高壓恒流充電電源監控系統設計 - 全文

　　摘要：介紹了基于單片機的10 kV恒流充電電源監控系統設計。系統采用STC12C5410AD單片機作為控制的核心，利用AT89C2051單片機采集按鍵信息，通過采樣電路獲取充電過程中的電壓、電流信息，然后在STC12C5410AD單片機的控制下，利用JHD12864F液晶顯示器對充電參數及可能出現的故障進行顯示，實現了對充電過程的數字化控制。鑒于系統工作在高壓環境下，為提高系統可靠性、抗干擾能力以及充電的精度，在硬件設計和軟件設計方面對系統進行了優化。經試驗測試，該系統具有可靠性好，抗干擾能力強，精度高的優點。

　　關鍵詞：高壓恒流電源;單片機;液晶顯示;優化

　　隨著電磁發射技術研究的不斷深入，對于高壓電源的性能也提出了更高的要求，尤其在充電功率、安全性能和人機界面等方面。針對這一要求，本文介紹了一種基于單片機的10 kV恒流充電電源監控系統的設計。該系統具有充電前可對待充電電容器電壓進行查詢，充電電壓、充電電流可由鍵盤設定以及對充電過程中待充電電容器的電壓值及可能出現的故障進行顯示的功能，使得整個充電過程透明化，具有較好的實用性。

　　1 系統組成及工作原理

　　監控系統主要由鍵盤輸入系統、顯示控制系統、采樣電路等組成，鍵盤輸入系統由4×4鍵盤、AT89C2051單片機及相應外圍電路組成;顯示控制系統由JHD12864液晶顯示器、STC12C5410AD單片機及相應外圍電路組成;采樣電路包括電壓采樣電路和電流采樣電路。

　　在介紹系統工作原理前，首先介紹一下SG3525A，SG3525A是一種PWM集成控制器，其具有外同步、軟啟動、誤差放大以及關閉輸出驅動信號等功能，是控制恒流充電的關鍵器件。系統工作原理如圖1所示，鍵盤輸入系統負責向顯示控制系統提供按鍵信息，對顯示控制系電壓、電流進行設定，設定完后STC12C5410AD將產生一定占空比的PWM波，經過濾波放大后變為低電平，加到SG3525A關閉端，使電源開始工作。同時，STC12C5410AD內集成的10位A/D轉換器將電壓、電流采樣電路提供的模擬量轉換成代表實際電壓、電流的數字量，然后通過液晶顯示出來。隨著充電的進行，當實際電壓值大于設定值時，同樣產生一定占空比的PWM波，經過濾波放大后變為高電平，加到SG3525A關閉端，使電源停止工作。對于電流的調節，單片機將根據設定電流值的大小輸出相應占空比的PWM波，然后經過濾波后加到SG3525A同相輸入端，反相輸入端則與電流采樣電路相連，形成反饋回路，從而控制充電電流的大小，實現恒流充電。

　　電源充電的具體過程如圖2所示，當系統上電后，液晶屏顯示“歡迎使用本電流源，充電請按1，查詢請按2”，當充電參數設置完后，開始充電，充電過程中，如果檢測到電壓、電流過大或過小，系統將控制電源停止工作，同時液晶屏將根據故障類型進行相應顯示。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 控制系統電路設計

　　由于系統需要的I/O口較多，因此控制系統采用STC12C5410AD和AT89C2051兩片單片機。控制系統電路如圖3所示。鍵盤采用的是4×4矩陣式鍵盤，這樣可以節省很多I/O資源，R0～R3與從機AT89C2051的P1口低4位相連，C0～C3與P1口高4位相連，利用查詢方式掃描鍵盤的按下情況;由于無需遠距離傳輸，液晶與主機STC12C5410AD采用并行方式連接，以P2口作為數據口，控制端RS、讀/寫端RW、使能端E分別與P3.3，P3.4，P3.5引腳相連;用P1.0和P1.2作為A/D轉換口，P3.5和P3.7引腳作為PWM波輸出口，PWM0控制充電電流大小，PWM1控制充電的開始與結束。為提高系統在高壓，強電磁干擾環境下的可靠性，采用了外接看門狗的方式，單片機P3.2引腳和RST引腳分別與MAX6304的看門狗檢測器輸入引腳WDI與復位引腳RST相連，同時兩個單片機通過串行口連接。

　　2.2 采樣電路設計

　　采樣電路包括電壓采樣電路和電流采樣電路，首先介紹電流采樣電路，其電路如圖4所示。圖中電流經過電流傳感器后輸出電壓信號，電壓信號加到由R3，R4，LM358，C2組成的積分運算放大電路后，輸出信號一方面送給A/D轉換器和SG3525A反相輸入端，另一方面經由LM358等構成的比較器后，加到3525關閉端，形成過流保護電路。R1為電流傳感器所帶負載電阻，C1，C3為濾波電容，D1為二極管，并到C1上是為了吸收負脈沖，以保護LM358。

　　電壓采樣電路如圖5所示，高壓經限流電阻后，變為小于5 mA的電流信號，然后利用光耦P521(5 mA以下電流時，光耦呈線性)將電流信號轉化為電壓信號，實現高壓與低壓的隔離，提高系統抗干擾性。光耦輸出的電壓一方面送給A/D轉換器，另一方面經由LM358等構成的比較器后，加到SG3525A關閉端，形成過壓保護。

　　3 系統軟件設計

　　系統的軟件設計主要實現5個功能：鍵盤輸入;液晶顯示;串行通信;A/D轉換和PWM波輸出。軟件設計程序主要包括主機(STC12C5410 AD)程序、從機(AT89C2051)程序、液晶顯示程序、A/D轉換程序以及PWM波輸出程序，下面主要介紹前兩項。

　　3.1 主機程序流程圖

　　主機主要用于接收從機信息、控制液晶顯示、啟動A/D轉換、輸出PWM波，是整個監控系統的核心，其程序流程圖如圖6所示。系統上電后初始化，初始化包括A/D初始化、液晶初始化、串口初始化、PWM輸出初始化，初始化后系統處于待命狀態，當接收到從機發來信息后，根據按鍵信息調用相應的子程序，比如設定充電電壓子程序等。開始充電后，啟動A/D轉換，并根據設定電流值大小輸出相應占空比的PWM波，之后不斷比較電壓設定值與采樣值的大小，當檢測到采樣值大于設定值后，發出斷電信號。

　　3.2 從機程序流程圖

　　從機主要負責掃描鍵盤的按下情況并將按鍵信息發送給主機，其程序流程圖如圖7所示。系統上電后直接對串行通信的波特率進行設定，之后對鍵盤按鍵情況進行掃描，為了消除抖動，當檢測到按鍵信息后，延時20 ms，再檢測按鍵信息是否存在，存在則確定有按鍵按下，然后把代表按鍵的信息發送給主機，發送完成后接著掃描按鍵情況。

　　4 系統優化設計

　　4.1 可靠性設計

　　監控系統可以使電源的充電方式由手動式變為程控式，實現充電過程自動化，但由于工作在高壓環境下，系統可靠性有所下降，為提高系統可靠性，采取以下3個措施：

　　(1)增加外部單片機監控電路(看門狗電路)，選擇的芯片為Maxim 公司的MAX6304芯片。該芯片同時具有復位和看門狗功能，同時據有看門狗超時時間可調的特性，這樣可以通過測試最大程序循環周期，然后據此設置比其略大的超時時間，從而保證程序跑飛后，在最短時間內復位。

　　(2)采用光耦進行高壓與低壓的隔離，以提高系統抗干擾性。

　　(3)在對鍵盤輸入系統進行軟件設計時，將按鍵功能動作互鎖，避免誤操作。

　　4.2 精密化設計

　　高壓充電電源主要技術指標一般為電壓精度、充電速度和控制方式等。為了提高充電電壓精度，采取了以下兩個措施：

　　(1)采用軟件設計的方法，提高系統精度。為了提高系統抗干擾性，利用光耦進行隔離。但由于光耦并非完全線性的，這就使得采樣得到的電壓易出現較大誤差。為此首先通過試驗的方法測出光耦的線性曲線，然后將通過軟件設計的方法進行擬合。下面以10 kV充電電源監控系統為例進行說明，經試驗測得在0～750 V，750～3 000 V，3 000～10 000 V三個區間內光耦線性度較好。因此進行數據處理時，也分區間進行，假設三個區間的比例函數分別為f(1)，f(2)，f(3)，則其軟件流程圖如圖8所示。

　　(2)利用SG3525A輸出的基準電壓作為光耦的輸入電壓，保證輸入電壓穩定性。

　　5 試驗

　　鑒于10 kV恒流充電電源尚處于測試階段，系統性能的測試采用了模擬的方式。試驗主要測試了系統可靠性和采樣精度，試驗電路圖如圖9所示。其中12 V電源電壓可調，其變化范圍為0～12 V，通過取點法，對比實際電壓值與經A/D轉換后的液晶顯示值，然后用Origin進行擬合，擬合曲線如圖10所示。其中B代表實際電壓值，C代表液晶顯示的電壓值，由圖可看出系統顯示電壓值與實際電壓值基本一致，誤差小于1%。