??? 摘 要: 首先分析了現(xiàn)代開關(guān)電源" title="開關(guān)電源">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)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(guò)電壓" title="過(guò)電壓">過(guò)電壓監(jiān)測(cè)? MODBUS? 通信
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??? 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(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)控功能的開關(guān)電源,。
1 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)：
??? (1)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,。
??? (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(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。
??? (3)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,。
??? (4)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,、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,。
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(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" title="檢測(cè)電路">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(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,。
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2.1 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,。
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??? 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,。
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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(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
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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(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)鍵盤的操作顯示出各個(gè)檢測(cè)值的大小,；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),。
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3 軟件設(shè)計(jì)
??? 系統(tǒng)軟件主要由主程序" title="主程序">主程序,、鍵盤掃描子程序" title="子程序">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,。
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??? 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(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(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。
參考文獻(xiàn)
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