CN100345377C

CN100345377C - 一种智能高压脉冲发生器

Info

Publication number: CN100345377C
Application number: CNB2005100618255A
Authority: CN
Inventors: 王剑平; 应雪正; 叶尊忠; 盖玲
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2025-12-05
Also published as: CN1785072A

Abstract

本发明公开了一种智能高压脉冲发生器。交流电经过桥式整流、电源滤波电路后变成直流电，依次接高频桥式逆变、脉冲升压和高压脉冲输出电路；单片机系统通过其串行口与RS232串口电路连接，然后连PC机，同时单片机系统通过其I/O接口与其外围电路包括键盘控制电路、LCD显示电路、蜂鸣报警电路连接；桥式驱动电路过流过压保护吸收电路与桥式逆变电路连接；单片机系统通过其I/O接口与桥式驱动电路连接，桥式驱动电路还连接到产生PWM脉冲产生电路，然后再与主电路中的高频桥式逆变电路连接。产生脉冲宽度、脉冲频率、脉冲强度可调的高压脉冲方波，可应用于食品脱水预处理、杀菌等食品加工过程中，产生的方波能有效、无损伤地清除食品中的细菌。

Description

一种智能高压脉冲发生器

技术领域

本发明涉及一种智能高压脉冲发生器。

背景技术

食品杀菌方法发展到今天，已是种类繁多。这些方法大致可分为两大类：一类为加热处理，另一类为非加热处理。加热杀菌是食品工业中最常用的方法。热传导的方法多种多样，有高压蒸汽瞬时杀菌，低温巴氏杀菌等。然而加热处理对食品的营养价值及风味、滋味难免会产生一些副作用，特别是对于热敏性或有特殊要求的食品往往难以达到预定效果，因而非热处理正得到人们越来越广泛的关注。非热处理包括添加防腐剂抑制微生物、离心分离去除微生物、辐射处理杀灭微生物等。现在食品工业中有一些新的非加热处理技术，在杀菌方法上有所突破，有可能代替热处理技术。这些方法有：高压脉冲电场、流体静压、振动磁场、强超声波、臭氧灭菌等。其中高压脉冲电场杀菌是一种全新的杀菌方法。高压脉冲杀菌是利用高压脉冲电场对食品中的微生物进行灭杀的技术，因其杀菌时间短、效率高、能耗少等特点以其良好的应用特征而被国内外学者广泛研究，已成为当前最有前途实现工业化应用的非热杀菌方法之一。同时，高压脉冲电场还广泛应用于在食品干燥脱水预处理等操作中。高压脉冲电场预处理可以可提高食品干燥速率，减少干燥时间，显著减少能耗，提高食品的复水性，改善干燥后食品品质。

食品干燥、杀菌工作是食品处理加工中的重要环节。由于高压方波脉冲相比较于指数波、正弦波对食品干燥、杀菌作用效果最好，因此开发高效率的智能高压脉冲发生器越来越受到欢迎和重视。在食品杀菌过程中，设计合理的食品处理室也是一个急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能高压脉冲发生器，该仪器用来对存放于处理室中的食品进行有效地干燥预脱水处理或杀菌处理。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：它包括主电路和控制电路，其中：

1)主电路：包括桥式整流电路、电源滤波电路、高频IGBT桥式逆变电路、脉冲升压电路和高压脉冲输出电路。交流电220V经过桥式整流电路、电源滤波电路后变成300V左右的直流电，然后依次接高频IGBT桥式逆变电路、脉冲升压电路和高压脉冲输出电路；

2)控制电路：包括单片机系统电路、PWM脉宽产生电路、IGBT驱动电路、RS232串口电路、IGBT过流过压保护吸收电路、键盘控制电路、LCD显示电路、蜂鸣报警电路、EEPROM存储电路和电源处理电路。单片机系统电路通过其串行口与由MAX232芯片组成的RS232串口电路连接，然后RS232串口电路与上位机PC机连接，同时单片机系统电路通过其I/O接口与其外围电路包括键盘控制电路、LCD显示电路、蜂鸣报警电路连接；IGBT过流过压保护吸收电路与高频IGBT逆变电路连接；单片机系统通过其I/O接口与IGBT驱动电路连接，IGBT桥式驱动电路还连接到产生PWM脉冲的PWM脉冲产生电路，然后IGBT驱动电路再与主电路中的高频IGBT桥式逆变电路连接。

本发明具有的有益效果是：

本发明启动后，控制核心读取上次保存操作过的各种参数显示在LCD液晶屏上，用户可根据自己的需要利用键盘采用或更改各种参数。通过内部控制判断，输出控制信号来控制IGBT桥式驱动电路的开关，经变频变压后输出设定时所需的各种高压脉冲波形，从而作用于存放于处理室中的食品，达到有效地干燥预脱水或杀菌的效果。该仪器外形直观，操作简单方便，通过面板上的按键和液晶屏可以直接设置所需的高压脉冲方波的脉宽、频率、脉冲数等参数，可以调节电压调节器来控制输出脉冲电压峰值；能由较小的电压通过脉冲变压器产生脉冲高压，这样大大降低产品成本，同时可以提高人身安全；同时，该设备小巧精致，可以灵活移动。

附图说明

图1是本发明的总体结构框图；

图2是本发明的主电路电路图；

图3是本发明的单片机系统及其外围电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明包括主电路和控制电路，其中：

1)主电路：包括桥式整流电路1、电源滤波电路2、高频IGBT桥式逆变电路3、脉冲升压电路4和高压脉冲输出电路5。交流电220V经过桥式整流电路1、电源滤波电路2后变成300V左右的直流电，然后依次接高频IGBT桥式逆变电路3、脉冲升压电路4和高压脉冲输出电路5；

2)控制电路：包括单片机系统电路10、PWM脉宽产生电路6、IGBT驱动电路7、RS232串口电路9、IGBT过流过压保护吸收电路8、键盘控制电路11、LCD显示电路12、蜂鸣报警电路13、EEPROM存储电路14和电源处理电路15。单片机系统电路10通过其串行口与由MAX232芯片组成的RS232串口电路9连接，然后与上位机PC机连接，同时单片机系统电路10通过其I/O接口与其外围电路包括键盘控制电路11、LCD显示电路12、蜂鸣报警电路13连接；IGBT过流过压保护吸收电路8与高频IGBT桥式逆变电路3连接；单片机系统通过其I/O接口与IGBT驱动电路7连接，IGBT驱动电路还连接到产生PWM脉冲的PWM脉冲产生电路6，然后再与主电路中的高频IGBT桥式逆变电路3连接。

如图2所示，所述的主电路中的桥式整流电路1采用4个大功率整流二极管进行整流，连接到电源滤波电路2；电源滤波电路2采用大电容进行滤波，输出高压直流电连接到高频IGBT桥式逆变电路3作为其电源；高频IGBT桥式逆变电路3采用4个IGBT组成桥式逆变电路，并在每个IGBT栅极与漏极之间并联一个续流二极管；桥式IGBT连接到脉冲升压电路4中进行脉冲升压，再经高压脉冲输出电路5输出高压脉冲方波信号。

如图3所示，所述的单片机系统电路10采用AT89C55或P89C51RD2芯片；键盘控制电路11共有7个按键，6个按键直接通过上拉电阻接入单片机的P1.0～P1.5口中，另一个作为复位键接入单片机系统的Reset脚中；LCD显示控制电路(12)采用160*64的点阵式LCD显示，单片机P2.0～P2.7作为数据线与LCD连接，单片机P3.6和P3.7作为LCD的控制线；蜂鸣器报警电路13其蜂鸣器由稳压模块7805供电，直接和单片机的P3.1脚连接；EEPROM存储电路14为AT24C02，与单片机的P1.6，P1.7口连接；电源处理电路15采用变压器、滤波二极管及稳压模块7805提供电源；IGBT过流过压保护吸收电路8采用一个快速二极管与一个电阻并联，然后再串联一个电容的方法来实现IGBT的过流过压保护及吸收；单片机通过其WR和RD口连接到RS232串口电路9的WR与RD口，与上位机PC机的通信；IGBT驱动电路7由二个IR2110芯片及其外围电路组成，二片IR2110的SD口同时连接到单片机的P2.6口；由SG3525组成的PWM脉冲产生电路6产生二路互反的PWM脉冲波输入到二片IR2110的HIN和LIN引脚上；电源处理电路15由变压器降压，7805稳压后给单片机系统供电。

本发明的工作原理如下：

图1所示为智能高压脉冲发生器的结构示意图。在主电路中，交流电220V经过桥式整流、电源滤波器后变成300V左右的直流电，IGBT组成的高频桥式逆变电路在触发脉冲的作用下交替导通，将其频率升高到20kHZ，变成交变的脉冲电压，再经高频脉冲变压器升压，最后输出高频的脉冲高压，最大幅值可达50KV。

控制电路的PWM脉宽产生电路电路输出二组彼此绝缘，相位差为180°，并有一定死区的脉冲，以驱动电路放大后，去控制IGBT大功率通断。为了保护电器元件的稳定工作，分别采用过电流，过电压保护以及IGBT吸收电路。经检测电路反馈的电压信号与基准信号相比较、放大，由单片机来控制电路脉冲宽度，调整开关晶体管的占空比来实现调压。同时通过过流过压保护电路对电源及负载进行保护。

为方便用户操作使用，在控制电路上加上液晶屏(本发明所用的LCD是160*64点阵式液晶屏)用来显示高压脉冲的各种参数，并通过RS232与个人计算机连接，用户可直接在电脑上控制需产生脉冲的各种参数，包括高电平脉宽、低电平脉宽、脉冲个数等。同时，系统中还采用I2C电路用来保存系统设置的参数以及用户设定的脉冲波形的各种参数，方便用户操作。

图2所示为智能高压脉冲发生器的主电路图。在本系统中利用220V交流电进行整流、滤波，通过储能电容C1，并使用一定的工艺可使其输出电压VDD达300V左右。在本系统中，开关器件选用绝缘栅双极晶体管IGBT，IGBT的工作特性是有陡峭的上升沿和下降沿，而且较容易控制。利用4个IGBT(Q1、Q2、Q3、Q4)组成一个全桥拓扑结构可获得双极性矩形脉冲波。然后再利用特制的脉冲升压变压器T1对IGBT输出的高精度脉冲波形进行升压，再经处理的作用于处理室(即负载，可等效为电阻和电容的并联)中。

在主电路中，由四个IGBT组成的全桥逆变电路是本发明的关键之一。在功率变换装置中，为了以免引起灾难性的后果，需要将控制电路、驱动电路相互隔离。美国IR公司生产的IR2110芯片兼有光耦隔离(体积小)和电磁隔离(速度快)的优点，所以在本实验中选用IR2110芯片来驱动IGBT。同时，由于IGBT的直流阻抗很高，关断时会产生尖峰电压，严重时会击穿IGBT管，因此在4个IGBT的栅极分别串联一小电阻R1、R2、R3、R4，以增加IGBT的通断时间，并在栅极、发射级间分别并接一较大电阻R19、R20、R17、R18，以防止高压干扰引起的IGBT误导通，造成同臂连通短路。

在主电路中，6为PWM脉宽调制电路。开关电源的PWM芯片使用SG3525，由其组成的电路系统通用性好、成本低、调试简单。SG3525可任意设定脉宽，其工作频率由芯片5脚和6脚的外接元件R1，C3组成的锯齿波震荡器决定，震荡频率为f＝1/C2(0.7R1+3(R2+R3))，调节5脚和7脚的电位器R2以决定死区时间。11、14脚分别输出两路PWM信号，经两片驱动芯片2110驱动四只IGBT组成的全桥。

图3为单片机系统电路的连接图。本系统所用的单片机是使用ATMEL公司生产的AT89C55芯片或Philips公司生产的P89C51RD2芯片，采用12M晶振进行起振。单片机系统的主要外围电路有：键盘控制电路、LCD显示电路、蜂鸣器报警电路、EEPROM存储电路和电源处理电路。键盘控制电路用来处理用户参数的输入，其共有7个按键，6个按键直接通过上拉电阻接入单片机的P1.0～P1.5口中，另一个作为复位键接入单片机系统的Reset脚中；LCD显示用来显示高压脉冲的各种参数，其控制电路中采用160*64的点阵式LCD显示，单片机P2.0～P2.7作为数据线与LCD连接，而P3.6和P3.7作为LCD的控制线；蜂鸣器报警电路用来提示信息，其蜂鸣器由稳压模块7805供电，直接和单片机的P3.1脚连接；EEPROM存储电路为AT24C02，与单片机的P1.6，P1.7口连接，用来在掉电时保存相应的系统各种参数；电源处理电路采用变压器、滤波二极管及稳压模块7805提供电源；IGBT过流过压保护吸收电路采用一个快速二极管与一个电阻并联，然后再串联一个电容的方法来实现IGBT的过流过压保护及吸收；单片机通过其WR和RD口连接到RS232串口电路的WR与RD口，从而实现与上位机PC机的通信，方便用户直接通过电脑来操作，上位机利用VC软件编写；IGBT桥式驱动电路由二个IR2110芯片及其外围电路组成，二片IR2110的SD口同时连接到单片机的P2.6口；由SG3525组成的PWM脉冲产生电路产生二路互反的PWM脉冲波输入到二片IR2110的HIN和LIN引脚上；电源处理电路由变压器降压，7805稳压后给单片机系统供电。

本发明的操作也比较简单，用户首选打开其开关电源，其显示灯就会点亮提醒用户，同时液晶屏上就会显示欢迎界面，过几秒钟自动进入菜单选择界面，同时，数码管显示脉冲电压峰值。此时，用户可以使用按键的左右、上下移动，再按确认键来选择菜单，包括脉冲控制、设置、通信、介绍。当用户需要重新设定输出的方波脉冲参数时就选择脉冲控制菜单项。然后进入下一画面，其又有几个选项，包括高脉宽、低脉宽、脉冲数，然后用户可以通过键盘输出所需波形的各种参数。然后按确定键就可以输出用户所需求的高压脉冲方波。同时，用户设定的各种参数也在仪器中进行了保存，方便用户下一次的操作。如果需要输出相同的波形，用户只需根据提示连续按确认键即可。这样，其输出的高压脉冲方波就可以通过二个电极通入食品处理室中对食品进行脱水干燥、杀菌等操作。

Claims

1、一种智能高压脉冲发生器，其特征在于：包括主电路和控制电路，其中：

1)主电路：包括桥式整流电路(1)、电源滤波电路(2)、高频IGBT桥式逆变电路(3)、脉冲升压电路(4)和高压脉冲输出电路(5)；交流电220V经过桥式整流电路(1)、电源滤波电路(2)后变成300V左右的直流电，然后依次接高频IGBT桥式逆变电路(3)、脉冲升压电路(4)和高压脉冲输出电路(5)；

2)控制电路：包括单片机系统电路(10)、PWM脉冲产生电路(6)、IGBT驱动电路(7)、RS232串口电路(9)、IGBT过流过压保护吸收电路(8)、键盘控制电路(11)、LCD显示电路(12)、蜂鸣报警电路(13)、EEPROM存储电路(14)和电源处理电路(15)；单片机系统电路(10)通过其串行口与由MAX232芯片组成的RS232串口电路(9)连接，然后RS232串口电路(9)与上位机PC机连接，同时单片机系统电路(10)通过其I/O接口与其外围电路包括键盘控制电路(11)、LCD显示电路(12)、蜂鸣报警电路(13)连接；IGBT过流过压保护吸收电路(8)与高频IGBT桥式逆变电路(3)连接；单片机系统通过其I/O接口与IGBT驱动电路(7)连接，IGBT驱动电路(7)还连接到产生PWM脉冲的PWM脉冲产生电路(6)，然后IGBT驱动电路(7)再与主电路中的高频IGBT桥式逆变电路(3)连接。

2、根据权利要求1所述的一种智能高压脉冲发生器，其特征在于：所述的主电路中的桥式整流电路(1)采用4个大功率整流二极管进行整流，连接到电源滤波电路(2)；电源滤波电路(2)采用大电容进行滤波，输出高压直流电连接到高频IGBT桥式逆变电路(3)作为其电源；高频IGBT桥式逆变电路(3)采用4个IGBT组成桥式逆变电路，并在每个IGBT发射极与漏极之间并联一个二极管起续流作用；高频IGBT桥式逆变电路(3)连接到脉冲升压电路(4)中进行脉冲升压，再经高压脉冲输出电路(5)输出高压脉冲方波信号。

3、根据权利要求1所述的一种智能高压脉冲发生器，其特征在于：所述的单片机系统电路(10)采用AT89C55或P89C51RD2芯片；键盘控制电路(11)共有7个按键，6个按键直接通过上拉电阻接入单片机的P1.0～P1.5口中，另一个作为复位键接入单片机系统的Reset脚中；LCD显示控制电路(12)采用160*64的点阵式LCD显示，单片机P2.0～P2.7作为数据线与LCD连接，单片机P3.6和P3.7作为LCD的控制线；蜂鸣器报警电路(13)其蜂鸣器由稳压模块7805供电，蜂鸣器报警电路(13)和单片机的P3.1口连接；EEPROM存储电路(14)为AT24C02，与单片机的P1.6，P1.7口连接；电源处理电路(15)采用变压器、滤波二极管及稳压模块7805提供电源；IGBT过流过压保护吸收电路(8)采用一个快速二极管与一个电阻并联，然后再串联一个电容的方法来实现IGBT的过流过压保护及吸收；单片机通过其WR和RD口连接到RS232串口电路(9)的WR与RD口，与上位机PC机的通信；IGBT驱动电路(7)由二个IR2110芯片及其外围电路组成，二片IR2110的SD口同时连接到单片机的P2.6口；由SG3525组成的PWM脉冲产生电路(6)产生二路互反的PWM脉冲波输入到二片IR2110的HIN和LIN引脚上；电源处理电路(15)由变压器降压，稳压模块7805稳压后给单片机系统供电。