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一種智能化電源的設(shè)計
摘要：首先分析了現(xiàn)代開關(guān)電源的優(yōu)缺點及其發(fā)展?fàn)顩r，然后在開關(guān)電源的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新型的帶檢測和保護(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，可與上位計算機(jī)機(jī)通信，實現(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)點而成為電子電路電源的首選。在實際的工作環(huán)境中，特別是在一些工業(yè)場所中，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、強電磁輻射等，這些都有可能擊毀電源，影響整個系統(tǒng)的工作。本文對以微處理機(jī)為核心的“透明”電源檢測技術(shù)輔以提高開關(guān)電源抗過電壓、抗干擾性能的手段，設(shè)計了一種具有保護(hù)和監(jiān)控功能的開關(guān)電源。
1設(shè)計思路
隨著電子設(shè)備對電源系統(tǒng)要求的日益提高，研究廉價的具有監(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)性能和對自身的安全要求以及開關(guān)電源性能的基礎(chǔ)上，設(shè)計出了一種新型實用的帶有過電壓檢測和保護(hù)裝置的智能化電源。它具有以下幾個特點：
�。�1）實際了對過電壓的檢測，并能記錄每次過電壓的瞬時值和峰值，可啟動備用電源供電，實現(xiàn)對電子電路的保護(hù)作用。
（2）具有抗沖擊能力強、使用壽命長、帶液晶屏數(shù)字監(jiān)視的特點，同時通過RS485通信接口與管理計算機(jī)通訊能實現(xiàn)“透明”電源的工作和保護(hù)等功能。
�。�3）能實時顯示輸出電壓、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）通過接口與后臺或遠(yuǎn)端PC機(jī)實現(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、過電壓檢測板、鍵盤、通信轉(zhuǎn)接板組成。裝置的關(guān)鍵是實現(xiàn)電壓的峰值檢測，尤其是過電壓的檢測。本文提出了一種基于單片機(jī)的過電壓檢測和峰值電壓檢測方法，實驗證明它滿足了對檢測的快速性和精確性的要求。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計
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穩(wěn)定的輸出電壓，基本上是一個開關(guān)電源；當(dāng)有過電壓時，過電壓信號經(jīng)過過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，斷開正常工作的交流電路，同時通過計算機(jī)啟動備用電源工作，以及完成對過電壓的瞬時值和峰值的測量。
2.1過電壓檢測電路
過電壓對于電源來說是一個非常有害的信號，雷電等引起的瞬時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)重時會損壞模塊，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)生的時侯（微稱或納秒級），通過過電壓檢測電路對這個信號進(jìn)行檢測。過電壓檢測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，壓敏電阻導(dǎo)通；電壓低于箝位電壓時，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)時間在納秒級。
過電壓檢測電路原理圖如圖3所示。當(dāng)有過電壓信號產(chǎn)生時，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產(chǎn)生一個大電流，通過線圈互感作用在副級產(chǎn)生一個小電流，再通過精密電阻把電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘�；這個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A/D轉(zhuǎn)換，采樣過電壓的瞬時值。
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，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，Vi<V0，電壓比較器LM311輸出低電平，L
F398的邏輯控制端置低電平，使LF398處于保持狀態(tài)。由于LM311采用集電極開路輸出，故需接上拉電阻。由過電壓檢測電路輸出端送來的脈沖控制電路開關(guān)的導(dǎo)通，沒有過電時采樣電容放電，否則采樣電路一直跟蹤峰值的變化。
2.3單片機(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過電壓的瞬時值和峰值的檢測、過電壓次數(shù)的檢測、電源輸出電壓和電流的檢測，并通過鍵盤的操作顯示出各個檢測值的大�。煌瑫r通過485接口和上位機(jī)實現(xiàn)通訊，在有過電壓的時候通過控制回路啟動備用電源，實現(xiàn)對電源本身的保護(hù)。
3軟件設(shè)計
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。在主程序運行的過程中，通過按鍵可以顯示檢測的各個量的值；同時在系統(tǒng)過電壓和干擾信號產(chǎn)生時，液晶顯示屏?xí)@示提示信息，使電源實現(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。為了實現(xiàn)與目前應(yīng)用較為廣泛的MODICON系列測控系統(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)定把各個報文封裝成對應(yīng)的一幀數(shù)據(jù)，以幀為單位傳輸數(shù)據(jù)。主站發(fā)送的報文包括接收者地址、任務(wù)、任務(wù)數(shù)據(jù)、校驗方式等內(nèi)容；從站響應(yīng)信息報文包括從站地址、所執(zhí)行的任務(wù)、執(zhí)行任務(wù)得到的數(shù)據(jù)、校驗方式等內(nèi)容。MODBUS協(xié)議有兩種報文組成結(jié)構(gòu)（又稱傳輸模式），分別是ASCII（美國信息交換碼）模式和RTU模式。同一MODBUS總線網(wǎng)絡(luò)上的所有站點設(shè)備都必須使用相同的模式和對應(yīng)的串口通信參數(shù)。本次設(shè)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(shè)計方案的每個字符包含1位起始位、8位數(shù)據(jù)位和2位停止位（無奇偶校驗）。RTU模式的報文的報文字符必須以連續(xù)數(shù)據(jù)流的形式傳送，每幀報文以至少3.5個字節(jié)時間的停頓間隔開始傳輸，同樣以至少3.5個字符時間的停頓標(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。通訊程序軟件運行時隨時倘中行口，若證實為上位機(jī)通訊請求，則發(fā)應(yīng)答信號，實現(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，將本機(jī)檢測的電壓值、電流值向上發(fā)送，接收時則將上位機(jī)發(fā)來的系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行差錯判斷后放入本機(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、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來檢測系統(tǒng)的性能。通過試驗證明過電壓保護(hù)電路和峰值檢測電路可以迅速準(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)生的時候系統(tǒng)可以有效地保護(hù)電子電路；同時通過單片機(jī)和液晶顯示屏可以實時顯示這個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)計中，電源系統(tǒng)通過通訊接口可以實現(xiàn)計算機(jī)在遠(yuǎn)程對整個電源監(jiān)控，便于電源的管理，實現(xiàn)了“遙控”的性能。
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