基于K60的氙灯电源控制系统设计

北京工商大学 霍亮生 顾祖宝 李秋林

北京泊菲莱科技有限公司 陈 磊

1.引言

氙灯光源相比于其它电光源的优点是发光效率高、能耗浪费低，可实现高能量密度、长时间连续照射，氙灯辐射光谱能量分布与日光相接近，色温约为6000K，近似点光源。广泛应用于布匹织物的颜色检验，药物、塑料的老化试验，植物栽培，光化学等方面充当人工老化的光源和模拟日光[1]。随着科学技术日新月异的发展，尤其是电力电子技术、半导体技术、传感器技术的日趋成熟，各种功率器件不断涌现，氙灯电源驱动技术也在不断发展，从而使氙灯的应用领域越来越宽。因此很有必要设计出一款稳定，可靠的氙灯电源控制系统。

2.氙灯的工作原理

氙灯结构与常用的白炽灯不同，没有钨丝，其石英泡壳内充有0.019~0.0266MPa高压氙气，是通过气体放电而达到照明效果的光源，它有正负两个电极，极间距离小于10mm，氙气在高压的条件下电离成正负离子而具有导电性，正负电极进行极间放电产生电弧，利用电弧激活隋性气体氙气，促使金属盐发光[2-4]。

3.系统总体结构设计

氙灯电源控制系统的设计主要包括硬件系统设计和软件系统设计两大部分。其中硬件系统主要包括主控制器和氙灯电源系统，组成原理框图如图1所示。

软件系统的设计包括液晶显示程序、按键扫描程序、电流、电压、光采样程序以及电流和光反馈控制算法程序等。通过对氙灯光源软硬件控制系统的设计和联合调试，实现该控制系统可靠、稳定的工作。

4.硬件设计

控制系统的硬件设计部分主要包括电源转换电路，升压控制电路，继电器控制电路以及人及交互接口电路等，具体硬件结构如图2所示。

图1 氙灯电源控制系统框图Fig.1 Block diagram of Xenon Lamp Power Supply Control System

图2 系统硬件结构图Fig.2 System Hardware Structure

硬件系统以Kinetis 60微控制器为核心，具有处理速度快，功耗低，成本低等优点，其片内128KB的RAM，512KB的FLASH，高达16位精度A/D采样模块和多通道的DMA模块完全满足了系统开发的需要[5]。通过按、旋钮的调节实现定时关灯、累计工作时间、亮度可调等主要功能，并把相关数据显示在LCD液晶显示屏上。继电器的吸合控制了触发器的触发时刻，升压电路工作以后，电压迅速上升，当达到氙灯启辉的电压值时，继电器吸合，给出触发信号，带动触发器工作，瞬时产生近万伏的高压，击穿氙气，完成启辉，而后只需24V开关电源正常供电，氙灯即可持续工作。为了减少功率驱动电路工作时对数字电路产生干扰，为此在数字电路与功率驱动电路之间加入了光电隔离器进行隔离[6]。

4.1 电源转换电路设计

氙灯工作需要直流供电，电源选用24V直流开关电源模块，控制系统的其他外围模块，例如输入设备、液晶显示器、其它数字芯片、模拟运放等大多为5V供电，主控芯片需要3.3V工作电压，本系统先采用变压、整流、滤波、稳压将220V交流电转换成稳定的5V直流电[7]，给常规元器件供电，主控制器再将5V转换成3.3V，使整个系统结构更加细致、紧凑，增加了系统的稳定性。电源转换电路原理图如图3所示。

图3 电源转换电路Fig.3 Power Conversion Circuit

4.2 升压控制电路设计

由氙灯的工作原理可知，氙气是一种惰性气体，若要击穿氙气使氙灯工作，必须提供足够高的启辉电压，这就要求控制系统必须包括升压电路[9]。电压升到一定的值后，驱动继电器电路，触发器由此得以触发。触发电压高达上万伏，足以使氙灯光源启辉成功。升压电路简图如图4所示。

图4 升压控制电路简图Fig.4 Boost Control Circuit

4.3 人机交互接口

随着科技的发展，友好的人机接口，可视化界面已经成为各种数字控制产品的必要功能，本设计中采用了12864液晶显示电路，液晶模块可通过微控制器8位并口写入数据。12864液晶带有中文字库，可以显示绝大部分字符，符号和文字。可分四行显示，每行可显示8个汉字或者16个字符。键盘接口电路一端接5V电压，另一端通过上拉电阻直接微控制器I/O相连，将微控制器接口配置为输入，不上拉，通过软件程序扫描I/O的状态，当按键未按下时，I/O口为低电平。当按键按下时，I/O口为高电平。通过这种方法实现按键检测。

5.软件设计

本设计程序采用C语言编写，代码执行效率高，可读性好，代码的移植性强。

5.1 软件整体设计方案

如图5所示为程序流程图，初始化部分主要是对A/D采样，D/A模块，PWM模块，定时器以及微控制器I/O口等初始化。微控制器不断扫描按键，检测按键是否按下。启动成功后，程序通过对微控制器片内FLASH的读写实现掉电数据保存，达到累计时间的功能通过对液晶的读写操作，实现显示功能。

图5 主程序流程图Fig.5 Flowchart of the Systerm

5.2 电流和光的反馈控制算法

氙灯光源的工作需要稳定的直流电源，电流波动越小，光强越稳定，所以在设计中应进可能的使电流达到恒定。每一次调节电流之后，也应使电流尽快的达到设定值并保持稳定。电流调节电路是通过D/A模块和运放完成的。当调节设定电流大小时，D/A输出相应变化，经运放比较后输出，使氙灯回路的电流相应增大或减小，并最终趋于稳定[10]。电流反馈调节控制算法框图如图6所示。

反馈回路只采用了PID控制算法中断P系数控制，P为比例系数，P越小，电流跟随的越慢，但是精度较高，P越大，电流跟随的虽然很快，但是精度不能很好的保证。所以必须通过反复试验，选取合适的P值。

图6 电流反馈调节控制框图Fig.6 Control Block Diagram of Light Feedback

本系统中最适合的P值取0.15，使电流调节过程的快速性、准确性以及稳定性得以保证。光反馈原理和电流反馈类似，采样时利用光电池将光信号转化成电信号，经过信号处理并放大至同采样基准相当的量级，保证采样精度[11]。

6.实验结果

为了验证系统电流反馈控制算法的有效性和必要性，分别在带有电流反馈与不带电流反馈两种情况下，对氙灯启动后回路电流进行测量实验，取得测量数据，并用MATLAB绘制了电流随时间变化的曲线如图7、8所示。

图7 不带电流反馈测量结果Fig.7 Measurement Results without Light Feedback

图8 带电流反馈测量结果Fig.8 Measurement Results with Light Feedback

为了验证光输出的稳定性，分别在带有光反馈和不带光反馈，两种情况下，对氙灯启动后光照强度进行测量实验，取得测量数据，绘制曲线如图9、10所示。

图9 不带光反馈测量结果Fig.9 Measurement Results without Light Feedback

图10 带光反馈测量结果Fig.10 Measurement Results with Light Feedback

实验结果表明，电流反馈控制算法有效地抑制了电流的波动。不带光反馈时，光强随时间有明显波动，而带有光反馈时，输出的光强度基本达到稳定，满足使用要求。

7.结束语

本设计简要说明了氙灯光源控制系统设计的各个主要硬件模块和软件流程，实现了预期的功能。氙灯光源控制系统的开发，对于解决我国目前电子产品研发水平低、产品质量差、智能化程度低等问题，具有一定的积极作用及现实意义。氙灯光源同样作为一种新型的能源，发光效率高，节约能耗，响应了低碳环保的时代发展趋势。

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