基于C8051F500的数控恒流源设计

杨桂花 2017-12-22 3954

电源设计应用

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描述

引言

放射法测井是测井方法的重要组成部分，相对于r射线，X射线具有获得容易、辐射可控、环保等优点而得到广泛应用X射线管的灯丝经过大电流（0~2A）的加热产生大量的自由电子，自由电子在高压电源的强电场作用下加速，加速后的高速自由电子轰击阳极靶材，产生X射线X射线管的灯丝供电电流能够调节射线的强度若使用电压源供电，由于灯丝电阻会随着通电时间增加而发热，导致灯丝电阻并不是一个恒定值，灯丝电阻的波动会引起电流的波动，进而影响X射线机发出的射线强度的稳定性X射线具有较强的辐射能力，长期照射对人体组织伤害很大，昕以应避免操作人员近距离操作基于以上问题，本文设计并研制了一种硬件电路

1、硬件系统框图

数控恒流源

硬件系统如图l所示，整个系统包含单片机、按键、液晶显示、D/A转换器、A／D转换器、485通信接口及由开关电源构成恒流电路，本系统单片机选用SiliconLab公司的处理器芯片C8051F500，该芯片为8位51内核结构，主频可达50MHz，片内集成12位逐次比较型A/D转换器，最高采样率可达200KPS，且片内自动提供参考电压外部有48个引脚，一个UART、一个通用SPI、一个CAN总线等丰富的通信接口。片内集成多达64KFLASHROM空间，可存储较为复杂的代码，并有4KXRAM，无需再外部扩展RAM。

2、系统各模块设计实现

2.1、Buck型开关电源及其反馈电路设计

数控恒流源

Buck型变换器又称为降压变换器，结构如图2所示Udo是稳定的直流电源，VT为开关管，VD1为续流二极管，L1为储能电感，电容C1、C2滤除纹波并且储能反馈回路由电流采样电阻Rl、运放OP07、片内A/D转换器和DAC0800构成，单片机为控制核心，D/A转换器为PWM控制器提供参考电压Ur。当开关管VT导通时，电压U．与输入电压Uout相等，二极管VD．处于反向截止状态，电流IVD，为零电流IVT=ILI，流经电感Ll，电流线性增加当PWM波电平改变，开关管截止时，电感L．为了保持其电流IL1不会突变，电感L．中的磁场将改变其两端的电压极性，这时二极管VD1承受正向偏压，并有电流IVD，流过，二极管VD．使电感L两端的电流IL1保持连续变化，因此VD1为续流二极管当时ILl《lout，电容Cl、C2处于放电：l犬态；当ILl》lout电容Cl、C2处于充电状态电容Cl、C2有利于输出电流Iout，和输出电压Uout保持恒定开关电源的开关频率取决于PWM控制器Sg3525的振荡频率在输出端，输出电流Iout流经电阻R1，R1两端产生压降，对电阻Rl两端电压进行采样，经运算放大器放大后送入单片机内部A/D，根据运算放大器理论可知：Usamp=RlIout（l+R3/R2）

根据上式可得：Iout=Usamp/（R1+RIR3/R2）

使用C8051F500内部自带A/D转换器，采样得到数据反映着电源输出的电流值每次采样结束启动采样中断，通过中断函数计算采样电流IOLit，将预设的电流值Iset与采样得到的电流值I进行比较，根据误差大小调整参考电压Uref，经D/A转换器DAC0800将参考电压传给PWM控制器Sg3525，进而改变PWM波的占空比便可调节开关管VT的导通时间，调节输出电压U，U与占空比D的关系如式：Um=DUdo

2.2、按键和液晶显示接口电路设计

数控恒流源

系统设计了按键输入和液晶显示功能，与单片机接口如图4所示四个按键分别接四个4.7K的上拉电阻R1～R4，当有按键按下时，单片机对应的检测端口检测到低电平，当无按键按下时为高电平在整1、程序执行过程中，若采用查询方式检测按键，会占用较大的CPU资源，固本计采用中断和查询相结合的方式，通过在程序中使用无条件转移指令和死循环相结合来实现。

数控恒流源

2.3、通信接口电路设计

RS485是异步串行通信接口，它的优点是比RS232拥有更高的传输速度和更远的传输距离，最远可达1200米。本文设计数控恒流源为了更好保护操作人员免受X射线伤害，操作人员需要远离现场，故选择了RS485通信接口进行远程控制。

LTC485M与单片机的接口如图6所示，于采用半双工通信，RE_A引脚用于控制单片机处于发送数据状态（高电平）或者接收数据状态（低电平）。A、B两引脚用于将要发送UART的信号翻译成485差分信号，或者将接收到的差分信号翻译成UART信号。

数控恒流源

2.4、系统设计实现

本系统中C8051F500单片机的开发软件使用KEIL开发工具，用C语言编程方便、简单，程序可读性好。程序通过JTAG调试接口可以对程序在线调试、下载。程序的硬件电路板如图7所示。

数控恒流源

3、总结

本系统结合X射线发射条件的原理，根据X射线管灯丝所需电流要求，设计控制范围为0—2A的数控恒流源。由于核心功能电路部分使用开关电源实现，前期所提供的直流电压的稳定性对后续恒流源精度影响较大、对于采样电阻Rs要求电阻功率大、阻值小、温漂小，才能保证反馈的精度。经试验使用RS485通信接口控制恒流源的控制距离至少30m，可以使操作人员在远离射线源的情况下远程控制。

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