基于单片机补偿的低功耗高压电路设计

杨松 邓长明 张艳婷 马慧敏

摘要：介绍了一种单片机补偿的高压电路，主要为便携式核辐射测量仪表中GM计数管提供稳定的高压。由于便携仪辐射测量仪表对功耗的要求比较高，而且在核辐射剂量大的环境中，往往提供高压的负载能力不足，无法准确测量辐射剂量。本文针对便携式辐射测量仪表的功耗及高压负载能力不足的问题，提供了一种基于STM8L单片机补偿技术来解决了实际应用中由于核辐射剂量大，无法正常测量辐射剂量的问题。

【关键词】低功耗 补偿 高压 负载

GM管作为核辐射测量仪表的主要探测部件，需要稳定的高压才能保证GM管正常的工作。在高压情况下，GM计数管是电子发生碰撞电离，使整个管里都发生电离，工作于有限正比区。当外界环境剂量增大时，相对于负载越强。所以在辐射测量设计中提供稳定、可靠高压电源，是GM计数正常工作的基础，也是GM计数管灵活设计应用的保障。

常规情况下，GM管高压电路采用自身补偿技术，通过GM电离产生的脉冲信号反馈给高压震荡电路。但是实际应用中在剂量大的情况下，负载能力增大，高压拉低，GM管无法发生碰撞电离，只靠自身补偿并无法满足GM正常工作。本文中GM管提供高压的高压电路，由各功能模块组成闭环控制的高压电路，通过单片机PWM反馈补偿随时调整电压，降低干扰，提高稳定性。测试结果显示电路工作时，探测器的电压很快达到预期值，随着负载能力的增加，仍旧可以输出稳定的电压，使研究测量仪表的可靠性及可用性大大提高。该高压电路己成功运用于便携式v剂量率仪表中，在相关核辐射测量仪表电路设计中有一定应用价值。

1 电路工作原理

高压电源产生的方式很多，但是在便携式核辐射测量仪表的应用中，需要考虑功耗以及体积。我们整个电路由1.5V电源经过升压电路给单片机供电，并实现欠压检测的功能。高压产生电路使用单管正反馈激励的间歇震荡电路产生高压，并设计实时采集高压电路，根据高压的检测情况实时调整PWM的补偿频率，相比电路计数管自身的补偿电路更加明显可靠。图l是电路工作原理的框图。

2 高压电路设计

电路电源采用3.3V进行供电，电路导通后电流从BJT基极流入，使得集电极产生电流。集电极的电压通过变压器T正反馈回到基极，基极电流不断增大，直到BJT饱和。集电极电流不再变化，导致基极的线圈不再产生更多的电动势，基极上的电流开始减少。同样集电极的线圈上的电流也开始减小，在基极的线圈上产生了一个与原来方向相反的电动势，使得BJT截止。这样不断的循环，就形成一种变压器反馈式间隙式震荡，C9和R13调节震荡的时间。然后通过变压器初次级线圈之间线圈匝数及次级电路的倍压整流电路，可以产生500v的高压。同时电路形成闭环控制，当高压VH通过分压处理后输入到单片机上，单片机检测HVTP的变化。由于GM计数管正常工作的高压不小于500V，根据分压电路换算HVTP小于0.499V时，需要外部PWM补偿。具体智能控制高压电路设计如图2所示。

3 软件设计

剂量仪的采用低功耗的STM8L作为主控制器，软件设计需要完成系统时钟的设置、各输入输出的设置、各定时器的工作方式和中断时间的设置等，在此基础上通过STM8L的ADC采集高压分压后的电压。根据电压的变化情况，再通过STM8L的TIM1定时器2通道产生不同频率的PWM。

3.1 ADC的处理子程序源码

void ADC_Handle（void）

{

uint32_ttmp 2 0；

uint16_ttmpl=0；

if（adcjnt_flag==1）//判斷ADC转换是否完成

{

adcjnt_fiag= 0；//清除软件中断标志

tmp= ADC_GetConversionValue（ADCl）；//读取ADC转换结果

tmpl= tmp*3.3/4096；

if（tmpl

{

PWM_COMPENSATE（）；

}

ADC_SoftwareStartConv（ADCl）；//开启下一次ADC转换

）

}

STM8L采用16位的ADC转换，精度可到达10的16次方，3.3V作为ADC的基准电压。ADC处理子程序会在主程序中，每lOOOms循环处理一次ADC子程序，判断ADC转换是否完成，然后读取ADC的转化结果。通过转化公式tmpl= tmp*3.3/4096，读取实际的转化值，当ADC的数据小于0 499时（电压小于500v），进入PWM补偿子程序。

3.2 PWM产生子程序

void PWM_COMPENSATE（void）

{

CLK_Perip heraIClockConfig（CLKPeripheraI_TIMl， ENABLE）；

GPIO_Init（GPIOD， GPIO_Pin_4， GPIOMode_ Out PP__ Low Fast）；

TIMl TimeBaseInit（TIMlPRE SCALER，TIMl_C ounterMo de_Up，TIMlPERIOD， TIMl_REPTETION_COUNTER）；

TIMl OC21nit（TIMl OCModePWMl，TIMl_OutputState_Enable，TIMlOutputN State_Disable，C CR2_Val，TIMlOC Polarity_Low，TIM l_0 CNPolarity_Low，TIMl OCIdleState_Set， TIMl_OCNIdleStateSet），

TIMl_OC2PreloadConfig（DISABLE）；

TIMl_ARRPreloadConfig（ENABLE）；

TIMl_CtrlPWMOutputs（ENABLE）；

TIMl_Cmd（ENABLE）；，+ TIM1使能+/

}

在PWM产生子程序中设置TIM1定时器的2通过作为PWM的产生，TIM OC21nit函数产生不同频率的PWM。

4 实验结果

通过实验测试，高压电路经过单片机PWM补偿的功耗低于6mA。当高压负载增大时，比较PWM补偿前后的变压器次级间隙式震荡的波形，如图3、图4所示。

对比补偿前后的波形图可以看出，在高压负载能力不足的情况下，没有补偿的高压电路变压器次级电压低于250V，通过次级倍压电路无法达到500v高压。经过PWM补偿后测得的次级电压大于250V，次级倍压电路可达到500v高压。

另外，在本底及辐射剂量56msV/h以下测试的情况下，高压没有发生变化。当辐射剂量大于5 6msV/h以上时，高压由于负载能力不足，电压降低。根据变化的压差，对高压电路采取补偿使其达到正常的工作电压，电压越低，需补偿的频率越高，HTVP电压与PWM补偿的频率成反比。实际单片机采集到电压HTVP与补偿频率的数据如表1所示。5结论

本文中通过采用PWM智能补偿技术，解决了计数管高压电路的负载能力不足的难点，

增加了仪器的稳定性，实现了在高剂量下高压电路负载能力强及便携式辐射仪表对低功耗的要求。完成了设计的目标。目前该高压电路已经在辐射环境监测中得到应用，效果十分理想。

参考文献

[1]肖丹，杨斌，刘景峰.GM计数管高压的设计研究[J].自动化技术与应用，2014， 33 （09）：111-112.

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