CN109104803B - 一种基于avr单片机的氙灯预燃装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于AVR单片机的氙灯预燃装置，将传统的DSP换成了AVR单片机，AVR具有低工作电压、低功耗、驱动能力强优点，减少了对外设管理的开销，简化了硬件结构，降低了成本；相比于DSP用PID算法调整电流，AVR单片机以及外围电路实现电流循环调节，加强电流回路响应速度，保证了氙灯的预燃效率，提高系统稳定性；整个装置利用AVR单片机以及外围电路实现电流循环调整功能，外围电路简单，成本低，无需复杂的算法就可以实现氙灯预燃功能，提高系统的稳定性。

Description

一种基于AVR单片机的氙灯预燃装置

技术领域

本发明涉及照明设备技术领域，尤其涉及一种基于AVR单片机的氙灯预燃装置。

背景技术

脉冲型激光电源中氙灯工作分为三个阶段：起辉、预燃、高压放电阶段。其中，起辉阶段灯内氙气迅速电离，发生辉光放电；当输入的能量足够大时，灯管内氙气由辉光放电过渡到弧光放电，即预燃阶段；最后，通过电容的充放电，预燃电路给氙灯提供维持电流。传统的脉冲氙灯工作通过PWM技术控制，即起辉时，控制器以PWM最大占空比输出最高电压；预燃时，通过调节PWM的占空比输入稳定电流。常见的PWM控制技术一般由DSP来实现，其基本原理是：利用PID算法得到维持稳定电流所需的PWM占空比并输出，以达到稳定电流的目的，传统方案中DSP芯片控制最核心的是PID调节算法，因为PID算法是一种线性控制器，应用于激光电源中，存在氙灯点火不成功现象，需要专门控制器来校正系统，增加了电源设计的复杂程度。传统的氙灯预燃采用软件来控制，系统的结构复杂，成本高，而且存在预燃不成功的现象，所以现在急需一种基于硬件控制、成本低的氙灯预燃装置。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于硬件控制、成本低的氙灯预燃装置。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种基于AVR单片机的氙灯预燃装置，其包括放电箱、上位机和电源，还包括AVR单片机、D/A转换电路、第一比较电路、第二比较电路和与非电路；

上位机、AVR单片机和D/A转换电路顺次电性连接，第一比较电路分别与D/A转换电路、第二比较电路、AVR单片机和放电箱电性连接，第二比较电路分别与AVR单片机和与非电路电性连接，与非电路与放电箱电性连接；

电源与AVR单片机电性连接；

电源包括两个电压档位，分别为15V电源和5V电源；

D/A转换电路包括：AD7545芯片、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一运算放大器、第二运算放大器和电感；

第一运算放大器的同向输入端接地，反向输入端分别与AD7545芯片的第1管脚和第三电容的正极电性连接，第一运算放大器的输出端分别与第一电阻的一端、第二电阻的一端和第三电容的负极电性连接，第一电阻的另一端与AD7545芯片的第20管脚电性连接，第一运算放大器的电源+引脚分别与第一电容的正极和15V电源的正极电性连接，第一电容的负极接地，第一运算放大器的电源-引脚分别与15V电源的负极和第二电容的负极电性连接，第二电容的正极接地；

第二运算放大器的同向输入端与第三电阻的一端电性连接，第三电阻的另一端接地，第二运算放大器的反向输入端分别与第二电阻的另一端和第四电阻的一端电性连接，第二运算放大器的输出端分别与第四电阻的另一端、第五电容的正极和第五电阻的一端电性连接，第五电容的负极和第五电阻的另一端均接地；

第二运算放大器的输出端与第一比较电路电性连接；

AD7545芯片的第2管脚、第3管脚和16管脚均接地，AD7545芯片的第4～15管脚分别与AVR单片机的12个输入管脚电性连接，AD7545芯片的第17管脚与AVR单片机的I/O引脚电性连接，AD7545芯片的第18管脚分别与5V电源的正极和第四电容的正极电性连接，第四电容的负极接地，AD7545芯片的第19管脚与电感的一端电性连接，电感的另一端与5V电源的正极电性连接；

第一比较电路包括：第六电阻、第七电阻、第八电阻、第十一电容、开关二极管和第一比较器；

开关二极管包括两个正向串联的二极管，第一个二极管的阳极与第二个二极管的阴极连接点设为开关二极管的第3引脚，第一个二极管的阴极设为开关二极管的第2引脚，将第二个二极管的阳极设为开关二极管的第1引脚；

第六电阻的一端与第二运算放大器的输出端电性连接，第六电阻的另一端与第一比较器的同向输入端电性连接，第一比较器的反向输入端与第十一电容的正极和开关二极管的第3引脚电性连接，第十一电容的负极接地，开关二极管的第2管脚与5V电源的正极电性连接，开关二极管的第1管脚接地，第一比较器的输出端与第七电阻的一端电性连接，第七电阻的另一端与5V电源的正极电性连接，第八电阻的一端与开关二极管的第3引脚电性连接，第八电阻的另一端与第二比较电路的输出端电性连接；

第二比较电路包括：第九电阻、第十电阻、第八电容、第九电容和第三运算放大器；

第三运算放大器的同向输入端分别与第十电阻的一端和第九电容的正极电性连接，第三运算放大器的反向输入端与第九电阻的一端电性连接，第九电阻的另一端与第三运算放大器的输出端电性连接，第三运算放大器的输出端与第八电阻的另一端电性连接，第十电阻的另一端分别与放电箱和第八电容的正极电性连接，第八电容的负极和第九电容的负极分别接地；

与非电路包括：第十一电阻、第十二电阻、第一与非门和第二与非门；

第一与非门的两个输入端分别与AVR单片机的FDX1和PLS1引脚一一对应电性连接，第一与非门的输出端与第二与非门两个输入端电性连接，第二与非门的输出端与第十一电阻的一端电性连接，第十一电阻的另一端与放电箱连接；

放电箱包括1～7个接口、第六电容、第七电容和第十电容；

第六电容的正极分别与放电箱的第1接口和15V电源的正极电性连接，第六电容的负极接地，放电箱的第2接口分别与第七电容的负极和15V电源的负极电性连接，第七电容的正极接地，放电箱的第3接口与第十电阻的另一端电性连接，放电箱的第4接口和第6接口均接地，放电箱的第5接口与第十一电阻的另一端电性连接，放电箱的第7接口与第十电容的正极电性连接，第十电容的负极接地。

本发明的氙灯预燃装置相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)将传统的DSP换成了AVR单片机，AVR具有低工作电压、低功耗、驱动能力强优点，减少了对外设管理的开销，简化了硬件结构，降低了成本；

(2)相比于DSP用PID算法调整电流，AVR单片机以及外围电路实现电流循环调节，加强电流回路响应速度，保证了氙灯的预燃效率，提高系统稳定性；

(3)整个装置利用AVR单片机以外围电路实现电流循环调整功能，外围电路简单，成本低，无需复杂的算法就可以实现氙灯预燃功能，提高系统的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于AVR单片机的氙灯预燃装置的结构图；

图2为本发明一种基于AVR单片机的氙灯预燃装置的D/A转换电路图；

图3为本发明一种基于AVR单片机的氙灯预燃装置的第一比较电路图；

图4为本发明一种基于AVR单片机的氙灯预燃装置的第二比较电路图；

图5为本发明一种基于AVR单片机的氙灯预燃装置的与非电路图；

图6为本发明一种基于AVR单片机的氙灯预燃装置的放电箱外围电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一种基于AVR单片机的氙灯预燃装置，其包括放电箱、上位机、电源、AVR单片机、D/A转换电路、第一比较电路、第二比较电路和与非电路。

上位机，为AVR单片机提供电流参考值，AVR单片机根据参考值给出设定的电流值I1。

AVR单片机，控制电流信号的产生，产生控制信号C。AVR单片机具有低工作电压、低功耗、驱动能力强优点，同时减少了对外设管理的开销，简化了硬件结构，降低了成本。在本实施例中，AVR单片机采用ATMEGA128单片机，其中第35～40管脚和第51～46管脚分别与D/A转换电路中的A/D转换芯片电性连接。

D/A转换电路，实现数字信号和模拟信号之间的转换。在本实施例中，如图2所示，D/A转换电路包括：AD7545芯片、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第一运算放大器U1、第二运算放大器U2和电感L1；第一运算放大器U1的同向输入端接地，反向输入端分别与AD7545芯片的第1管脚和第三电容C3的正极电性连接，第一运算放大器U1的输出端分别与第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端和第三电容C3的负极电性连接，第一电阻R1的另一端与AD7545芯片的第20管脚电性连接，第一运算放大器U1的电源+引脚分别与第一电容C1的正极和15V电源的正极电性连接，第一电容C1的负极接地，第二电容C2的正极接地，第二电容C2的负极接15V电源负端子；第二运算放大器U2的同向输入端与第三电阻R3的一端电性连接，第三电阻R3的另一端接地，第二运算放大器U2的反向输入端分别与第二电阻R2的另一端和第四电阻R4的一端电性连接，第二运算放大器U2的输出端分别与第四电阻R4的另一端、第五电容C5的正极和第五电阻R5的一端电性连接，第五电容C5的负极和第五电阻R5的另一端均接地；

AD7545芯片的第2管脚、第3管脚和16管脚均接地，AD7545芯片的第4～15管脚分别与ATMEGA128单片机的第35～40管脚和第51～46管脚对应电性连接，AD7545芯片的第17管脚与ATMEGA128单片机的第41引脚电性连接，AD7545芯片的第18管脚分别与5V电源的正极和第四电容C4的正极电性连接，第四电容C4的负极接地，AD7545芯片的第19管脚与电感L1的一端电性连接，电感L1的另一端与5V电源的正极电性连接。

第一比较电路，将经过D/A转换电路转换的电流I1与放电箱的电流I2进行比较，并将比较的结果1或0分别传给第二比较电路和AVR单片机。如图3所示，第一比较电路包括：第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第十一电容R11、开关二极管Q1和第一比较器U4；如图3所示，开关二极管包括两个正向串联的二极管，第一个二极管的阳极与第二个二极管的阴极连接点设为开关二极管的第3引脚，第一个二极管的阴极设为开关二极管的第2引脚，将第二个二极管的阳极设为开关二极管的第1引脚。第六电阻R6的一端与第二运算放大器U2的输出端电性连接，第六电阻R6的另一端与第一比较器U1的同向输入端电性连接，第一比较器U1的反向输入端与第十一电容C11的正极和开关二极管Q1的第3引脚电性连接，第十一电容C11的负极接地，开关二极管Q1的第2管脚与5V电源的正极电性连接，开关二极管Q1的第1管脚接地，第一比较器U1的输出端与第七电阻R7的一端电性连接，第七电阻R7的另一端与5V电源的正极电性连接，第八电阻R8的一端与开关二极管Q1的第3管脚电性连接，第八电R8阻的另一端与第二比较电路的输出端电性连接。

第二比较电路，接收第一比较电路比较的1或2结果和AVR单片机传来的控制信号C。如图4所示，第三运算放大器电路包括：第九电阻R9、第十电阻R10、第八电容C8、第九电容C9和第三运算放大器U3；第三运算放大器U3的同向输入端分别与第十电阻R10的一端和第九电容C9的正极电性连接，第三运算放大器U3的反向输入端与第九电阻R9的一端电性连接，第九电阻R9的另一端与第三运算放大器U3的输出端电性连接，第三运算放大器U3的输出端与第八电阻R8的另一端电性连接，第十电阻R10的另一端分别与放电箱和第八电容C8的正极电性连接，第八电容C8的负极和第九电容C9的负极分别接地。

与非电路，将第一比较电路比较的1或0结果和AVR单片机传来的控制信号C做与非运算，产生高低电平，控制放电箱的放电。如图5所示，与非电路包括：第十一电阻R11、第十二电阻R12、第一与非门U5和第二与非门U6；第一与非门U5的两个输入端分别与AVR单片机的FDX1和PLS1引脚一一对应电性连接，第一与非门U5的输出端与第二与非门U6两个输入端电性连接，第二与非门U6的输出端与第十一电阻R11的一端电性连接，第十一电阻R11的另一端与放电箱连接。

放电箱，产生高电压进行放电。如图6所示，放电箱包括1～7个接口、第六电容C6、第七电容C7和第十电容R10；第六电容C6的正极分别与放电箱的第1接口和15V电源的正极电性连接，第六电容C6的负极接地，放电箱的第2接口分别与第七电容的负极和15V电源的负极电性连接，第七电容的正极接地，放电箱的第3接口与第十电阻R10的另一端电性连接，放电箱的第4接口和第6接口均接地，放电箱的第5接口与第十一电阻R11的另一端电性连接，放电箱的第7接口与第十电容C10的正极电性连接，第十电容C10的负极接地。

本发明的原理是：如图1所示，上位机为AVR单片机提供电流参考值，AVR单片机根据参考值给出电流值，经D/A转换电路转换成模拟信号I1，将模拟信号I1与放电箱反馈的电流I2作为第一比较电路的输入值，第一比较电路对两者的大小进行比较，当I1大于I2时，第一比较电路输出的结果为1，当I1小于I2时，第一比较电路输出的结果为0，第一比较电路输出的比较结果传送给AVR单片机和第二比较电路，AVR单片机根据接收的比较结果产生相应的控制信号C，当比较结果为1时，控制信号C为1，当比较结果为0时，控制信号C为0，将比较结果和控制信号C作为与非电路的输入，对两者进行与非运算，当两者均为高电平时，与非门产生低电平，控制放电箱不放电；当两者均为低电平时，与非门产生高电平，控制放电箱放电。在一个脉冲宽度内，重复上述将模拟信号I1与放电箱反馈的电流I2作为第一比较电路的输入值及之后的动作，直到氙灯预燃成功。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于AVR单片机的氙灯预燃装置，其包括放电箱、上位机和电源，其特征在于：还包括AVR单片机、D/A转换电路、第一比较电路、第二比较电路和与非电路；

所述上位机、AVR单片机和D/A转换电路顺次电性连接，第一比较电路分别与D/A转换电路、第二比较电路、AVR单片机和放电箱电性连接，第二比较电路分别与AVR单片机和与非电路电性连接，与非电路与放电箱电性连接；

所述电源与AVR单片机电性连接；

所述电源包括两个电压档位，分别为15V电源和5V电源；

所述D/A转换电路包括：AD7545芯片、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一运算放大器、第二运算放大器和电感；

所述第一运算放大器的同向输入端接地，反向输入端分别与AD7545芯片的第1管脚和第三电容的正极电性连接，第一运算放大器的输出端分别与第一电阻的一端、第二电阻的一端和第三电容的负极电性连接，第一电阻的另一端与AD7545芯片的第20管脚电性连接，第一运算放大器的电源+引脚分别与第一电容的正极和15V电源的正极电性连接，第一电容的负极接地，第一运算放大器的电源-引脚分别与15V电源的负极和第二电容的负极电性连接，第二电容的正极接地；

所述第二运算放大器的同向输入端与第三电阻的一端电性连接，第三电阻的另一端接地，第二运算放大器的反向输入端分别与第二电阻的另一端和第四电阻的一端电性连接，第二运算放大器的输出端分别与第四电阻的另一端、第五电容的正极和第五电阻的一端电性连接，第五电容的负极和第五电阻的另一端均接地；

所述第二运算放大器的输出端与第一比较电路电性连接；

所述AD7545芯片的第2管脚、第3管脚和16管脚均接地，AD7545芯片的第4～15管脚分别与AVR单片机的12个输入管脚电性连接，AD7545芯片的第17管脚与AVR单片机的I/O引脚电性连接，AD7545芯片的第18管脚分别与5V电源的正极和第四电容的正极电性连接，第四电容的负极接地，AD7545芯片的第19管脚与电感的一端电性连接，电感的另一端与5V电源的正极电性连接；

所述第一比较电路包括：第六电阻、第七电阻、第八电阻、第十一电容、开关二极管和第一比较器；

所述开关二极管包括两个正向串联的二极管，第一个二极管的阳极与第二个二极管的阴极连接点设为开关二极管的第3引脚，第一个二极管的阴极设为开关二极管的第2引脚，将第二个二极管的阳极设为开关二极管的第1引脚；

所述第六电阻的一端与第二运算放大器的输出端电性连接，第六电阻的另一端与第一比较器的同向输入端电性连接，第一比较器的反向输入端与第十一电容的正极和开关二极管的第3引脚电性连接，第十一电容的负极接地，开关二极管的第2管脚与5V电源的正极电性连接，开关二极管的第1管脚接地，第一比较器的输出端与第七电阻的一端电性连接，第七电阻的另一端与5V电源的正极电性连接，第八电阻的一端与开关二极管的第3引脚电性连接，第八电阻的另一端与第二比较电路的输出端电性连接；

所述第二比较电路包括：第九电阻、第十电阻、第八电容、第九电容和第三运算放大器；

所述第三运算放大器的同向输入端分别与第十电阻的一端和第九电容的正极电性连接，第三运算放大器的反向输入端与第九电阻的一端电性连接，第九电阻的另一端与第三运算放大器的输出端电性连接，第三运算放大器的输出端与第八电阻的另一端电性连接，第十电阻的另一端分别与放电箱和第八电容的正极电性连接，第八电容的负极和第九电容的负极分别接地；

所述与非电路包括：第十一电阻、第十二电阻、第一与非门和第二与非门；

所述第一与非门的两个输入端分别与AVR单片机的FDX1和PLS1引脚一一对应电性连接，第一与非门的输出端与第二与非门两个输入端电性连接，第二与非门的输出端与第十一电阻的一端电性连接，第十一电阻的另一端与放电箱连接；

所述放电箱包括1～7个接口、第六电容、第七电容和第十电容；

所述第六电容的正极分别与放电箱的第1接口和15V电源的正极电性连接，第六电容的负极接地，放电箱的第2接口分别与第七电容的负极和15V电源的负极电性连接，第七电容的正极接地，放电箱的第3接口与第十电阻的另一端电性连接，放电箱的第4接口和第6接口均接地，放电箱的第5接口与第十一电阻的另一端电性连接，放电箱的第7接口与第十电容的正极电性连接，第十电容的负极接地。

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