鄧琪琦，楊日福

(1．陽(yáng)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院　機(jī)電系，廣東　陽(yáng)江　529500；2．華南理工大學(xué)　理學(xué)院，廣州　 510641)

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數(shù)字式高壓靜電發(fā)生器的設(shè)計(jì)

鄧琪琦1，2，楊日福2

(1．陽(yáng)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，廣東陽(yáng)江529500；2．華南理工大學(xué)理學(xué)院，廣州 510641)

摘要該文設(shè)計(jì)了一款帶數(shù)字顯示的高壓靜電發(fā)生器，該靜電發(fā)生器輸出連續(xù)可調(diào)的直流高壓，且通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換再經(jīng)單片機(jī)處理，以數(shù)字的方式顯示輸出電壓值。與較價(jià)格昂貴的模擬儀表相比，使用方便，效果良好。

關(guān)鍵詞高壓；靜電發(fā)生器；數(shù)字顯示；單片機(jī)

高壓靜電發(fā)生器在靜電除塵[1]、油煙凈化[2]、靜電噴漆以及各種高壓靜電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用廣泛。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的高壓靜電發(fā)生器可產(chǎn)生幾千伏至幾百千伏的高壓[3]，但大多為模擬儀表顯示，而且價(jià)格比較昂貴。因此，本文設(shè)計(jì)了一種可產(chǎn)生0～10 kV連續(xù)可調(diào)、帶數(shù)字顯示的高壓靜電發(fā)生器，具有體積小、元件簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

1工作原理

高壓靜電發(fā)生器的總體框架如圖1所示。220 V的交流電經(jīng)過(guò)變壓器降壓、整流、濾波后，形成約12 V的直流電壓，輸出的12 V直流電壓分別輸入7805和LM317，其中7805將輸出穩(wěn)定的5 V直流電壓，作為單片機(jī)AT89S52及A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0804的工作電壓 ，而LM317與電位器等元件組成可控直流部分，輸出連續(xù)可調(diào)的25 V以內(nèi)的直流電壓。通過(guò)編程，使單片機(jī)輸出20 kHz的方波，并用此方波來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的通斷，而開(kāi)關(guān)管的C極與LM317產(chǎn)生的直流電壓分別加在升壓變壓器的低壓輸入的兩端，便可形成一正一負(fù)周期性的尖峰脈沖。該脈沖經(jīng)升壓后再倍壓整流、濾波，便可形成直流高壓，且其電壓值大小可由LM317組成的可控直流電壓的大小控制。直流高壓經(jīng)過(guò)高倍數(shù)的分壓后，得到一個(gè)很小的直流電壓，輸入ADC0804進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[4]，再將得到的數(shù)字量送入單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)編程使電壓值在數(shù)碼管上顯示[5-6]。

圖1　高壓靜電發(fā)生器模塊圖

2發(fā)生器各模塊詳細(xì)介紹

2.1直流電壓產(chǎn)生模塊

如圖2所示，220 V交流電壓經(jīng)過(guò)降壓變壓器降壓后，形成23 V的交流電壓，再經(jīng)過(guò)四端整流橋D1進(jìn)行全波整流和1 000 μF的大電容C1濾波后，可得到約27 V的直流電壓。這27 V的直流電壓分別輸入三端穩(wěn)壓器7805和LM317的輸入端，則7805和LM317的輸出端與調(diào)整端電壓分別為5 V和1.25 V直流電壓。由圖2可知，LM317輸出的端電壓為：

(1)

式中，R0為100 Ω的固定電阻，VR1為2 kΩ的電位器，VLM317-OUT的取值范圍為1.25～25 V，具體取值可根據(jù)需要調(diào)節(jié)電位器得到。

圖2中的穩(wěn)壓二極管D2、D3起限流保護(hù)作用。

圖2　直流電壓模塊電路原理圖

2.2方波產(chǎn)生模塊

此模塊功能為產(chǎn)生100 kHz左右的方波信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)三極管。此模塊可由555定時(shí)器、3個(gè)首尾相連的反相器構(gòu)成的環(huán)形振蕩器或單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于單片機(jī)AT89S52使用方便，且內(nèi)部CMOS電路產(chǎn)生的噪音較小，在本文中采用單片機(jī)產(chǎn)生方波信號(hào)。因本文中單片機(jī)AT89S52還要實(shí)現(xiàn)電壓測(cè)量和數(shù)字顯示控制的功能，為實(shí)現(xiàn)單片機(jī)同時(shí)控制若干個(gè)模塊，所以對(duì)方波信號(hào)的產(chǎn)生將采用AT89S52里的定時(shí)器功能：選擇12 MHz的晶振為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)(單片機(jī)每個(gè)機(jī)器周期為1 μs)，通過(guò)程序設(shè)定每隔5 μs定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出(周期為10 μs)，產(chǎn)生中斷信號(hào)，使AT89S52的P3.0管腳產(chǎn)生反向跳變，產(chǎn)生100 kHz的方波信號(hào)，且不影響單片機(jī)對(duì)電壓測(cè)量和數(shù)字顯示的控制。對(duì)于方波信號(hào)的頻率選擇，若頻率過(guò)小則最終經(jīng)倍壓整流后產(chǎn)生的高壓帶負(fù)載能力下降，電壓值衰減嚴(yán)重；若頻率過(guò)大(接近1 MHz)則單片機(jī)無(wú)法控制其他模塊。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，100 kHz左右的頻率較為適宜。

2.3正負(fù)尖脈沖產(chǎn)生模塊

圖3　正負(fù)尖脈沖產(chǎn)生模塊原理圖

此模塊用于產(chǎn)生一正一負(fù)交替產(chǎn)生的尖峰脈沖。電路連接如圖3所示，其中T2為升壓變壓器，Q1為8050三極管，R10為三極管基極限流電阻。方波產(chǎn)生模塊中的單片機(jī)P3.0腳產(chǎn)生的方波信號(hào)通過(guò)R10后輸入8050的基極，8050發(fā)射極接地，集電極與T2的一個(gè)低壓輸入端TI2相連，而直流電壓產(chǎn)生模塊中的LM317輸出端與T2的另一個(gè)輸入端TI1相連，VI1得到1.25～25 V的直流電壓。而方波信號(hào)輸入三極管8050，將控制8050周期性導(dǎo)通-截止。由于三極管集電極與LM317輸出的直流電壓之間接了變壓器，相當(dāng)于接了一個(gè)較大的電感，因此在8050導(dǎo)通-截止的瞬間VI2端產(chǎn)生一個(gè)正向脈沖，在其截止-導(dǎo)通瞬間產(chǎn)生一個(gè)負(fù)向脈沖，周期性正負(fù)脈沖可由此產(chǎn)生，如圖4所示，其脈沖頻率等于方波信號(hào)頻率，脈沖幅度由LM317輸出的直流電壓值決定。該脈沖信號(hào)經(jīng)升壓變壓器升壓后，輸出頻率不變、幅值被放大了的脈沖電壓。

圖4　正負(fù)尖脈沖模塊中VI2端波形圖

2.4倍壓整流模塊

此模塊主要由一個(gè)倍壓整流電路和相應(yīng)的分壓、濾波電路組成。電路原理圖如圖5所示。

圖5　倍壓整流模塊電路原理圖

圖5中電容C6～C15、二極管D6～D15為倍壓整流部分，電容C16～C20為濾波電路，電阻R11和R12為分壓電路。尖脈沖產(chǎn)生模塊中的升壓變壓器輸出的高幅值脈沖輸入倍壓整流電路，根據(jù)倍壓整流原理，隨著電容C6～C15的交替相互充放電，最終將達(dá)到穩(wěn)定值。若正負(fù)脈沖的幅值相等，則穩(wěn)定后電容C7～C15、二極管D6～D14上的壓降都相等且應(yīng)為電容C6上壓降的兩倍。為使輸出電壓盡可能高，且?guī)ж?fù)載能力較強(qiáng)，應(yīng)要求C6～C15的容量和耐壓值都盡可能大。本文采用容量0.2 μF、耐壓值2 kV的電容作為倍壓整流的電容。二極管的選取也應(yīng)與電容相匹配，其耐壓值應(yīng)達(dá)到2 kV，在實(shí)際電路制作過(guò)程中每個(gè)二極管可由兩個(gè)整流二極管1N4007(耐壓值1 200 V)串聯(lián)來(lái)取代。電容C16～C20構(gòu)成濾波電路。倍壓整流后輸出的電壓在不加任何負(fù)載的情況下為穩(wěn)定的直流高壓，加上負(fù)載后，由于有了負(fù)載的放電電流，輸出電壓值將略有下降且不穩(wěn)定，因此需添加濾波電路。濾波電路的電容要求也是耐壓值和容量都盡可能高，在本文中C16～C20的選擇可與倍壓整流中所使用電容一致。圖5中R11、R12組成分壓電路，使R12的電壓為C15的電壓的1/1001，約為總輸出電壓的1/5 000，R9的電壓(0～2 V)將輸入電壓測(cè)量模塊中的AD轉(zhuǎn)換芯片，用于電壓測(cè)量。為使R11、R12的放電電流盡可能小，從而對(duì)輸出電壓的影響盡可能小，R11、R12阻值應(yīng)盡可能大。實(shí)際電路制作過(guò)程中R11為10個(gè)20 MΩ的電阻串聯(lián)構(gòu)成，R12選200 kΩ的電阻。

2.5電壓測(cè)量與數(shù)字顯示控制模塊

此模塊主要由單片機(jī)AT89S52、集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0804和4位7段共陽(yáng)數(shù)碼管構(gòu)成。ADC0804是一單片CMOS8位逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器，有較高的轉(zhuǎn)換精度，工作速度中等，成本低，與8位微機(jī)兼容，其三態(tài)輸出可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線。單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換芯片工作電壓以及驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的三極管發(fā)射極電壓均由直流電壓產(chǎn)生模塊中的7805提供。整個(gè)模塊的接線如圖6所示。

其中關(guān)鍵部分接線為：ADC0804的片選CS、數(shù)字地DGND、模擬地AGND、VIN_等引腳接地，VIN+輸入被測(cè)電壓vI，WR、RD、INTR分別與單片機(jī)的WR、RD、INT0相連，其輸出端的8位數(shù)字信號(hào)與單片機(jī)的P1口相連，其參考電壓輸入端VREF/2輸入1.28 V電壓，可由7805和電位器組成串聯(lián)分壓電路獲得。ADC0804的時(shí)鐘信號(hào)由10 kΩ的電阻和150 pF的電容串聯(lián)形成振蕩得到。工作時(shí)，單片機(jī)WR端輸出一個(gè)上升沿信號(hào)，AD轉(zhuǎn)換開(kāi)始。當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，ADC0804的INTR端輸入一個(gè)低電平，單片機(jī)INT0檢測(cè)到此低電平后RD端輸出一個(gè)低電平，允許ADC0804將數(shù)字量輸出。單片機(jī)P1口接收到數(shù)字量后，開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的十進(jìn)制電壓數(shù)值和對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管并輸出至數(shù)碼管顯示。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(約0.5 s)延時(shí)后，單片機(jī)WR端再輸出一個(gè)上升沿，開(kāi)始下一次A/D轉(zhuǎn)換—數(shù)據(jù)處理—顯示的過(guò)程。值得注意的是，ADC0804的參考電壓輸入端VREF/2輸入電壓1.28 V，而實(shí)際參考電壓為VREF= 2.56 V，則由A/D轉(zhuǎn)換輸入輸出公式[6]為:

(2)

式中，vI為輸入的電壓模擬量，D為輸出的數(shù)字量。此處ADC0804的8位輸出端數(shù)字量為D=100vI。而根據(jù)倍壓整流模塊中的電路結(jié)構(gòu)，vI為實(shí)際輸出高電壓vOUT的1/5 000，則ADC0804輸出數(shù)字量為D=vOUT/50。因此，單片機(jī)對(duì)接收到的數(shù)字量進(jìn)行處理時(shí)需將D擴(kuò)大50倍，得到實(shí)際的輸出端電壓對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)后，才能繼續(xù)進(jìn)行下一步數(shù)碼管顯示數(shù)碼的處理。受ADC0804轉(zhuǎn)換精度所限，整個(gè)系統(tǒng)能區(qū)分出輸出高電壓的最小差異為50 V，若數(shù)碼管顯示標(biāo)識(shí)單位為kV，則可顯示至小數(shù)點(diǎn)后兩位，精度為0.05 kV。另外，ADC0804轉(zhuǎn)換時(shí)間為0.1 ms，但在實(shí)際電路中不宜使ADC0804一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后立刻開(kāi)始下一次轉(zhuǎn)換，否則若測(cè)量電壓出現(xiàn)波動(dòng)，在很短時(shí)間內(nèi)有多次測(cè)量的不同的電壓值被送到數(shù)碼管輸出，由于肉眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)，數(shù)碼管上將無(wú)法清晰顯示電壓值。

圖6　電壓測(cè)量與數(shù)字顯示模塊電路原理圖

3結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的高壓靜電發(fā)生器可產(chǎn)生0～10 kV連續(xù)可調(diào)電壓，帶數(shù)字顯示的功能，不但具有體積小、元件簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，而且在制作過(guò)程中便于調(diào)節(jié)，對(duì)方波的頻率調(diào)節(jié)、數(shù)字顯示控制等功能只需將單片機(jī)取下修改程序即可。目前，該高壓靜電發(fā)生器使用效果良好。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期:2015-02-15；修改日期: 2015-03-26

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(11464002)。

作者簡(jiǎn)介：鄧琪琦(1985-)，男，碩士，助教，主要從事電子技術(shù)及電氣自動(dòng)化的研究工作。

中圖分類號(hào)O441.1；TH89

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.018

Design of a Digital High-voltage Electrostatic Generator

DENG Qiqi1，2，YANG Rifu2

(1．Department of Mechanical and Electrical Engineering，Yangjiang Vocational and Technical College，Yangjiang 529500，China；2．College of Science，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China)

AbstractThis study was aimed at the design of a high voltage electrostatic generator with digital display.This electrostatic generator could generate a continuous and adjustable high-voltage DC output and display the output value in digital way after the A/D conversion and the processing of micro control unit(MCU).Compared with costly analog instrument,it was proved to be a user-friendly and efficient experiment instrument.

Key wordshigh voltage;electrostatic generator;digital display;micro control unit