数字式高压静电发生器的设计

邓琪琦，杨日福

(1．阳江职业技术学院　机电系，广东　阳江　529500；2．华南理工大学　理学院，广州　 510641)



数字式高压静电发生器的设计

邓琪琦1，2，杨日福2

(1．阳江职业技术学院机电系，广东阳江529500；2．华南理工大学理学院，广州 510641)

摘要该文设计了一款带数字显示的高压静电发生器，该静电发生器输出连续可调的直流高压，且通过A/D转换再经单片机处理，以数字的方式显示输出电压值。与较价格昂贵的模拟仪表相比，使用方便，效果良好。

关键词高压；静电发生器；数字显示；单片机

高压静电发生器在静电除尘[1]、油烟净化[2]、静电喷漆以及各种高压静电场实验中应用广泛。目前，国内生产的高压静电发生器可产生几千伏至几百千伏的高压[3]，但大多为模拟仪表显示，而且价格比较昂贵。因此，本文设计了一种可产生0～10 kV连续可调、带数字显示的高压静电发生器，具有体积小、元件简单、成本低廉等优点。

1工作原理

高压静电发生器的总体框架如图1所示。220 V的交流电经过变压器降压、整流、滤波后，形成约12 V的直流电压，输出的12 V直流电压分别输入7805和LM317，其中7805将输出稳定的5 V直流电压，作为单片机AT89S52及A/D转换芯片ADC0804的工作电压 ，而LM317与电位器等元件组成可控直流部分，输出连续可调的25 V以内的直流电压。通过编程，使单片机输出20 kHz的方波，并用此方波来控制开关管的通断，而开关管的C极与LM317产生的直流电压分别加在升压变压器的低压输入的两端，便可形成一正一负周期性的尖峰脉冲。该脉冲经升压后再倍压整流、滤波，便可形成直流高压，且其电压值大小可由LM317组成的可控直流电压的大小控制。直流高压经过高倍数的分压后，得到一个很小的直流电压，输入ADC0804进行模数转换[4]，再将得到的数字量送入单片机，通过单片机编程使电压值在数码管上显示[5-6]。

图1　高压静电发生器模块图

2发生器各模块详细介绍

2.1直流电压产生模块

如图2所示，220 V交流电压经过降压变压器降压后，形成23 V的交流电压，再经过四端整流桥D1进行全波整流和1 000 μF的大电容C1滤波后，可得到约27 V的直流电压。这27 V的直流电压分别输入三端稳压器7805和LM317的输入端，则7805和LM317的输出端与调整端电压分别为5 V和1.25 V直流电压。由图2可知，LM317输出的端电压为：

(1)

式中，R0为100 Ω的固定电阻，VR1为2 kΩ的电位器，VLM317-OUT的取值范围为1.25～25 V，具体取值可根据需要调节电位器得到。

图2中的稳压二极管D2、D3起限流保护作用。

图2　直流电压模块电路原理图

2.2方波产生模块

此模块功能为产生100 kHz左右的方波信号，用于驱动开关三极管。此模块可由555定时器、3个首尾相连的反相器构成的环形振荡器或单片机来实现。由于单片机AT89S52使用方便，且内部CMOS电路产生的噪音较小，在本文中采用单片机产生方波信号。因本文中单片机AT89S52还要实现电压测量和数字显示控制的功能，为实现单片机同时控制若干个模块，所以对方波信号的产生将采用AT89S52里的定时器功能：选择12 MHz的晶振为单片机提供时钟信号(单片机每个机器周期为1 μs)，通过程序设定每隔5 μs定时器计数溢出(周期为10 μs)，产生中断信号，使AT89S52的P3.0管脚产生反向跳变，产生100 kHz的方波信号，且不影响单片机对电压测量和数字显示的控制。对于方波信号的频率选择，若频率过小则最终经倍压整流后产生的高压带负载能力下降，电压值衰减严重；若频率过大(接近1 MHz)则单片机无法控制其他模块。经实验验证，100 kHz左右的频率较为适宜。

2.3正负尖脉冲产生模块

图3　正负尖脉冲产生模块原理图

此模块用于产生一正一负交替产生的尖峰脉冲。电路连接如图3所示，其中T2为升压变压器，Q1为8050三极管，R10为三极管基极限流电阻。方波产生模块中的单片机P3.0脚产生的方波信号通过R10后输入8050的基极，8050发射极接地，集电极与T2的一个低压输入端TI2相连，而直流电压产生模块中的LM317输出端与T2的另一个输入端TI1相连，VI1得到1.25～25 V的直流电压。而方波信号输入三极管8050，将控制8050周期性导通-截止。由于三极管集电极与LM317输出的直流电压之间接了变压器，相当于接了一个较大的电感，因此在8050导通-截止的瞬间VI2端产生一个正向脉冲，在其截止-导通瞬间产生一个负向脉冲，周期性正负脉冲可由此产生，如图4所示，其脉冲频率等于方波信号频率，脉冲幅度由LM317输出的直流电压值决定。该脉冲信号经升压变压器升压后，输出频率不变、幅值被放大了的脉冲电压。

图4　正负尖脉冲模块中VI2端波形图

2.4倍压整流模块

此模块主要由一个倍压整流电路和相应的分压、滤波电路组成。电路原理图如图5所示。

图5　倍压整流模块电路原理图

图5中电容C6～C15、二极管D6～D15为倍压整流部分，电容C16～C20为滤波电路，电阻R11和R12为分压电路。尖脉冲产生模块中的升压变压器输出的高幅值脉冲输入倍压整流电路，根据倍压整流原理，随着电容C6～C15的交替相互充放电，最终将达到稳定值。若正负脉冲的幅值相等，则稳定后电容C7～C15、二极管D6～D14上的压降都相等且应为电容C6上压降的两倍。为使输出电压尽可能高，且带负载能力较强，应要求C6～C15的容量和耐压值都尽可能大。本文采用容量0.2 μF、耐压值2 kV的电容作为倍压整流的电容。二极管的选取也应与电容相匹配，其耐压值应达到2 kV，在实际电路制作过程中每个二极管可由两个整流二极管1N4007(耐压值1 200 V)串联来取代。电容C16～C20构成滤波电路。倍压整流后输出的电压在不加任何负载的情况下为稳定的直流高压，加上负载后，由于有了负载的放电电流，输出电压值将略有下降且不稳定，因此需添加滤波电路。滤波电路的电容要求也是耐压值和容量都尽可能高，在本文中C16～C20的选择可与倍压整流中所使用电容一致。图5中R11、R12组成分压电路，使R12的电压为C15的电压的1/1001，约为总输出电压的1/5 000，R9的电压(0～2 V)将输入电压测量模块中的AD转换芯片，用于电压测量。为使R11、R12的放电电流尽可能小，从而对输出电压的影响尽可能小，R11、R12阻值应尽可能大。实际电路制作过程中R11为10个20 MΩ的电阻串联构成，R12选200 kΩ的电阻。

2.5电压测量与数字显示控制模块

此模块主要由单片机AT89S52、集成模数转换器ADC0804和4位7段共阳数码管构成。ADC0804是一单片CMOS8位逐次逼近型的A/D转换器，有较高的转换精度，工作速度中等，成本低，与8位微机兼容，其三态输出可直接驱动数据总线。单片机、A/D转换芯片工作电压以及驱动数码管的三极管发射极电压均由直流电压产生模块中的7805提供。整个模块的接线如图6所示。

其中关键部分接线为：ADC0804的片选CS、数字地DGND、模拟地AGND、VIN_等引脚接地，VIN+输入被测电压vI，WR、RD、INTR分别与单片机的WR、RD、INT0相连，其输出端的8位数字信号与单片机的P1口相连，其参考电压输入端VREF/2输入1.28 V电压，可由7805和电位器组成串联分压电路获得。ADC0804的时钟信号由10 kΩ的电阻和150 pF的电容串联形成振荡得到。工作时，单片机WR端输出一个上升沿信号，AD转换开始。当AD转换结束时，ADC0804的INTR端输入一个低电平，单片机INT0检测到此低电平后RD端输出一个低电平，允许ADC0804将数字量输出。单片机P1口接收到数字量后，开始对其进行处理，将其转换为相应的十进制电压数值和对应的数码管并输出至数码管显示。经过一段时间(约0.5 s)延时后，单片机WR端再输出一个上升沿，开始下一次A/D转换—数据处理—显示的过程。值得注意的是，ADC0804的参考电压输入端VREF/2输入电压1.28 V，而实际参考电压为VREF= 2.56 V，则由A/D转换输入输出公式[6]为:

(2)

式中，vI为输入的电压模拟量，D为输出的数字量。此处ADC0804的8位输出端数字量为D=100vI。而根据倍压整流模块中的电路结构，vI为实际输出高电压vOUT的1/5 000，则ADC0804输出数字量为D=vOUT/50。因此，单片机对接收到的数字量进行处理时需将D扩大50倍，得到实际的输出端电压对应的二进制数后，才能继续进行下一步数码管显示数码的处理。受ADC0804转换精度所限，整个系统能区分出输出高电压的最小差异为50 V，若数码管显示标识单位为kV，则可显示至小数点后两位，精度为0.05 kV。另外，ADC0804转换时间为0.1 ms，但在实际电路中不宜使ADC0804一次转换结束后立刻开始下一次转换，否则若测量电压出现波动，在很短时间内有多次测量的不同的电压值被送到数码管输出，由于肉眼的视觉暂留效应，数码管上将无法清晰显示电压值。

图6　电压测量与数字显示模块电路原理图

3结束语

本文介绍的高压静电发生器可产生0～10 kV连续可调电压，带数字显示的功能，不但具有体积小、元件简单、成本低廉等优点，而且在制作过程中便于调节，对方波的频率调节、数字显示控制等功能只需将单片机取下修改程序即可。目前，该高压静电发生器使用效果良好。

参 考 文 献

[1]刘军，石健将.静电除尘电源的发展[J].环境工程，2008，26 (5)：44-46.

[2]张楠，李贺青.高压静电应用在饮食业油烟净化上的设计[J].环境保护科学，2004，30 (3)：7-8，19.

[3]康敏，刘德营.高压静电发生器设计[J].农机化研究，2001(4)：55-56.

[4]李广弟，朱月秀，冷祖祁.单片机基础[M].3版.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[5]马楚仪.数字电子技术实验[M].广州：华南理工大学出版社，2005.

[6]阎石.数字电子技术基础[M].4版.北京：高等教育出版社，1998.

收稿日期:2015-02-15；修改日期: 2015-03-26

基金项目：国家自然科学基金(11464002)。

作者简介：邓琪琦(1985-)，男，硕士，助教，主要从事电子技术及电气自动化的研究工作。

中图分类号O441.1；TH89

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.018

Design of a Digital High-voltage Electrostatic Generator

DENG Qiqi1，2，YANG Rifu2

(1．Department of Mechanical and Electrical Engineering，Yangjiang Vocational and Technical College，Yangjiang 529500，China；2．College of Science，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China)

AbstractThis study was aimed at the design of a high voltage electrostatic generator with digital display.This electrostatic generator could generate a continuous and adjustable high-voltage DC output and display the output value in digital way after the A/D conversion and the processing of micro control unit(MCU).Compared with costly analog instrument,it was proved to be a user-friendly and efficient experiment instrument.

Key wordshigh voltage;electrostatic generator;digital display;micro control unit