專利名稱：納米加工專用程控電源系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種納米加工專用程控電源系統，系統適用于陽極氧 化鋁納米管陣列等材料的加工以及以其為模板制備其它金屬、非金屬 納米管制備，還可用于其它納米研究氧化納米材料的制備以及生化分 析，屬于電子技術領域。
背景技術：
目前，陽極氧化鋁膜被廣泛應用于納米材料的制備、分離科學以 及生化分析領域，因此陽極氧化鋁膜的制備成為其應用的瓶頸。納米 孔陣列氧化鋁薄膜的制備是對鋁電極進行陽極氧化處理而得，隨后的 氧化鋁剝膜采用我們發明的電位脈沖法，這兩個過程中均需提供高電 位、大的電流密度、多路輸出、多種專用程控模式、專用實時監控和 査詢界面等功能的程控電源，但市場上現有的電源控制系統不能同時 具備上述功能，且精度和穩定度也不能滿足要求。為了對陽極氧化鋁 膜的制備條件和剝膜條件進行優化以及陣列納米孔徑尺寸與分布的控 制，急需建立一個多路高精度、高穩定度專用納米加工程控電源系統。發明內容本發明針對市場現有的電源控制系統不能同時具備高電位、大的 電流密度、多路輸出等功能，且精度和穩定度也不能滿足納米材料制 備的要求，提供一種納米加工專用程控電源系統，該系統可通過多種 電壓控制模式的選擇，實現納米加工中電壓與電流的控制與采集，從 而可對電壓和電流等影響因素對氧化鋁膜上納米孔陣列的尺寸與分布 的影響進行研究，以極大地提高實驗的重現性和靈敏度。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的， 一種納米加工專用程 控電源系統，其特征是所述的系統采用雙CPU程控電源結構，主要由上位微機PC機、下位機單片機、單片機控制的多路直流電源、輸出電 壓和電流檢測以及上、下位機雙CPU之間的串行通信電路等組成，單 片機控制的多路直流電源由數路獨立的電壓以2倍數遞增的整流濾波 電路、程控二進制繼電器切換電路、若干直流電源模塊組成，各路整 流濾波電路輸出與程控二進制繼電器切換電路相連，程控二進制繼電 器切換電路的輸出連接各直流龜源模塊的輸入端，且受單片機控制， 各直流電源模塊的輸出端接負載。所述的各直流電源模塊均包含調整管、驅動電路、比較放大電路、 保護電路、電壓與電流采樣電路、電壓基準電路；各直流電源模塊中 的調整管發射極接程控二進制繼電器切換電路輸出端，基極接驅動電 路輸出端，集電極接負載；與調整管集電極相連的電壓采樣電路和與 負載串聯的電流取樣電路的輸出端接保護電路輸入端，保護電路輸出 端接驅動電路輸入端；比較放大電路的反向輸入端與電壓采樣電路輸 出相連，同向輸入端與電壓基準電路輸出端相連，其輸出端接驅動電 路輸入端。下位機采用MCS-51系統單片機，與上位機PC機之間的通信采用 RS232接口電路，下位機MCS-51系統單片機接收來自上位機的測試 開始及控制電壓信號，MCS-51單片機與D/A轉換器相連，通過D/A 轉換得到控制電壓的模擬量，提供給直流穩壓電源模塊作為基準電壓，同時實時采集直流電源模塊的輸入電壓、每個直流電源模塊的輸出電 流、輸出電壓信號，通過A/D轉換成相應的數字量，A/D轉換器與 MCS-51單片機相連，將數據發送到MCS-51單片機，再通過RS232 接口將測試數據發送給上位機。
本發明在專用納米加工程控軟件的支持下，可對某一路程控輸出、 輸出電壓與運行時間進行設置、可對程控降壓、程控升壓、程控變壓 和恒壓等多種納米加工程控模式進行選擇、顯示實時產生的測試電流 與時間的關系曲線和數據、可實時保存各路測試電流和時間數據并設 置保存數據的路徑、具有各路曲線設置與查詢、坐標設置、文件選擇、 數據查詢、結束查詢等功能；下位單片機系統與專用程控電源可提供多路直流電壓程控輸出，各路0 250V連續可調，電壓設置標度間隔 為1V，電壓控制和數據采集精度為1%，最大輸出電流為3A;下位單 片機通過RS232接口與上位微機PC機進行通信。本發明可使實驗在一個設定的電壓控制模式下進行，大大提高了 實驗的重現性，并可高通量進行納米加工。本發明具有程控多路直流電壓輸出、功率大、電壓控制和數據采 集精度高、穩定度好、多種電壓控制模式、實時顯示測試曲線，保存 數據及曲線、數據査詢等特點，該程控電源系統適用于陽極氧化鋁納 米管陣列等材料的加工以及以其為模板制備其它金屬、非金屬納米管 制備，還可用于其它納米研究氧化納米材料的制備以及生化分析。
圖1為本發明中程控電源系統雙CPU結構框圖； 圖2為本發明電原理框圖；圖3為本發明中程控電源系統PC機監控界面。
具體實施方式
結合附圖和實施例進一步說明本發明，如圖1所示，本發明提供 的多路高精度、高穩定度納米加工專用程控電源系統包括以下兩個部分(1)上位機為PC機，通過專用納米加工程控軟件進行控制電壓
與時間設置、單位時間降壓、升壓、變壓和恒壓四種模式設置，選擇測試組、過載保護、保存數據及路徑等設置，通過RS232接口將設置 數據發送給下位機。從下位機接受實時測量的電流、電壓數據，并以 數字及曲線形式顯示在PC機監控界面，如圖3所示。如需測試數據 保持，可以按指定路徑或默認路徑進行數據保存工作。在觀察測試曲 線時，進行縱坐標設置和時間坐標設置可以實時觀察曲線的細節部分， 還可以通過文件選擇及數據査詢把以往保存的測試結果以曲線形式顯 示出來，便于進行測試結果的比較。上位機還具備手動升壓、手動降 壓、測試開始、某組測試結束和各組測試結束等功能。(2)下位機為MCS-51系統單片機，接收來自上位機的測試開始 及控制電壓信號，通過D/A轉換得到控制電壓的模擬量，提供給直流 穩壓電源部分作為基準電壓，同時實時采集直流電源模塊的輸入電壓、 每個直流電源模塊的輸出電流、輸出電壓信號，通過A/D轉換成相應 的數字量，通過RS232接口將測試數據發送給上位機，如圖2所示。 單片機控制的多路直流電源由多路獨立的電壓以2倍數遞增的整流濾 波電路(如輸出U， 2U， 4U， 8U)、程控二進制繼電器(如J,， J2， J3， J》切換電路、若干直流電源模塊組成，多路整流濾波電路輸出與 繼電器切換電路相連，繼電器切換電路與若干直流電源模塊相連，且 受單片機控制，以四路整流濾波電路為例，直流電源模塊輸入電壓 U產UJ!+2力J2+22UJ3+23UJ4，當單片豐幾P!武予JJJJ! =0110{|日寸，U!二6U，這樣可以根據控制電壓與實際負載的不同，自動調節每個直流電源模塊 中的調整管的電壓差在一個合適的范圍之內。每個直流電源模塊包含 調整管、驅動電路、比較放大電路、保護電路、電壓與電流采樣電路、 電壓基準電路等。每路的輸出電壓通過輸出電壓采樣電路中的電位器 進行微調，精確校準輸出電壓。
本發明中所涉及的整流濾波電路、程控二進制繼電器切換電路和直流電源模塊中的驅動電路、比較放大電路、保護電路、電壓與電流 采樣電路均可采用現有成熟技術、成熟電路。 實驗過程先將程控穩壓電源分別與PC機、電泳芯片納米加工檢測裝置相 連，在PC機上打開程控穩壓電源系統的專用軟件，在PC機監控界面 設置控制電壓與時間、電壓控制模式、選擇測試組、過載保護、保存 數據及路徑等，在按下測試開始鍵后，自動進行實時電壓電流監測， 檢測過程中可以進行縱坐標設置和時間坐標設置可以實時觀察微流控 芯片電泳電流曲線的細節部分，可以進行手動升壓、手動降壓，除了 按設置的時間自動停止測試外，可以手動停止某組測試或同時結束各 組測試。
權利要求
1、 一種納米加工專用程控電源系統，其特征是所述的系統采用雙CPU程控電源結構，主要由上位微機PC機、下位機單片機、單片機控 制的多路直流電源、輸出電壓和電流檢測以及上、下位機雙CPU之間的串行通信電路等組成，單片機控制的多路直流電源由數路獨立的電壓以2倍數遞增的整流濾波電路、程控二進制繼電器切換電路、若干 直流電源模塊組成，各路整流濾波電路輸出與程控二進制繼電器切換 電路相連，程控二進制繼電器切換電路的輸出連接各直流電源模塊的 輸入端，且受單片機控制，各直流電源模塊的輸出端接負載。
2、 根據權利要求1所述的納米加工專用程控電源系統，其特征是 所述的各直流電源模塊均包含調整管、驅動電路、比較放大電路、保 護電路、電壓與電流采樣電路、電壓基準電路；各直流電源模塊中的 調整管發射極接程控二進制繼電器切換電路輸出端，基極接驅動電路 輸出端，集電極接負載；與調整管集電極相連的電壓采樣電路和與負 載串聯的電流取樣電路的輸出端接保護電路輸入端，保護電路輸出端 接驅動電路輸入端；比較放大電路的反向輸入端與電壓采樣電路輸出 相連，同向輸入端與電壓基準電路輸出端相連，其輸出端接驅動電路 輸入端。
3、 根據權利要求1所述的納米加工專用程控電源系統，其特征是 下位機采用MCS-51系統單片機，與上位機PC機之間的通信采用 RS232接口電路，下位機MCS-51系統單片機接收來自上位機的測試 開始及控制電壓信號，MCS-51單片機與D/A轉換器相連，通過D/A 轉換得到控制電壓的模擬量，提供給直流穩壓電源模塊作為基準電壓， 同時實時采集直流電源模塊的輸入電壓、每個直流電源模塊的輸出電 流、輸出電壓信號，通過A/D轉換成相應的數字量，A/D轉換器與 MCS-51單片機相連，將數據發送到MCS-51單片機，再通過RS232 接口將測試數據發送給上位機。
全文摘要
本發明涉及一種納米加工專用程控電源系統，屬于電子技術領域，本發明采用雙CPU程控電源結構，主要由上位微機PC機、下位機單片機、單片機控制的多路直流電源、輸出電壓和電流檢測以及上、下位機雙CPU之間的串行通信電路等組成，在專用納米加工程控軟件的支持下，具有程控多路直流電壓輸出、功率大、電壓控制和數據采集精度高、穩定度好、多種電壓控制模式、實時顯示測試曲線，保存數據及曲線、數據查詢等特點，該程控電源系統適用于陽極氧化鋁納米管陣列等材料的加工以及以其為模板制備其它金屬、非金屬納米管制備，還可用于其它納米研究氧化納米材料的制備以及生化分析。
文檔編號G05B19/418GK101145050SQ200710025749
公開日2008年3月19日 申請日期2007年7月30日 優先權日2007年7月30日
發明者夏興華, 杜宇人 申請人:揚州大學