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一種智能化電源的設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2008-09-29 來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用

中心論題:

  • 一種帶檢測(cè)和保護(hù)功能的智能化電源。
  • 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)介紹。
  • 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)介紹
解決方案:
  • 采用過(guò)電壓檢測(cè)電路防止系統(tǒng)模塊損壞。
  • 峰值電壓采樣保持電路避免采樣電路一直跟蹤峰值的變化
  • 單片機(jī)控制回路保護(hù)電源本身。

隨著電子技術(shù)和電源技術(shù)的發(fā)展,開(kāi)關(guān)電源以體積小、重量輕、功率大、集成度高、輸出組合便利等優(yōu)點(diǎn)而成為電子電路電源的首選。在實(shí)際的工作環(huán)境中,特別是在一些工業(yè)場(chǎng)所中,電磁環(huán)境十分惡劣,常常有異常情況出現(xiàn),例如過(guò)電壓、瞬態(tài)脈沖沖擊波、強(qiáng)電磁輻射等,這些都有可能擊毀電源,影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。本文對(duì)以微處理機(jī)為核心的“透明”電源檢測(cè)技術(shù)輔以提高開(kāi)關(guān)電源抗過(guò)電壓、抗干擾性能的手段,設(shè)計(jì)了一種具有保護(hù)和監(jiān)控功能的開(kāi)關(guān)電源。

設(shè)計(jì)思想

隨著電子設(shè)備對(duì)電源系統(tǒng)要求的日益提高,研究廉價(jià)的具有監(jiān)視、管理供電電源功能的開(kāi)關(guān)電源愈來(lái)愈顯得必要。本文在綜合考慮電源各種技術(shù)性能和對(duì)自身的安全要求以及開(kāi)關(guān)電源性能的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出了一種新型實(shí)用的帶有過(guò)電壓檢測(cè)和保護(hù)裝置的智能化電源。它具有以下幾個(gè)特點(diǎn):
a實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)電壓的檢測(cè),并能記錄每次過(guò)電壓的瞬時(shí)值和峰值,可啟動(dòng)備用電源供電,實(shí)現(xiàn)對(duì)電子電路的保護(hù)作用。
b具有抗沖擊能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、帶液晶屏數(shù)字監(jiān)視的特點(diǎn),同時(shí)通過(guò)RS485通信接口與管理計(jì)算機(jī)通訊能實(shí)現(xiàn)“透明”電源的工作和保護(hù)等功能。
c能實(shí)時(shí)顯示輸出電壓、電流的大小,過(guò)電壓的次數(shù)、大小以及必要的參數(shù)設(shè)置信息。
d通過(guò)接口與后臺(tái)或遠(yuǎn)端PC機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。

智能化電源的核心由顯示板、CPU板、通信板、備用電源板、過(guò)電壓檢測(cè)板、鍵盤(pán)、通信轉(zhuǎn)接板組成。裝置的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)電壓的峰值檢測(cè),尤其是過(guò)電壓的檢測(cè)。本文提出了一種基于單片機(jī)的過(guò)電壓檢測(cè)和峰值電壓檢測(cè)方法,實(shí)驗(yàn)證明它滿足了對(duì)檢測(cè)的快速性和精確性的要求。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件框架如圖1所示。在正常的情況下,220V的交流輸入電壓經(jīng)過(guò)整流、濾波、DC/DC變換、穩(wěn)壓電路后可得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓,基本上是一個(gè)開(kāi)關(guān)電源;當(dāng)有過(guò)電壓時(shí),過(guò)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)電壓檢測(cè)電路檢測(cè)和峰值電壓保持電路保持,控制電源回路,斷開(kāi)正常工作的交流電路,同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)備用電源工作,以及完成對(duì)過(guò)電壓的瞬時(shí)值和峰值的測(cè)量。
       
 

a過(guò)電壓檢測(cè)電路
過(guò)電壓對(duì)于電源來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常有害的信號(hào),雷電等引起的瞬時(shí)高電壓如果不加遏制,直接由電源引入RTU(遠(yuǎn)程終端設(shè)備)則會(huì)影響其電源模塊的正常工作,使各功能模塊的工作電壓升高而工作不正常,嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞模塊,燒壞元器件(IC)。典型過(guò)電壓形成的沖擊電壓脈沖如圖2所示。
 
    
過(guò)電壓保護(hù)的基本原理是在瞬態(tài)過(guò)電壓發(fā)生的時(shí)侯(微秒或納秒級(jí)),通過(guò)過(guò)電壓檢測(cè)電路對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。過(guò)電壓檢測(cè)電路中主要的元件是壓敏電阻。壓敏電阻相當(dāng)于很多串并聯(lián)在一起的雙向抑制二極管。電壓超過(guò)箝位電壓時(shí),壓敏電阻導(dǎo)通;電壓低于箝位電壓時(shí),壓敏電阻截止。這就是壓敏電阻的電壓箝位作用。壓敏電阻工作極為迅速,響應(yīng)時(shí)間在納秒級(jí)。

過(guò)電壓檢測(cè)電路原理圖如圖3所示。當(dāng)有過(guò)電壓信號(hào)產(chǎn)生時(shí),壓敏電阻被擊穿,呈現(xiàn)低阻值甚至接近短路狀態(tài),這樣在電流互感器的原級(jí)產(chǎn)生一個(gè)大電流,通過(guò)線圈互感作用在副級(jí)產(chǎn)生一個(gè)小電流,再通過(guò)精密電阻把電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào);這個(gè)信號(hào)輸入到電壓比較器LM393后,電壓比較器LM393輸出高電平,經(jīng)過(guò)非門A輸出的控制脈沖1控制電源回路,斷開(kāi)開(kāi)關(guān)電源電路,啟動(dòng)備用電源。控制脈沖2 送到單片機(jī)的中斷口,單片機(jī)控制回路啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,采樣過(guò)電壓的瞬時(shí)值。
 
       

b峰值電壓采樣保持電路
峰值電壓采樣保持電路如圖4所示。峰值電壓采樣保持電路由一片采樣保持器芯片LF398和一塊電壓比較器LM311構(gòu)成。LF398的輸出電壓和輸入電壓通過(guò)LM311進(jìn)行比較,當(dāng)Vi>V0時(shí),LM311輸出高電平,送到LF398的邏輯控制端8腳,使LF398處于采樣狀態(tài);當(dāng)Vi達(dá)到峰值而下降時(shí),Vi<V0,電壓比較器LM311輸出低電平,LF398的邏輯控制端置低電平,使LF398處于保持狀態(tài)。由于LM311采用集電極開(kāi)路輸出,故需接上拉電阻。由過(guò)電壓檢測(cè)電路輸出端送來(lái)的脈沖控制電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通,沒(méi)有過(guò)電壓時(shí)采樣電容放電,否則采樣電路一直跟蹤峰值的變化。
         
c單片機(jī)控制回路
單片機(jī)控制回路如圖5所示。它的主要功能是完成對(duì)過(guò)電壓的瞬時(shí)值和峰值的檢測(cè)、過(guò)電壓次數(shù)的檢測(cè)、電源輸出電壓和電流的檢測(cè),并通過(guò)鍵盤(pán)的操作顯示出各個(gè)檢測(cè)值的大??;同時(shí)通過(guò)485接口和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊,在有過(guò)電壓的時(shí)候通過(guò)控制回路啟動(dòng)備用電源,實(shí)現(xiàn)對(duì)電源本身的保護(hù)。
 
           

軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件主要由主程序、鍵盤(pán)掃描子程序、顯示子程序和通信子程序等組成。圖6是主程序流程圖。
      
 

主程序由初始化、看門狗置位、鍵盤(pán)掃描子程序、中斷子程序組成。主程序主要進(jìn)行分配內(nèi)存單元、設(shè)置串行口等器件的工作方式和參數(shù),為系統(tǒng)正常工作創(chuàng)造條件。在主程序運(yùn)行的過(guò)程中,通過(guò)按鍵可以顯示檢測(cè)的各個(gè)量的值;同時(shí)在系統(tǒng)有過(guò)電壓和干擾信號(hào)產(chǎn)生時(shí),液晶顯示屏?xí)@示提示信息,使電源實(shí)現(xiàn)“透明”,便于電源的管理。在本系統(tǒng)中,鍵盤(pán)采用的是由P1口組成的3×3行列矩陣式鍵盤(pán)。由于鍵盤(pán)程序的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,所以具體過(guò)程不做介紹。

子程序中值得一提的是通訊子程序。為了實(shí)現(xiàn)與目前應(yīng)用較為廣泛的MODICON系列測(cè)控系統(tǒng)的接口,本系統(tǒng)選用了控制系統(tǒng)中較為通用的MODBUS協(xié)議進(jìn)行通訊。MODBUS協(xié)議采用主-從通信方式,它規(guī)定把各個(gè)報(bào)文封裝成對(duì)應(yīng)的一幀數(shù)據(jù),以幀為單位傳輸數(shù)據(jù)。主站發(fā)送的報(bào)文包括接收者地址、任務(wù)、任務(wù)數(shù)據(jù)、校驗(yàn)方式等內(nèi)容;從站響應(yīng)信息報(bào)文包括從站地址、所執(zhí)行的任務(wù)、執(zhí)行任務(wù)得到的數(shù)據(jù)、校驗(yàn)方式等內(nèi)容。MODBUS協(xié)議有兩種報(bào)文組成結(jié)構(gòu)(又稱傳輸模式),分別是ASCII(美國(guó)信息交換碼)模式和RTU模式。同一MODBUS總線網(wǎng)絡(luò)上的所有站點(diǎn)設(shè)備都必須使用相同的模式和對(duì)應(yīng)的串口通信參數(shù)。本次設(shè)計(jì)采用的是RTU報(bào)文傳送方式。RTU模式的報(bào)文字符由8位二進(jìn)制編碼組成,本設(shè)計(jì)方案的每個(gè)字符包含1位起始位、8位數(shù)據(jù)位和2位停止位(無(wú)奇偶校驗(yàn))。 RTU模式的報(bào)文字符必須以連續(xù)數(shù)據(jù)流的形式傳送,每幀報(bào)文以至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始傳輸,同樣以至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)志報(bào)文傳輸?shù)慕Y(jié)束。通訊程序已經(jīng)發(fā)展得比較成熟,具體的框圖省去。通訊程序軟件運(yùn)行時(shí)隨時(shí)檢測(cè)串行口,若證實(shí)為上位機(jī)通訊請(qǐng)求,則發(fā)應(yīng)答信號(hào),實(shí)現(xiàn) “握手”,然后按上位機(jī)要求發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。發(fā)送時(shí),將本機(jī)檢測(cè)的電壓值、電流值向上發(fā)送,接收時(shí)則將上位機(jī)發(fā)來(lái)的系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行差錯(cuò)判斷后放入本機(jī)原設(shè)置單元,然后再由軟件根據(jù)設(shè)置值進(jìn)行相應(yīng)處理。

經(jīng)過(guò)電路板的設(shè)計(jì)、調(diào)試和程序的調(diào)試,證明了“透明”電源的可靠性。在調(diào)試的過(guò)程中做了大量的模擬過(guò)電壓和沖擊脈沖的試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)的性能。通過(guò)試驗(yàn)證明過(guò)電壓保護(hù)電路和峰值檢測(cè)電路可以迅速準(zhǔn)確地捕捉過(guò)電壓和沖擊脈沖,并且電路的反映速度很快,可以檢測(cè)到納秒級(jí)的干擾信號(hào)。這些性能很好地滿足了工業(yè)的需要,使得在有過(guò)電壓和沖擊脈沖產(chǎn)生的時(shí)候系統(tǒng)可以有效地保護(hù)電子電路;同時(shí)通過(guò)單片機(jī)和液晶顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示這個(gè)電源的工作情況和性能,達(dá)到了“透明”電源的效果。而且在本設(shè)計(jì)中,電源系統(tǒng)通過(guò)通訊接口可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)在遠(yuǎn)程對(duì)整個(gè)電源監(jiān)控,便于電源的管理,實(shí)現(xiàn)了“遙控”的性能。

 

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