基于STM32智能氘灯电源的设计与实现

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(1.大连交通大学电气信息学院，大连 116028；2.大连依利特分析仪器有限公司，大连 116023)

1 引言

氘灯作为一种理想的紫外光源在高效液相色谱仪、紫外分光光度计、胶片厚度测量仪等分析仪器中广泛应用[1]。随着国内外高端分析仪器的发展，不仅对分析仪器的稳定性及使用寿命提出了要求，也提出了分析仪器智能化的发展理念[2]。例如，通过上位机软件控制检测器的各种功能、监测检测器的参数及性能指标。氘灯电源作为紫外检测器的核心部件，也应该考虑智能化发展。目前，德国Heraeus生产的PSD186型氘灯电源[3]，其预热电压可调，能点亮所有功率为30 W的氘灯；日本HAMAMATSU生产的C9598型氘灯电源[4]，使用了精密的恒流电路，具有高稳定性，外部控制及结构简单等特点；国内田俊杰采用基于场效应管的数控恒流源方案，使输出电流保持稳定[5]；徐丹阳等人使用了L6561功率因数校准电路和UC3843稳压电路，改善了传统电路功率因数低、电流谐波大的问题[6]；天津拓普仪器有限公司发明的高精度恒流氘灯电源，使用采样器对电流采样进行反馈控制，以提高电流稳定性[7]。

本研究设计了一种基于STM32的智能氘灯电源，可与上位机进行通信，接收上位机发送来的氘灯发光强度数据，根据氘灯发光强度自动调节电流档位大小，让氘灯能量保持在一个相对固定的水平。除了自动调节电流档位，也可以开启手动调节模式，人为的调节电流档位大小，满足不同场合对氘灯能量的需求，具有一定的实际应用价值。

2 系统的总体设计

所设计的氘灯电源系统适用于点亮预热电压/电流为2.5 V/4 A的氘灯[8]。系统主要包括：MCU主控模块、电源模块、预热电路模块、高压启辉模块、电流档位调节模块、外部通信模块等[9]。系统的输入电压为220 V市电，为了满足各部分电路需求电压的不同，通过AD～DC电源模块将电压220 V转换为30 V，进一步采用3个LM2596将30 V电压分别转化为12 V、6 V、3.3 V电压[10]，系统总体框图如图1所示。

2.1 MCU主控模块设计

采用STM32F103C8T6作为智能氘灯电源控制模块的核心，程序上使用STM32特有的固件库开发，不必接触底层寄存器，缩短了开发周期，降低了编程难度。STM32主要负责控制氘灯电源各模块的启动顺序、定时器中断、外部通信；处理上位机发送来的发光强度数据以及记录开灯次数、开灯时间等数据。系统时钟源采用有源晶振，提高了系统程序运行的准确性和安全性，避免了控制系统因为复杂的电磁环境影响了时钟的准确性[11]。图2为设计的最小系统原理图。

图1 系统总体框图

图2 最小系统原理图

2.2 电流档位调节模块设计

电流档位调节模块分为恒流和控制两个部分电路组成，恒流电路主要采用LM317三端可调稳压芯片，将两个LM317T串联组成跟踪与调节器电路，使得第二个LM317输出恒定的电压，再使用高精度电阻将恒定电压转换成电流供氘灯阳极使用[12]。为了减小波纹电压，在电路中加入滤波电容。同时在稳压器的输入端和输出端之间跨接一个二极管，防止在输出短路时，电容向稳压器调整端放电，调整管发射结反偏，损坏稳压器。控制部分主要分为三档可调，选取两个NPN型晶体三极管组成开关电路，通过STM32输出高低电平控制三极管的开关，从而控制两个继电器吸合，完成电流档位的调节。其硬件电路图如图3所示。

图3 电流档位调节电路图

根据氘灯使用说明可知[13]，氘灯运行时的电流应在300±20 mA之内，因此取两个继电器都不吸合输出电流为280 mA，只吸合一个继电器输出电流为300 mA，两个继电器都吸合输出电流为320 mA。根据LM317的计算公式(1)和(2)可计算出限流电阻R1，R2，R3阻值的大小，其中Vref为LM317的参考电压，其固定值为1.25 V。

Vout =Vref (1+Ra/Rb)+ (Iadj×Rb)

(1)

Iout=Vref/Rs

(2)

3 软件设计

3.1 系统软件设计与流程设计

STM32微控制器采用C语言编程，完成硬件和数据初始化功能，由微控制单元控制时序电路让预热电路对氘灯阴极灯丝进行预热，当达到设定的灯丝预热时间，高压启辉电路作用在氘灯的阳极阴极之间，使灯击穿启辉并进入弧光放电后，恒流电路开始持续给氘灯阳极提供稳定电能[14]。EEPROM用来存储电路相关参数，初始化成功后进入标志位循环扫描状态，系统每隔30min就会接收上位机发送来的光强数据储存在EEPROM中，单片机通过IIC 总线读取上一次储存在EEPROM中的光强数据，然后进行处理判断，从而自动根据光强调整电流档位，软件程序流程图如图4所示。

3.2 STM32与上位机的通信协议设计

STM32采用串口传输数据方式与上位机通信，氘灯电源从上位机获取光强数据格式如表1所示。

表1 氘灯电源获取光强数据通信协议格式

表中均为十六进制数，55表示数据帧的包头用来识别一个数据帧的开始，00 09为光强的数据位数，aa为目标地址，01表示获取光强数据，01为发光强度值存储的起始地址，af为一组数据帧的包尾，从数据长度开始结算累加、异或校验和，到数据的最后一位结束，用于标识一帧的结束。发送上述命令用来获取氘灯发光强数据，当上位机收到这条命令时，会采集氘灯发光强度的数据并向氘灯电源做出回应，应答数据格式如表2所示。

图4 软件流程图

包头数据长度目标地址功能码数据包尾5500 09010200 05 38 31d7

表中均为十六进制数，55表示数据帧的包头用来识别一个数据帧的开始，00 09为光强的数据位数，01为氘灯电源板，02表示发送光强数据，0X00053831的十进制数为342065，此命令发送氘灯发光强数据给氘灯电源，氘灯电源接收到数据后，可以判断数据包的完整性，正确性，然后提取数据，存放在EEPROM中用于主程序处理[15]。

4 系统测试及分析

4.1 实验设备

验证智能氘灯电源基本性能指标的实验设备如图5所示。使用基本直流精度为0.0035 %的多功能数字万用表用连接氘灯，用于实时采集实验数据。PC机使用RS232通信线与万用表连接，用于显示采集来的数据。智能氘灯电源输出端接入氘灯引线，用于点亮氘灯。D5101紫外检测器的控制板与智能氘灯电源使用串口通信，用于向氘灯电源板发送光强数据。

图5 氘灯电源实验设备图

4.2 基础参数测试

对设计的氘灯电源阳极电压、预热电压以及启辉电压等参数进行测试，验证其是否满足氘灯电源的基本要求，实验过程如下。

(1) 氘灯阳极电流测试

将万用表调节至直流电流档位串联在氘灯阳极与氘灯电源之间。在开机约20 s继电器有动作后，测试并记录，得到氘灯阳极电流波形如图6(a)所示。经过计算其电流波动为：0.05 %，漂移为：±0.06 %/h。

(2) 氘灯阳极电压测试

用万用表直流电压档位，黑色表笔接在接线端子的“地”端，红表笔接在接线端子的阳极端，在开机约20 s继电器有动作后，测试并记录。得到氘灯电源阳极电压波形图，如图6(b)所示。氘灯阳极电压在开机前20 s为122.54 V，20 s后氘灯点亮阳极电压变为80 V，满足设计要求。

(3) 氘灯阴极电压测试

用万用表直流电压档位，黑色表笔接在接线端子的“地”端，红表笔接在接线端子的阴极端，测试并记录。得到氘灯电源阴极电压波形图，如图6(c)所示。氘灯阴极电压在氘灯点亮前的20 s预热时间内的实测电压值为2.32 V，点灯后维持电压实测值在0.93 V左右，可以正常点亮氘灯。

(4) 氘灯启辉电压测试

将数字万用表调节至1000 V直流电压档位，黑色表笔接在接线端子的“地”端，红表笔接在接线端子的阳极端，测试并记录。得到氘灯电源启辉电压波形图，如图6(d)所示，启辉电压达到392 V，满足氘灯启辉要求。

图6 基础参数测试(a).氘灯阳极电流；(b)氘灯阳极电压 ；(c)氘灯阴极电压 ；(d)氘灯启辉电压

4.3 档位反馈调节测试

为了测试氘灯电源能否自动调节电流档位，首先开启调节模式，使用新、中、旧3个使用时间不同的氘灯，分别连入D5101紫外检测器的智能氘灯电源上，并将数字万用表调节至电流档位与氘灯电源串联。开机点灯等待D5101紫外检测器自检通过，在PC端打开数据采集工具，观察并记录不同氘灯对应的电流档位以及氘灯的发光强度大小。实验数据如表4所示。

表4 反馈调节测试结果

*测量的发光强度数值大小是氘灯电源的转换值，并非标准发光强度计量单位。

由实验数据可知，相比于普通氘灯电源，智能氘灯电源可以自动调整电流档位，控制氘灯能量保持在一个相对固定的水平。新灯接入智能氘灯电源，电流档位自动调整至低档，氘灯发光强度降低，降低后的光强既满足实验需求又减少了氘灯能量不必要的浪费。旧灯接入氘灯电源，电流档位自动调整至高档，发光强度升高，光强的升高既降低了分析系统的信噪比，又延长了氘灯的使用寿命[16]。自动反馈调节功能不仅提高了仪器的整体性能，又减少多余能量的浪费，符合了现代科学仪器智能化、绿色化的发展要求，是未来科学仪器的发展方向。

5 结论

经过原理图和PCB 设计、焊接制板、硬件测试、模块程序编写、模块程序功能测试，最后通过反复的调试，设计的系统能够实现氘灯的正常点亮，以及根据光强能量去自动调节氘灯电源电流档位，其电流波动为：0.05 %，漂移为：±0.06 %/h。对于发展智能电源具有一定的参考价值。

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