专利名称：纳米加工专用程控电源系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米加工专用程控电源系统，系统适用于阳极氧 化铝纳米管阵列等材料的加工以及以其为模板制备其它金属、非金属 纳米管制备，还可用于其它纳米研究氧化纳米材料的制备以及生化分 析，属于电子技术领域。
背景技术：
目前，阳极氧化铝膜被广泛应用于纳米材料的制备、分离科学以 及生化分析领域，因此阳极氧化铝膜的制备成为其应用的瓶颈。纳米 孔阵列氧化铝薄膜的制备是对铝电极进行阳极氧化处理而得，随后的 氧化铝剥膜采用我们发明的电位脉冲法，这两个过程中均需提供高电 位、大的电流密度、多路输出、多种专用程控模式、专用实时监控和 査询界面等功能的程控电源，但市场上现有的电源控制系统不能同时 具备上述功能，且精度和稳定度也不能满足要求。为了对阳极氧化铝 膜的制备条件和剥膜条件进行优化以及阵列纳米孔径尺寸与分布的控 制，急需建立一个多路高精度、高稳定度专用纳米加工程控电源系统。发明内容本发明针对市场现有的电源控制系统不能同时具备高电位、大的 电流密度、多路输出等功能，且精度和稳定度也不能满足纳米材料制 备的要求，提供一种纳米加工专用程控电源系统，该系统可通过多种 电压控制模式的选择，实现纳米加工中电压与电流的控制与采集，从 而可对电压和电流等影响因素对氧化铝膜上纳米孔阵列的尺寸与分布 的影响进行研究，以极大地提高实验的重现性和灵敏度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的， 一种纳米加工专用程 控电源系统，其特征是所述的系统采用双CPU程控电源结构，主要由上位微机PC机、下位机单片机、单片机控制的多路直流电源、输出电 压和电流检测以及上、下位机双CPU之间的串行通信电路等组成，单 片机控制的多路直流电源由数路独立的电压以2倍数递增的整流滤波 电路、程控二进制继电器切换电路、若干直流电源模块组成，各路整 流滤波电路输出与程控二进制继电器切换电路相连，程控二进制继电 器切换电路的输出连接各直流龟源模块的输入端，且受单片机控制， 各直流电源模块的输出端接负载。所述的各直流电源模块均包含调整管、驱动电路、比较放大电路、 保护电路、电压与电流采样电路、电压基准电路；各直流电源模块中 的调整管发射极接程控二进制继电器切换电路输出端，基极接驱动电 路输出端，集电极接负载；与调整管集电极相连的电压采样电路和与 负载串联的电流取样电路的输出端接保护电路输入端，保护电路输出 端接驱动电路输入端；比较放大电路的反向输入端与电压采样电路输 出相连，同向输入端与电压基准电路输出端相连，其输出端接驱动电 路输入端。下位机采用MCS-51系统单片机，与上位机PC机之间的通信采用 RS232接口电路，下位机MCS-51系统单片机接收来自上位机的测试 开始及控制电压信号，MCS-51单片机与D/A转换器相连，通过D/A 转换得到控制电压的模拟量，提供给直流稳压电源模块作为基准电压，同时实时采集直流电源模块的输入电压、每个直流电源模块的输出电 流、输出电压信号，通过A/D转换成相应的数字量，A/D转换器与 MCS-51单片机相连，将数据发送到MCS-51单片机，再通过RS232 接口将测试数据发送给上位机。
本发明在专用纳米加工程控软件的支持下，可对某一路程控输出、 输出电压与运行时间进行设置、可对程控降压、程控升压、程控变压 和恒压等多种纳米加工程控模式进行选择、显示实时产生的测试电流 与时间的关系曲线和数据、可实时保存各路测试电流和时间数据并设 置保存数据的路径、具有各路曲线设置与查询、坐标设置、文件选择、 数据查询、结束查询等功能；下位单片机系统与专用程控电源可提供多路直流电压程控输出，各路0 250V连续可调，电压设置标度间隔 为1V，电压控制和数据采集精度为1%，最大输出电流为3A;下位单 片机通过RS232接口与上位微机PC机进行通信。本发明可使实验在一个设定的电压控制模式下进行，大大提高了 实验的重现性，并可高通量进行纳米加工。本发明具有程控多路直流电压输出、功率大、电压控制和数据采 集精度高、稳定度好、多种电压控制模式、实时显示测试曲线，保存 数据及曲线、数据査询等特点，该程控电源系统适用于阳极氧化铝纳 米管阵列等材料的加工以及以其为模板制备其它金属、非金属纳米管 制备，还可用于其它纳米研究氧化纳米材料的制备以及生化分析。
图1为本发明中程控电源系统双CPU结构框图； 图2为本发明电原理框图；图3为本发明中程控电源系统PC机监控界面。
具体实施方式
结合附图和实施例进一步说明本发明，如图1所示，本发明提供 的多路高精度、高稳定度纳米加工专用程控电源系统包括以下两个部分(1)上位机为PC机，通过专用纳米加工程控软件进行控制电压
与时间设置、单位时间降压、升压、变压和恒压四种模式设置，选择测试组、过载保护、保存数据及路径等设置，通过RS232接口将设置 数据发送给下位机。从下位机接受实时测量的电流、电压数据，并以 数字及曲线形式显示在PC机监控界面，如图3所示。如需测试数据 保持，可以按指定路径或默认路径进行数据保存工作。在观察测试曲 线时，进行纵坐标设置和时间坐标设置可以实时观察曲线的细节部分， 还可以通过文件选择及数据査询把以往保存的测试结果以曲线形式显 示出来，便于进行测试结果的比较。上位机还具备手动升压、手动降 压、测试开始、某组测试结束和各组测试结束等功能。(2)下位机为MCS-51系统单片机，接收来自上位机的测试开始 及控制电压信号，通过D/A转换得到控制电压的模拟量，提供给直流 稳压电源部分作为基准电压，同时实时采集直流电源模块的输入电压、 每个直流电源模块的输出电流、输出电压信号，通过A/D转换成相应 的数字量，通过RS232接口将测试数据发送给上位机，如图2所示。 单片机控制的多路直流电源由多路独立的电压以2倍数递增的整流滤 波电路(如输出U， 2U， 4U， 8U)、程控二进制继电器(如J,， J2， J3， J》切换电路、若干直流电源模块组成，多路整流滤波电路输出与 继电器切换电路相连，继电器切换电路与若干直流电源模块相连，且 受单片机控制，以四路整流滤波电路为例，直流电源模块输入电压 U产UJ!+2力J2+22UJ3+23UJ4，当单片丰几P!武予JJJJ! =0110{|日寸，U!二6U，这样可以根据控制电压与实际负载的不同，自动调节每个直流电源模块 中的调整管的电压差在一个合适的范围之内。每个直流电源模块包含 调整管、驱动电路、比较放大电路、保护电路、电压与电流采样电路、 电压基准电路等。每路的输出电压通过输出电压采样电路中的电位器 进行微调，精确校准输出电压。
本发明中所涉及的整流滤波电路、程控二进制继电器切换电路和直流电源模块中的驱动电路、比较放大电路、保护电路、电压与电流 采样电路均可采用现有成熟技术、成熟电路。 实验过程先将程控稳压电源分别与PC机、电泳芯片纳米加工检测装置相 连，在PC机上打开程控稳压电源系统的专用软件，在PC机监控界面 设置控制电压与时间、电压控制模式、选择测试组、过载保护、保存 数据及路径等，在按下测试开始键后，自动进行实时电压电流监测， 检测过程中可以进行纵坐标设置和时间坐标设置可以实时观察微流控 芯片电泳电流曲线的细节部分，可以进行手动升压、手动降压，除了 按设置的时间自动停止测试外，可以手动停止某组测试或同时结束各 组测试。
权利要求
1、 一种纳米加工专用程控电源系统，其特征是所述的系统采用双CPU程控电源结构，主要由上位微机PC机、下位机单片机、单片机控 制的多路直流电源、输出电压和电流检测以及上、下位机双CPU之间的串行通信电路等组成，单片机控制的多路直流电源由数路独立的电压以2倍数递增的整流滤波电路、程控二进制继电器切换电路、若干 直流电源模块组成，各路整流滤波电路输出与程控二进制继电器切换 电路相连，程控二进制继电器切换电路的输出连接各直流电源模块的 输入端，且受单片机控制，各直流电源模块的输出端接负载。
2、 根据权利要求1所述的纳米加工专用程控电源系统，其特征是 所述的各直流电源模块均包含调整管、驱动电路、比较放大电路、保 护电路、电压与电流采样电路、电压基准电路；各直流电源模块中的 调整管发射极接程控二进制继电器切换电路输出端，基极接驱动电路 输出端，集电极接负载；与调整管集电极相连的电压采样电路和与负 载串联的电流取样电路的输出端接保护电路输入端，保护电路输出端 接驱动电路输入端；比较放大电路的反向输入端与电压采样电路输出 相连，同向输入端与电压基准电路输出端相连，其输出端接驱动电路 输入端。
3、 根据权利要求1所述的纳米加工专用程控电源系统，其特征是 下位机采用MCS-51系统单片机，与上位机PC机之间的通信采用 RS232接口电路，下位机MCS-51系统单片机接收来自上位机的测试 开始及控制电压信号，MCS-51单片机与D/A转换器相连，通过D/A 转换得到控制电压的模拟量，提供给直流稳压电源模块作为基准电压， 同时实时采集直流电源模块的输入电压、每个直流电源模块的输出电 流、输出电压信号，通过A/D转换成相应的数字量，A/D转换器与 MCS-51单片机相连，将数据发送到MCS-51单片机，再通过RS232 接口将测试数据发送给上位机。
全文摘要
本发明涉及一种纳米加工专用程控电源系统，属于电子技术领域，本发明采用双CPU程控电源结构，主要由上位微机PC机、下位机单片机、单片机控制的多路直流电源、输出电压和电流检测以及上、下位机双CPU之间的串行通信电路等组成，在专用纳米加工程控软件的支持下，具有程控多路直流电压输出、功率大、电压控制和数据采集精度高、稳定度好、多种电压控制模式、实时显示测试曲线，保存数据及曲线、数据查询等特点，该程控电源系统适用于阳极氧化铝纳米管阵列等材料的加工以及以其为模板制备其它金属、非金属纳米管制备，还可用于其它纳米研究氧化纳米材料的制备以及生化分析。
文档编号G05B19/418GK101145050SQ200710025749
公开日2008年3月19日 申请日期2007年7月30日 优先权日2007年7月30日
发明者夏兴华, 杜宇人 申请人:扬州大学