智能化電源設計論文
1設計思路
隨著(zhù)電子設備對電源系統要求的日益提高，研究廉價(jià)的具有監視、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)性能和對自身的安全要求以及開(kāi)關(guān)電源性能的基礎上，設計出了一種新型實(shí)用的帶有過(guò)電壓檢測和保護裝置的智能化電源。它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
�。�1）實(shí)際了對過(guò)電壓的檢測，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)現對電子電路的保護作用。
�。�2）具有抗沖擊能力強、使用壽命長(cháng)、帶液晶屏數字監視的特點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)RS485通信接口與管理計算機通訊能實(shí)現“透明”電源的工作和保護等功能。
�。�3）能實(shí)時(shí)顯示輸出電壓、電流的大小，過(guò)電壓的次數、大小以及必要的參數設置信息。
�。�4）通過(guò)接口與后臺或遠端PC機實(shí)現數據傳送。
智能化電源的核心由顯示板、CPU板、通信板、備用電源板、過(guò)電壓檢測板、鍵盤(pán)、通信轉接板組成。裝置的關(guān)鍵是實(shí)現電壓的峰值檢測，尤其是過(guò)電壓的檢測。本文提出了一種基于單片機的過(guò)電壓檢測和峰值電壓檢測方法，實(shí)驗證明它滿(mǎn)足了對檢測的'快速性和精確性的要求。
2系統硬件設計
系統硬件框架如圖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、穩壓電路后可得到一個(gè)穩定的輸出電壓，基本上是一個(gè)開(kāi)關(guān)電源；當有過(guò)電壓時(shí)，過(guò)電壓信號經(jīng)過(guò)過(guò)電壓檢測電路檢測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)計算機啟動(dòng)備用電源工作，以及完成對過(guò)電壓的瞬時(shí)值和峰值的測量。
2.1過(guò)電壓檢測電路
過(guò)電壓對于電源來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常有害的信號，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（遠程終端設備）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)電壓保護的基本原理是在瞬態(tài)過(guò)程電壓發(fā)生的時(shí)侯（微稱(chēng)或納秒級），通過(guò)過(guò)電壓檢測電路對這個(gè)信號進(jìn)行檢測。過(guò)電壓檢測電路中主要的元件是壓敏電阻。壓敏電阻相當于很多串并聯(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，響應時(shí)間在納秒級。
過(guò)電壓檢測電路原理圖如圖3所示。當有過(guò)電壓信號產(chǎn)生時(shí)，壓敏電阻被擊穿，呈現低阻值甚至接近短路狀態(tài)，這樣在電流互感器的原級產(chǎn)生一個(gè)大電流，通過(guò)線(xiàn)圈互感作用在副級產(chǎn)生一個(gè)小電流，再通過(guò)精密電阻把電流信號轉變?yōu)殡妷盒盘�；這個(gè)信號輸入到電壓比較器LM393后，電壓比較器LM393輸出高電平，經(jīng)過(guò)非門(mén)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�？刂泼}沖2送到單片機的中斷中，單片機控制回咱啟動(dòng)A/D轉換，采樣過(guò)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構成。LF398的輸出電壓和輸入電壓通過(guò)LM311進(jìn)行比較，當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Vi達到峰值而下降時(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)電壓檢測電路輸出端送來(lái)的脈沖控制電路開(kāi)關(guān)的導通，沒(méi)有過(guò)電時(shí)采樣電容放電，否則采樣電路一直跟蹤峰值的變化。
2.3單片機控制回路
單片機控制回路如圖5所示。它的主要功能是完成對過(guò)電壓的瞬時(shí)值和峰值的檢測、過(guò)電壓次數的檢測、電源輸出電壓和電流的檢測，并通過(guò)鍵盤(pán)的操作顯示出各個(gè)檢測值的大��；同時(shí)通過(guò)485接口和上位機實(shí)現通訊，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)現對電源本身的保護。
3軟件設計
系統軟件主要由主程序、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(mén)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)行分配內存單元、設置串行口等器件的工作方式和參數，為系統正常工作創(chuàng )造條件。在主程序運行的過(guò)程中，通過(guò)按鍵可以顯示檢測的各個(gè)量的值；同時(shí)在系統過(guò)電壓和干擾信號產(chǎn)生時(shí)，液晶顯示屏會(huì )顯示提示信息，使電源實(shí)現“透明”，便于電源的管理。在本系統中，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)現與目前應用較為廣泛的MODICON系列測控系統的接口，本系統選用了控制系統中較為通用的MODBUS協(xié)議進(jìn)行通訊。MODBUS協(xié)議采用主-從通信方式，它規定把各個(gè)報文封裝成對應的一幀數據，以幀為單位傳輸數據。主站發(fā)送的報文包括接收者地址、任務(wù)、任務(wù)數據、校驗方式等內容；從站響應信息報文包括從站地址、所執行的任務(wù)、執行任務(wù)得到的數據、校驗方式等內容。MODBUS協(xié)議有兩種報文組成結構（又稱(chēng)傳輸模式），分別是ASCII（美國信息交換碼）模式和RTU模式。同一MODBUS總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上的所有站點(diǎn)設備都必須使用相同的模式和對應的串口通信參數。本次設計采用的是RTU報文傳送方式。RTU模式的報文字符由8位二進(jìn)制編碼組成，本設計方案的每個(gè)字符包含1位起始位、8位數據位和2位停止位（無(wú)奇偶校驗）。RTU模式的報文的報文字符必須以連續數據流的形式傳送，每幀報文以至少3.5個(gè)字節時(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)間的停頓標志攝文傳輸的結束。通訊程序已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，具體的框圖省去。通訊程序軟件運行時(shí)隨時(shí)倘中行口，若證實(shí)為上位機通訊請求，則發(fā)應答信號，實(shí)現“握手”，然后按上位機要求發(fā)送或接收數據。發(fā)送時(shí)，將本機檢測的電壓值、電流值向上發(fā)送，接收時(shí)則將上位機發(fā)來(lái)的系統設置參數進(jìn)行差錯判斷后放入本機原設置單元，然后再由軟件根據設置值進(jìn)行相應處理。
經(jīng)過(guò)電路板的設計、調試和程序的調試，證明了“透明”電源的可靠性。在調試的過(guò)程中做了大量的模擬過(guò)電壓和沖擊脈沖的試驗來(lái)檢測系統的性能。通過(guò)試驗證明過(guò)電壓保護電路和峰值檢測電路可以迅速準確地捕捉過(guò)電壓和沖擊脈沖，并且電路的反映速度很好，可以檢測到納秒級訴干擾信號，并且電路的反映速度很快，可以檢測到納級的干擾信號。這些性能很好地滿(mǎn)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)候系統可以有效地保護電子電路；同時(shí)通過(guò)單片機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，達到了“透明”電源的效果。而且在本設計中，電源系統通過(guò)通訊接口可以實(shí)現計算機在遠程對整個(gè)電源監控，便于電源的管理，實(shí)現了“遙控”的性能。
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