（电路与系统专业论文）中子发生器控制台自动化研究.pdf

，f r j 牛 ， # ， _ 专 二 气 毒 一 一 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所 取得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编本学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：里鲞互圭垩 日 期：兰! ! ：6 ：! 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名： 电话： 邮编： 。，一1-帮， i 、 ，” 摘要 中子发生器中的中子管是目前中子源最热门的技术，因其具有小型化、价格低、易 普及等特点，而成为中子源中应用最广泛的一种。传统的中子发生器的控制台由于使用 机械电位器控制，开机过程需要比较有经验的实验人员调节，在正常运行过程中也需要 不定时调节以使中子产额稳定。针对这种情况，在对中子发生器控制台进行自动化改进 后，将使其使用更加方便、安全和可靠。 本文对中子管的结构及传统控制台的结构及调节过程加以介绍分析，然后根据其结 构提出具体的改进方案。在硬件电路上，对系统的方便性，稳定性，可扩展性，安全性 有均衡的考虑，由于中子发生器在使用过程中会受到各种影响而需要不断调节各种参 数，为了使中子产额稳定，我们采用闭环控制，对于直接影响中子产额的离子源电流读 取的问题，采取了信号隔离和独立电源悬浮的方法，使用数字电位器实现数字信号控制 模拟量。在软件设计上，因为中子发生器是一个大滞后系统，所以单片机手动调整程序 可以在系统初次安装后快速调整出所需参数，自动调整的程序将模拟人工调节的过程， 并且检测出离子源电流增减和变化快慢来决定调节速度，使尽量减少振荡，快速达到稳 定状态，另外还有异常处理措施可以在放电等意外情况下尽量减小危险和损失。 总之，本文采用基于凌阳单片机的自动控制系统，能够模拟人工调节的过程，使整 个系统操作更加方便，更加安全稳定。 关键字：a d ；d a ：自动控制；隔离；数字电位器 a b s t r a c t n e u t r o nt u b eo f g e n e r a t o rn e u t r o ni st h em o s tp o p u l a rn e u t r o ns o u r c et e c h n o l o g y , d u et o i t sl o wp r i c e s ，m i n i a t u r i z a t i o n , i th a sb e c o m eo n eo ft h ep o p u l a rn e u t r o ns o u t c ea m o n gt h e a p p l i c a t i o n t r a d i t i o n a ln e u t r o ng e n e r a t o rc o n s o l eu s em e c h a n i c a lp o t e n t i o m e t e r st oc o n t r o l ， t h eb o o tp r o c e s sn e e d sa ne x p e r i e n c e dl a b o r a t o r yt oa d j u s t ，a n dd u r i n gn o r m a lo p e r a t i o n ，a l s o n e e dt oa d j u s tt om a k et h en e u t r o ny i e l d ss t a b l e i nv i e wo f t h i ss i t u a t i o n , n e u t r o ng e n e r a t o ri s i m p r o v e d ；a u t o m a t i o nc o n t r o lw i l lm a k ei t su s em o r ec o n v e n i e n t ，s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y i nt h i sp a p e r , w ew i l li n t r o d u c et h es t r u c t u r eo ft h en e u t r o ng e n e r a t o ra n dt r a d i t i o n a l c o n s o l e ，t h e na n a l y s i st h ep r o c e s so fa d j u s t m e n tt op u tf o r w a r ds p e c i f i ci m p r o v e m e n ts c h e m e i nt h eh a r d w a r ec i r c u i t ，b e c a u s et h en e u t r o ng e n e r a t o rw i l lb ea f f e c t e db yv a r i o u si n f l u e n c e s ， n e e dc o n t i n u o u s l ya d j u s tv a r i o u sp a r a m e t e r s i no r d e rt om a k et h en e u t r o ny i e l d ss t a b l e ，w e u s et h ec l o s e d - l o o pc o n t r 0 1 1 1 1 ei o ns o u r c ec u r r e n tt h a ti n f l u e n c e st h en e u t r o ny i e l d si sg o tb y t h es i g n a li s o l a t i o na n di n d e p e n d e n ts u s p e n s i o np o w e r a n du s ed i g i t a lp o t e n t i o m e t e rt o r e a l i z ed i g i t a ls i g n a lc o n t r o ls i m u l a t i o n a n dt h r o u g ht h ec h a n g eo fi o ns o u r c ec u r r e n tt o c h a n g et h ea d j u s t m e n ts p e e d ，r e d u c et h ev i b r a t i o n , r e a c hs t e a d ys t a t eq u i c k l y a n o t h e r e x c e p t i o nh a n d l i n gc a nr e d u c er i s ka n dl o s s ，w h e nt h ea c c i d e n th a p p e n ss u c ha sd i s c h a r g e i ns h o r t ，t h i sp a p e rb a s e do nt h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fs u n p l u sm i c r o c o n t r o l l e r ； s i m u l a t et h ep r o c e s so fm a n u a la d j u s t m e n t , s ot h a tw h o l es y s t e mo p e r a t i o ni sm o r ec o n v e n i e n t , s a f ea n ds t a b l e k e y w o r d s ：a d ；d a ；a u t o ；i s o l a t i o n ；d i g i t a lp o t e n t i o m e t e r s n 、 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目j i 乏i i i 第一章 引 言。1 1 1 研究背景及意义一1 1 2 国内外的进展1 1 3 本文研究的主要内容2 1 4 卅、结2 第二章中子发生器结构及其原理3 2 1 中子管结构3 2 1 1 离子源3 2 1 2j 目里z i 2 1 3 储存器4 2 2 中子发生器电路组成0 4 2 3 原来的中子管调节过程8 2 4d 、结8 第三章控制台硬件部分设计。9 3 1 系统整体9 3 2 主控单片机的选择1o 3 3 离子源的改进。1 2 3 4 储存器的改进13 3 5 高压加速电路的改进1 3 3 6 离子源电流的取样1 4 3 7 系统其他功能部分1 5 3 8 单片机硬件资源分配1 6 3 9 刀、l ；：l7 第四章控制台软件设计1 8 4 1 手动控制的软件设计18 4 2 自动控制的软件设计1 9 4 2 1 整体流程1 9 4 2 2 中断服务程序2 0 4 2 3 自动开启子程序。2 1 4 2 4 主循环程序2 2 4 3d 、结2 3 结论2 4 参考文献2 5 致谢2 7 i i i 一 1 1 研究背景及意义 第一章引言 原子核是由中子和质子组成的，一般情况下中子不能单独存在，只有通过原子核反 应，才能使其从原子核中释放出来，产生中子射线。中子射线对原子核物理、放射化学 等基础可续的发展起着重要作用，对于反应堆工程和国防工程也有着重要意义。另外， 在工农医等各个领域也有着越来越广泛的直接应用，例如中子探矿、石油中子测井、中 子辐射养殖、中子照相、中子水分测量、中子活化分析、中子医疗诊断等等【l j 。 过去上述工作大多是利用反应堆或加速器中子源进行的。由于反应堆或加速器中子 源投资巨大，设计复杂，故此造价太高，而且难于根据条件需要进行现场辐照或流动辐 照。为了推广中子辐照技术，迫切需要使用一种成本低、重量轻、操作维护简单、防护 容易，适于现场或流动辐照的中子源。中子管就是一种适于推广应用的中子源。 中子管的控制台实际上就是要控制中子管的电源，传统的控制台由于使用机械电位 器调节，所以需要人工控制。中子管由于产生中子条件的比较复杂，每次开机之后需要 调节1 0 分钟左右的时间才能比较稳定的产生中子，开机达到稳定之后，在使用一段时 间又需要重新进行少许调节才能保持中子产额稳定，中子产额稳定性会直接或间接影响 到实验数据的准确性和科学性。另外由于在使用过程中存在放电等比较危险的情况，可 能导致控制台损坏，仍然需要人工值守，所以造成不便，我们将其改进为自动调整之后， 能够比较快的达到稳定状态，在工作中自动对危险状态进行快速处理，尽量避免较大的 损失。最重要的是，在进行自动化控制之后，中子产额比原来手动调节的更加稳定拉j ， 在整个使用过程中不需要人工干预。 1 2 国内外的进展 目前国外中子发生器研究起步较早，已经有很成熟的产品。国内目前有两个单位做 了这方面的工作： ( 1 ) 1 9 9 7 年，东北师范大学物理系研制了脉宽调制型中子管气压自动控制电路3 1 。 ( 2 ) 2 0 0 8 年，浙江大学吕俊涛设计完成了脉冲中子发生器高压控制系统的自动控制 设计【4 1 。 东北师范大学硕士学位论文 但是目前还没有比较完善的从开机至关机整个过程完全实现自动控制的系统，因 此，开发出这样的一套系统，对于使用中子发生器做实验或者实际工程项目中将会带来 很大的方便。 1 3 本文研究的主要内容 由于目前中子发生器在国内比较少，研究的单位不多，技术难度大，所以还没有成 熟的能够市场化的具有自动控制功能的中子发生器产品。而未来中子发生器的运用范围 越来越广，因此设计合理、产额稳定、简单易操作的发生器控制台对于中子发生器的普 及必将有着推动作用【5 1 。 本论文的主要研究内容： ( 1 ) 对中子发生器的原理及结构进行简单介绍，以了解中子产生的过程。 ( 2 ) 对过去中子发生器的控制电路进行介绍，并分析原来的调节过程。 ( 3 ) 介绍基于单片机的自动控制系统的整体硬件设计过程。 ( 4 ) 介绍整个软件设计的过程。 1 4 小结 本章主要对中子发生器的使用范围进行了介绍，对其控制台自动化改进的必要性加 以说明。随后介绍了国内在该领域的研究成果。最后介绍了本文的研究内容，指出整个 系统设计中所需要重点解决的技术问题。 2 东北师范大学硕士学位论文 第二章中子发生器结构及其原理 中子发生器及其控制台主要包括中子管、控制台、控制台供电电源组成，中子管内 部由离子源、储存器、靶三个部分控制着中子的产额，这三个部分分别由三部分电路控 制，三个部分相互协调工作才能稳定的产生中子。 2 1 中子管结构 中子管是一种最小型的加速器，它把离子源、加速聚焦电极、靶和储存器全部密封 在一只很小的陶瓷管内，构成一个结构很简单、紧凑、运输使用均方便的电真空器件6 捌。 图1 1 是z f d 1 型自成靶陶瓷中子管的结构。 2 1 1 离子源 图1 1z f d 1 型自成靶陶瓷中子管 离子源的作用是为核反应提供将被加速的离子，目前国内的中子管大多采用冷阴极 潘宁离子源【6 】。因为它具有结构简单、能在高真空下工作和寿命长等这些优点，是中子 管中最理想的离子源。影响离子源性能的主要因素有：离子源的结构、磁场强度的大小、 阳极电压的大小和离子源内部气压的大小。当离子源结构和磁场强度确定后，阳极电压 的大小和离子源内气压的变化将会直接影响离子源工作的状态。为得到稳定的离子束 流，一方面要提高其阳极电压的稳定性，另一方面要采取措施稳定离子源内( 中子管内) 的气压。 3 一 五 东北9 币范大学硕士学位论文 2 1 2 靶 靶是中子管内核反应的场所，工作时其内部吸附的气体和打入靶内的高能离子发生 核反应产生中子【6 j 。大多数玻璃中子管采用商品氚靶，这种靶存在如下缺点： ( 1 ) 它在制作前已吸满氚，对于一次性密封中子管来说，在制管时不能采用高温排 气工艺，管内零件不能彻底除气，这会严重影响中子管真空性能、耐压性能和工作稳定 性。 ( 2 ) 靶内的氚会被氘置换，氚的浓度会逐渐降低，中子产额也会逐渐降低，这将减 少其工作寿命。 自成靶解决了上述问题，开始制管时靶内没有氘气和氚气，而是在存贮器内吸入一 定数量的氘氚气，老练中子管时氘氚离子逐渐打入靶内，数小时后靶内氘氚含量达到饱 和，形成了自成靶。采用这种工艺之后，中子管在制作过程中可以在高温条件下排气， 保证了中子管具有良好的真空性能。由于靶内氘氚含量在工作时可以自动补偿，中子管 的工作寿命也不再受靶的限制。 2 1 3 储存器 储存器是气压调节的核心元件 6 1 。中子管是靠储存器来储存工作气体( 氘氚气) 和 调节管内气压的。储存器一般由吸氢能力强的粉末( 如钛粉，锆一石墨粉) 和加热丝组 成。它在一定温度下吸附一定量的氘氚气，然后在温度升高时放出氘氚气。中子管工作 时，通过储存器加热电流来调节其温度，控制它的吸气量，进而控制管内气压。 2 2 中子发生器电路组成 中子发生器电路主要包括离子源电路、储存器和靶极高压电路三个部分嘲，如图1 2 所示。 4 东：l t ：n 范大学硕士学位论文 = 图1 2 中子发生器整体结构图 其中离子源电路为离子源工作提供阳极电压【6 】【1 0 1 ，一般2 3 k v 。它的工作状态决定 中子管的工作状态：如果该电路提供直流电压，中子管就连续产生中子；如果它提供脉 冲电压，中子管就产生同步的脉冲中子，发射中子脉冲的频率、占空比和该电压的频率、 占空比相同。在我们的控制台中，使用的是恒博高压模块，该模块能提供0 4 k v 的电 压，0 1 0 m a 的电流，此模块使用2 4 v ，2 a 的直流开关电源供电，控制端使用机械电位 器调节，该模块为成熟的市场化产品，使用稳定可靠。 图1 3 离子源模块简图 储存器控制电路由储存器加热电源和气压控制电路两部分组成【6 】o 储存器加热电源 提供存贮器加热电流，气压控制电路根据管内气压的变化自动控制存贮器加热电流的大 小，实现对中子管内气压的调节，使其稳剧1 1 1 。实验表明中子管内气压的变化对中子产 额的稳定影响很大，因此提高该电路性能是很有意义的工作。 一 东北师范大学硕士学位论文 图1 4 储存器控制电路图 5 0 8 a 靶极高压电路提供氘离子加速所需的负高压【6 】【1 3 1 5 1 。靶极高压电路是中子发生器电 路的重要组成部分，它在中子发生器中所占体积很大，为了实现中子发生器的便携功能， 减小靶极高压电源的体积是关键。实验表明中子产额和靶极电流成正比，和靶极电压的 3 5 8 次方成正比。因而研制高产额中子发生器，需要提高靶极高压电源的输出电压和电 流，而且提高高压电源的输出电压能更快的提高中子产额。1 0 1 0 n s 中子发生器所需要的 靶极电压不低于2 0 0 k v ，靶极电流不少于5 m a 。 本控制台内使用3 5 2 5 芯片输出双p w m 控制g 4 0 n 6 0 芯片导通与关断时间n 别，3 5 2 5 的输出占空比也是由机械电位器控制。随着电能变换技术的发展，功率m o s f e t 在开关变 换器中开始广泛使用，为此美国硅通用半导体公司( s i l i c o ng e n e r a l ) 推出s g 3 5 2 5 s g 3 5 2 5 是用于驱动n 沟道功率m o s f e t 其产品一推出就受到广泛好评s g 3 5 2 5 系列p w m 控制 器分军品、工业品、民品三个等级s g 3 5 2 5 是电流控制型p w m 控制器，所谓电流控制型 脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电 感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流 跟随误差电压变化而变化由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源 的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。 在3 5 2 5 的1 1 脚和1 4 脚输出占空比可调的控制信号，用这两个引脚控制场效应管 g 4 0 n 6 0 ，最后在控制台外，靠近中子发生器的地方，使用倍压电路将电压倍压至 0 - 1 0 0 k v 。 6 ， 东北师范大学硕士学位论文 ；。_ 。，。： 图1 53 5 2 5 内部框图 l3 li 1 4 1 2 在图1 6 中，使用了两个光电三极管将3 5 2 5 的输出信号隔离传送给g 4 0 n 6 0 ，这是 为了防止干扰和保护3 5 2 5 芯片。 图1 6s g 3 5 2 5 外围电路图 7 东北师范大学硕士学位论文 2 3 原来的中子管调节过程 原控制台的操作使用方法如下【l 】： ( 1 ) 正确连接号电缆，接好地线，高压线和低压线保持足够的间距，以防止放电烧 ，毁线缆。注意反复检查，确认没有错误，再进行下一步操作i c 2 ) ：打开总电源开关，开离子源，观察控制台面板上的离子源电流表，若指示为零， 说明中子管正常，此时可以增加离子源电压，在2 0 秒左右调节到2 5 0 0 v ，此时可观察 到离子源电流表指针略有增加。 ( 3 ) 打开储存器电源开关，同样调节电位器，增加至o 5 a ，等待大约2 分钟，观察 到离子源电流表略有增加时，再次增加储存器，使其电流增加至大约0 6 a ，等待1 分钟， 可缓慢调节至0 7 a ，这期间需要观察离子源电流表和储存器电流表，正常情况下离子源 电流表指针应该缓慢增加，如果指针增加速度过快，说明是储存器电流过大，此时可能 需要适当减小储存器电流。当离子源电流增加至0 4 m a 时，等待3 0 秒，只要能稳定在 0 4 m a - - 0 5 m a 之间，就可开启高压加速部分的电路，缓慢增加高压，此时观察离子源电 流表，由于增加高压后，离子源电流会增加，高压增加至5 0 k v 时，离子源电流增加较 快，需要随时减小储存器电流，使其稳定于0 5 m a 左右，直到将高压调节至所需的电压 值，然后调节储存器电流，使离子源电流稳定在0 5 m a 或者其他所需设定值附近。 ( 4 ) 此后，在使用过程中，如果离子源电流有变化，需要微调储存器电流来使其维 持稳定，所以需要有人值守。 ( 5 ) 当使用完毕后，先降低高压加速的电压至零，然后减小储存器电流至零，观察 离子源电流表，逐渐降为零，说明管内气体己吸回，此时减小离子源电压至零，然后关 闭电源。 根据我们的测试，一般情况下开机达到稳定状态需要8 1 0 分钟，而正常开机后， 为防止放电等意外情况发生，也需要有人在控制台前观察各部分的电表指针。而关机时 由于中子管的特殊原因，也需要缓慢关闭，而不是直接关闭电源就可以的。 2 4 小结 本章主要介绍了中子管的整体结构，对于原来的控制台的调节及工作过程进行分 析，可以看出实现用单片机自动控制的可行性。 8 东北师范大学硕士学位论文 第三章控制台硬件部分设计 根据前面对控制台控制原理的介绍，能够代替机械电位器的有两种方法，第一种 是用d a c 来控制，第二种方法是用数字电位器来控制。在本系统中，根据凌阳单片机的 端口资源情况，储存器和离子源使用单片机的两个d a c 端口控制，而高压加速由于需要 隔离的需要故使用数字电位器控制。 3 - 1 系统整体 原有的控制方式如图3 1 所示，三个电路部分在控制上是各自独立调节的，在调节 霹 过程中需要观察各路电压表和电流表的示数变化并且记录下来。 固固回 图3 1 原控制台的控制原理示意图 在我们改进后的控制台中，控制原理如图3 。2 所示，原来的三个机械电位器被两路 d a 和一个数字电位器所代替，而离子源的电流大小稳定性直接反应了中子管内中子产额 的稳定，故我们需要把离子源的电流大小反馈给单片机，使单片机根据离子源电流变化 来调节储存器，稳定离子源大小，以达到稳定中子产额的目的。 9 东北师范大学硕士学位论文 图3 2 改进后的自动控制方式 整个系统使用凌阳单片机来控制，整个系统如图3 3 所示，a d 采集负责在自动控制 时反馈离子源电流大小，手动控制时相应键盘控制各路的调节，自动控制时键盘控制自 动开启和关闭，数字电位器和d a c 则直接控制中子管的三个部分原有电路系统，显示部 分主要在手动控制时记录各种参数以备自动控制的程序调用。 圈回 心 f 凌f n s p c e 0 6 1 ai i单片机i 钐 i 沁 数字电位器il d a c il 显示部分i r 。_ _ - - _ 。0 1 r 。1 _ 。_ _ _ _ - _ - - - _ _ 一 3 2 主控单片机的选择 图3 3自动控制系统整体框图 主控系统的单片机我们选择的是凌阳公司的s p c e 0 6 1 a 单片机。该单片机采用1 6 位“n s p 微处理器，是凌阳产品中面向语音和控制的中低端单片机，价格低廉。 该单片机的性能如下【1 6 棚】： 工作电压( c p u ) v d d 为2 4 3 6 v ( v o ) v d d h 为2 4 5 5 v c p u 时钟：0 3 2 m h z - - 4 9 15 2 m h z ： 内置2 k 字s 洲； 1 0 ， t 东北师范大学硕士学位论文 内置3 2 kf l a s h ； 可编程音频处理； 晶体振荡器： 系统处于备用状态下( 时钟处于停止状态) ，耗电仅为2 9 a 3 6 v ； 2 个1 6 位可编程定时器计数器( 可自动预置初始计数值) ； 2 个1 0 位d a c ( 数模转换) 输出通道； 3 2 位通用可编程输入输出端口； 1 4 个中断源可来自定时器a b ，时基i2 个外部时钟源输入，键唤醒； 具备触键唤醒的功能； 使用凌阳音频编码s a c m $ 2 4 0 方式( 2 4 k 位秒) ，能容纳2 1 0 秒的语音数据； 锁相环p l l 振荡器提供系统时钟信号； 3 2 7 6 8 h z 实时时钟； 7 通道1 0 位电压模数转换器( a d c ) 和单通道声音模数转换器； 声音模数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控n ( a g c ) 功能； 具备串行设备接口； 具有低电压复位( l v r ) 功能和低电压监测( l v d ) 功能； 内置在线仿真电路i c e ( i n c i r c u i te m u l a t o r ) 接口； 具有保密能力； 具有w a t c h d o g 功能。 图3 4 是6 1 单片机的内部资源结构图【2 0 】，从图中可看出，该单片机片上资源很丰 富，可以节省外围器件，便于调试。 l o a l 5 o 东北师范大学硕士学位论文 图3 4 凌阳单片机s p c e 0 6 1 的结构 凌阳的d a c 是电流型的，故如果需要电压模拟量，则需先将其转换为电压信号， 下表是测试d a 表3 1 凌阳d a c 电流转电压的特性 留4 0 05 0 0 l o l 02 0 0 03 0 0 0 茁 d a 1 2 8o 1 6 10 1 9 90 4 0 50 8 0 31 2 0 7 2 5 60 3 2 50 4 0 00 8 1 21 6 1 12 4 1 7 3 8 4o 4 8 1o 6 0 2 1 2 2 12 4 2 0 2 6 9 2 5 1 20 6 4 30 8 0 01 6 2 82 6 9 32 7 5 7 6 4 00 8 0 81 0 1 52 0 3 62 7 6 92 8 2 0 7 6 80 9 6 71 2 2 l 2 4 4 5 2 8 4 9 2 8 9 6 8 9 61 1 2 91 4 2 32 7 22 9 6 53 0 1 8 1 0 2 31 2 8 71 6 2 32 9 4 33 1 7 83 2 2 9 3 3 离子源的改进 由于离子源的电源我们使用的是市场化成熟产品恒博高压模块，对外接口如图2 4 所示。 经过我的测试，此模块控制端的高端( h ) ，输出电压为2 4 8 7 v ，低端( l ) 接整个 系统的地，抽头端( w ) 的电压大小决定着输出端的电压大小，原来此处是用机械电位 器调节的，现在我们要改用单片机控制，所以可以把机械电位器用阻值在1 0 k 至1 0 0 k 之间的数字电位器或者d a c 模块代替，因为我们选用的凌阳单片机含有d a c 模块，凌 阳的d a c 模块为1 0 位的d a ，精度足够高，由于抽头端所学最高电压为2 4 8 7 v ，所以 根据表3 1 ，我们选用6 8 0 欧的转换电阻，使d a 转换后的电压值最高能达到2 4 8 7 v ， 满足要求。 1 2 3 4 储存器的改进 中子管的储存器所需最大电流为0 8 a ，为了留有一定的裕量，我们设计的储存器电 路最大需要输出1 a 的电流，而储存器电阻加上很长的导线电阻约为2 7 欧姆，这样可 以计算出所需电压为2 7 v ，我们使用其中一路d a c ，转换电阻为1 k 欧姆，输出电压 最高时能达到3 v ，可以充分满足要求，而电流则由复合管提供。改进后的控制电路如 图3 6 所示： 图3 6d a c 控制储存器的原理图 3 5 高压加速电路的改进 u 5 0 8 a 由于高压加速电路使用的是3 5 2 5 提供的p w m ，所以，而此波形实际上也是由3 5 2 5 东北师范大学硕士学位论文 的第n 脚上电压大小控制的，所以我们仍然可以使用d a 或数字电位器控制，但是由于 3 5 2 5 芯片的地与整个系统的地经测试相差3 0 多伏特，如果用d a 控制，会比较麻烦， 而且凌阳单片机的两路d a 也刚好用完，所以此处我们使用数字电位器【2 1 五2 】隔离控制的 方式，3 5 2 5 的第一脚输出5 1 v 的基准电压，此基准电压我们用来作为数字电位器的电 源。 图3 7 是我们使用的数字电位x 9 c 1 0 3 p 的原理图。x 9 c 1 0 3 是三线加减式数字电位 器，阻值大小为1 0 k ，接口简单单片机操作方便，片内有一个非易失性存储器可以在掉 电时保存抽头端位置，单电源5 v 供电即可，分辨率为1 0 0 。 鉴一l 。熙 i9 9 、 一一i 鬲：蔷：茹 _ ； 驰 蟠 乏j 9 7 ： w 7 4 3 r o n e ! ， n o n v o l a t 乱e o f =茂o h $ e v o r y 0 n - ：i h u n d r e d t r a n s f 隙 d e c o d e r g 盯e s 2 霉 n s t o r ea n d 一 r c a l l 1 ：c 一c o f r o l 广、一 4 d -c j r c u j 7 r y o r _ l 一 3 6 离子源电流的取样 图3 7 数字电位器x 9 c 1 0 3 p 的原理图 v l v w 离子源电流的取样是整个系统中最重要的部分，只有正确读取了离子源电流的值， 并且适时传递给单片机，才能让系统接收到目前中子管所释放的气体状况。由于中子管 上三个部分的地线已经全部接在一起，此处不能从低端加取样电阻以得到电流大小，所 以只能在高端取值，而离子源电压正常情况下在2 0 0 0 v 以上，整个系统又需要共地，所 以此处我们只能采用隔离的方式，又因为离子源电流特别小，所以此处我们需用运放在 a d c 芯片前加上电压跟随器，此电压跟随器使用的运放输入阻抗必须特别大，这样才 能是a d 电路从离子源电路中吸取的电流特别小，故我们选用了c a 3 1 4 0 ，并且a d 部 分需要独立电源，此电源是悬浮的。 其中运放c a 3 1 4 0 具有如下三个优点使其比较适合用于此处田j ： v e r yh i g hi n p u ti m p e d a n c e 一1 5 t f l ( t y p ) ； v e r yl o wi n p u tc u r r e n t1 0 p a ( t y p ) a t + 1 5 v ； 5 v 单电源即可工作。 a d 转换芯片a d c 0 8 0 9 的性能特点如下【2 4 】： 1 4 东北师范大学硕士学位论文 o p e r a t e sr a t i o m e t r i c a l l yo rw i t l l5v d c o ra n a l o gs p a n ； a d j u s t e dv o l t a g er e f e r e n c e ； n oz e r oo rf u l l - s c a l ea d j u s tr e q u k e d ； 0 vt o5 v i n p u tr a n g ew i t hs i n g l e5 vp o w e rs u p p l y ； o u t p u t sm e e tt t lv o l t a g el e v e ls p e c i f i c a t i o n s ； l o w p o w e r1 5m w ； c o n v e r s i o nt i m e10 0p s 。 离子源电流采集电路如图3 8 所示： 基篙眇每 嚣器瞧 矗秆。：m 由舌_ 一 篇篇：障 啦。t a k r t 甏障 c 渡 孽 哪 _ 一 卯二。牛 孺翻销藩 宁钍杀盛舯蚶 笋； 3 7 系统其他功能部分 图3 8 离子源电流采集示意图 显示部分由7 4 h c l 6 4 芯片控制一个四位八段数码管。使用7 4 h c l 6 4 后一共只占用 6 个i o 口，为其他器件节省了i o 口，利于将来功能升级时不需要做太大的改动。7 4 h c l 6 4 是高速硅门c m o s 器件担5 1 ，与低功耗肖特基型”几( l s t t l ) 器件的引脚兼容。 7 4 h c l 6 4 是8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两 个输入端( d s a 或d s b ) 之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另 一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一 定不要悬空。时钟( c p ) 每次由低变高时，数据右移一位，输入到q o ，q 0 是两个数 据输入端( d s a 和d s b ) 的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。 东北师范大学硕士学位论文 主复位( m ) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄 一存器，强制所有的输出为低电平。其逻辑功能图如图3 9 所不： e 卜 一1 仆 dedqdq8qoqdqdq 嘲垆 - 一dq 一oc p0c p - gc p- 0e p_ ac ac p_ ac p_ cc 口 f # f # 2嘲q 氅孵 辟e 如r 。r c 一卜 彳彳甲y丫y丫 ， 一旷 ：= 卜 。 y丫v v、vv v弋 q 1哟瞌饿a 图3 97 4 h c l 6 4 功能图 对于按键部分，由于整套系统共需要8 个按键，而目前有足够的i o 口，故我们没 有使用矩阵键盘，而直接采用每个i o 口连接一个按键。控制台的三个部分，每部分的 加减各占一个按键，切换显示各路按键次数和离子源电流值用一个按键，自动开机和关 机共用一个按键。 3 8 单片机硬件资源分配 凌阳单片机的i o 口和d a c 端口主要功能如图3 1 0 所示【1 9 1 蟹猫磐砖管踽芎类毫斧迹 l o a f j 5 ：s 1一3 9 壤j 、麓。 l f a f i r 1 ：nk il n 臻j i o a r ：0 l 3 ；2 7 辘凡辘缀 l o a r = o 】：通过蹈缆j 设置吸唆疆管磷 i o a 5 ：9 1 - 萄a d cl ：o el n 竣入矢嘎 l o b i l 5 ：l i 】 5 0 - - 5 4输入辘甚 i o b 【i 5 ：i ；】：效缱i o 袭j i o b i o o 除豫掺静逐哎 1 0 糍0 还r 铭为s l o 毽l o5 7辘入辘磁i o b l 0 ；远趱菇步躜舒数攥发增管辚t x l o 丑孽5 薯戆入赣磁 l o b 9 tt u n e t b 被宪溺链翰燃管繇b p w m o l o b 寒s 9辘入辘墩 i o b git i n , e r a 旅宪溺甏输燃管猫a p w m o l o b 76 0输入输毽i o b 7 t 莲鹄吴移愿符数据接收管瓣r x l o b 66 l辘入辘蟛l o b 6 ：双态1 0 甥瑟 l o b 5 6 2辕入辘躜l o b 5 ；笋嚣中断褥e x t 2 豹豆锻管磷 l o b 46 3辘入辘磁 1 0 1 3 4 ：笋颧争箭鼹e x t l 约反馊管瓣 l o b 36 4竣入输出r 3 b i ：势嚣中断潦e x t 2 l o z 垃舒输入输醚i o b 2 i 务嚣中断嚣e x t l l o b l酌辘入输癌i o b it 琢行臻朗敛舞传送管磷 l o 鳓6 7i o b 9 ：震簪整。豹r 钞信每 9 a c 】i 2碴一d a c ：数套碜 管善 d a c 2j 3 竣匕d a c 2 数鸯霹卜管缸 1 6 东北师范大学硕士学位论文 图3 1 0 凌阳s p c e 0 6 1 单片机i o 口功能表 首先需要分配的是具有特殊要求的i o 口，a d c 0 8 0 9 需要单片机提供时钟信号，故 使用i o b 8 脚输出时钟脉冲，i o a 口的0 2 脚在凌阳开发板上作为按键输入口。所以做 i o 口的分配如下： i o a 0 2 ：开发板上的三个按键，本系统中只使用一个，剩余两个留作功能升级之用； i o a 5 7 ：a d c 0 8 0 9 的控制端和转换完成标志接收端； i o a 8 - 9 ：数字电位器x 9 c 1 0 3 p 的控制端； i o a l 0 1 5 ：手动调整模式时控制各路的按键； i o b 0 7 ：a d c 0 8 0 9 的转换结果输入端； 1 0 8 8 ：a d 0 8 0 9 的时钟脉冲产生端； i o b 9 ：蜂鸣器控制端； i o b l o 1 5 ：四位八段数码管显示控制端。 另外，d a c l 用作离子源控制端，d a c 2 用作储存器控制端。 3 9 小结： 本章主要介绍了自动控制系统整体框架，各个部分具体的改进方案，特别是离子源 电流的采集方案，这是实现闭环控制中最重要的部分，单片机整体资源的规划也做了介 绍。 东北师范大学硕士学位论文 第四章控制台软件设计 在对原来控制台的操作方法熟悉之后，自动控制的程序也将按照原来的操作流程， 模拟人工操作，同时加入一些异常处理程序，使中子管在异常放电时单片机系统能快速 做出处理，并且发出警报。 4 1 手动控制的软件设计 在确定自动控制的参数之前，需要先通过手动控制来实现，此处的手动控制跟传 统调节方式不同之处在于，现在的控制是通过键盘把控制信号传递个单片机，再由单片 机控制各路的变化，只有在单片机键盘上能正常时，才能实现自动控制。手动控制的软 件流程图如图4 1 所示 2 6 1 ，此处属于开环控制，所以程序结构较简单。 在使用手动控制的过程中，我们需要记录离子源调整到2 5 0 0 v 时离子源的键盘按键 次数，储存器电流在0 5 a 、0 6 a 、0 7 a 、0 7 5 a 、o 8 a 几个值时的按键次数，高压加速 部分在5 0 k v - 1 0 0 k v 各个值时的按键次数，离子源电流值对应a d 转换值，同时还有各 个环节调节所学的时间。 1 8 东北师范大学硕士学位论文 i 端口初始化 4 2 自动控制的软件设计 图4 1 手动控制流程 自动控制的过程中，开机后仍需先对端口初始化，同时对数字电位器置零，然后进 入自动开启子程序，三个部分都开启之后，先经过一个快速调整的程序，然后进入主循 环。 对于关机过程比较简单，只需先关闭高压，再关闭储存器，接着等待1 分钟，使气 体能吸回存贮器，就可以关闭离子源。当关闭完成后，蜂鸣器会长鸣3 秒，可以关闭电 源。 4 2 1 整体流程 如图4 2 是自动调整程序的整体流程图，当单片机初始化之后，程序等待自动开启 的按键按下，按下自动开启键之后，开启2 h z 中断，此后每0 5 秒会进入中段服务程序， 1 9 东北师范大学硕士学位论文