一種智能化電源的設(shè)計(jì)

摘要：首先分析了現(xiàn)代開關(guān)電源的優(yōu)缺點(diǎn)及其發(fā)展?fàn)顩r，然后在開關(guān)電源的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型的帶檢測(cè)和保護(hù)功能的智能化電源。其具有抗連續(xù)雷電沖擊的能力，并配有RS485通信接口，可與上位計(jì)算機(jī)機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)電源的集中監(jiān)控、集中管理。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源 過電壓監(jiān)測(cè) MODBUS 通信

隨著電子技術(shù)和電源技術(shù)的發(fā)展，開關(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)輔以提高開關(guān)電源抗過電壓、抗干擾性能的手段，設(shè)計(jì)了一種具有保護(hù)和監(jiān)控功能的開關(guān)電源。



1 設(shè)計(jì)思路

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關(guān)電源愈來愈顯得必要。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)：

（1）實(shí)際了對(duì)過電壓的檢測(cè)，并能記錄每次過電壓的瞬時(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。

（2）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。

（3）能實(shí)時(shí)顯示輸出電壓、電流的大小，過電壓的次數(shù)、大小以及必要的參數(shù)設(shè)置信息。

（4）通過接口與后臺(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、過電壓檢測(cè)板、鍵盤、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)，尤其是過電壓的檢測(cè)。本文提出了一種基于單片機(jī)的過電壓檢測(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。

2 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)開關(guān)電源；當(dāng)有過電壓時(shí)，過電壓信號(hào)經(jīng)過過電壓檢測(cè)電路檢測(cè)和峰值電壓保持電路保持，控制電源回路，斷開正常工作的交流電路，同時(shí)通過計(jì)算機(jī)啟動(dòng)備用電源工作，以及完成對(duì)過電壓的瞬時(shí)值和峰值的測(cè)量。

2.1 過電壓檢測(cè)電路

過電壓對(duì)于電源來說是一個(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）。典型過電壓形成的沖擊電壓脈沖如圖2所示。

過電壓保護(hù)的基本原理是在瞬態(tài)過程電壓發(fā)生的時(shí)侯（微稱或納秒級(jí)），通過過電壓檢測(cè)電路對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。過電壓檢測(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)。




過電壓檢測(cè)電路原理圖如圖3所示。當(dāng)有過電壓信號(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，通過線圈互感作用在副級(jí)產(chǎn)生一個(gè)小電流，再通過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)過非門A輸出的控制脈沖1控制電源回路，斷開開關(guān)電源電路，啟動(dòng)備用電源?？刂泼}沖2送到單片機(jī)的中斷中，單片機(jī)控制回咱啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，采樣過電壓的瞬時(shí)值。

2.2 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


2.3 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)過電壓的瞬時(shí)值和峰值的檢測(cè)、過電壓次數(shù)的檢測(cè)、電源輸出電壓和電流的檢測(cè)，并通過鍵盤的操作顯示出各個(gè)檢測(cè)值的大?。煌瑫r(shí)通過485接口和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，在有過電壓的時(shí)候通過控制回路啟動(dòng)備用電源，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源本身的保護(hù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由主程序、鍵盤掃描子程序、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)行的過程中，通過按鍵可以顯示檢測(cè)的各個(gè)量的值；同時(shí)在系統(tǒng) 過電壓和干擾信號(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，鍵盤采用的是由P1口組成的3×3行列矩陣式鍵盤。由于鍵盤程序的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，所以具體過程不做介紹。

圖5




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（無奇偶校驗(yàn)）。RTU模式的報(bào)文的報(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)字節(jié)時(shí)間的停頓間隔開始傳輸，同樣以至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)志攝文傳輸?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)倘中行口，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)試的過程中做了大量的模擬過電壓和沖擊脈沖的試驗(yàn)來檢測(cè)系統(tǒng)的性能。通過試驗(yàn)證明過電壓保護(hù)電路和峰值檢測(cè)電路可以迅速準(zhǔn)確地捕捉過電壓和沖擊脈沖，并且電路的反映速度很好，可以檢測(cè)到納秒級(jí)訴干擾信號(hào)，并且電路的反映速度很快，可以檢測(cè)到納級(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。