸出電流Iout流經(jīng)電阻R1，R1兩端產(chǎn)生壓降，對(duì)電阻Rl兩端電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后送入單片機(jī)內(nèi)部A/D，根據(jù)運(yùn)算放大器理論可知：Usamp=RlIout（l+R3/R2）

根據(jù)上式可得：Iout=Usamp/（R1+RIR3/R2）

使用C8051F500內(nèi)部自帶A/D轉(zhuǎn)換器，采樣得到數(shù)據(jù)反映著電源輸出的電流值每次采樣結(jié)束啟動(dòng)采樣中斷，通過(guò)中斷函數(shù)計(jì)算采樣電流IOLit，將預(yù)設(shè)的電流值Iset與采樣得到的電流值I進(jìn)行比較，根據(jù)誤差大小調(diào)整參考電壓Uref，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器DAC0800將參考電壓傳給PWM控制器Sg3525，進(jìn)而改變PWM波的占空比便可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管VT的導(dǎo)通時(shí)間，調(diào)節(jié)輸出電壓U，U與占空比D的關(guān)系如式：Um=DUdo

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了按鍵輸入和液晶顯示功能，與單片機(jī)接口如圖4所示四個(gè)按鍵分別接四個(gè)4.7K的上拉電阻R1～R4，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，單片機(jī)對(duì)應(yīng)的檢測(cè)端口檢測(cè)到低電平，當(dāng)無(wú)按鍵按下時(shí)為高電平在整1、程序執(zhí)行過(guò)程中，若采用查詢方式檢測(cè)按鍵，會(huì)占用較大的CPU資源，固本計(jì)采用中斷和查詢相結(jié)合的方式，通過(guò)在程序中使用無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令和死循環(huán)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

RS485是異步串行通信接口，它的優(yōu)點(diǎn)是比RS232擁有更高的傳輸速度和更遠(yuǎn)的傳輸距離，最遠(yuǎn)可達(dá)1200米。本文設(shè)計(jì)數(shù)控恒流源為了更好保護(hù)操作人員免受X射線傷害，操作人員需要遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)，故選擇了RS485通信接口進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

LTC485M與單片機(jī)的接口如圖6所示，于采用半雙工通信，RE_A引腳用于控制單片機(jī)處于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)（高電平）或者接收數(shù)據(jù)狀態(tài)（低電平）。A、B兩引腳用于將要發(fā)送UART的信號(hào)翻譯成485差分信號(hào)，或者將接收到的差分信號(hào)翻譯成UART信號(hào)。

本系統(tǒng)中C8051F500單片機(jī)的開(kāi)發(fā)軟件使用KEIL開(kāi)發(fā)工具，用C語(yǔ)言編程方便、簡(jiǎn)單，程序可讀性好。程序通過(guò)JTAG調(diào)試接口可以對(duì)程序在線調(diào)試、下載。程序的硬件電路板如圖7所示。

本系統(tǒng)結(jié)合X射線發(fā)射條件的原理，根據(jù)X射線管燈絲所需電流要求，設(shè)計(jì)控制范圍為0—2A的數(shù)控恒流源。由于核心功能電路部分使用開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)，前期所提供的直流電壓的穩(wěn)定性對(duì)后續(xù)恒流源精度影響較大、對(duì)于采樣電阻Rs要求電阻功率大、阻值小、溫漂小，才能保證反饋的精度。經(jīng)試驗(yàn)使用RS485通信接口控制恒流源的控制距離至少30m，可以使操作人員在遠(yuǎn)離射線源的情況下遠(yuǎn)程控制。