基于C8051F500的数控恒流源设计
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
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
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
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。
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。
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。
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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1、硬件系统框图
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
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）
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