隨著電磁發(fā)射技術(shù)研究的不斷深入，高壓電源在電磁發(fā)射試驗中的作用越來越重要，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(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)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(shè)定以及對充電過程中待充電電容器的電壓值及可能出現(xiàn)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(tǒng)組成及工作原理
監(jiān)控系統(tǒng)主要由鍵盤輸入系統(tǒng)、顯示控制系統(tǒng)、采樣電路等組成，鍵盤輸入系統(tǒng)由4×4鍵盤、AT89C2051單片機及相應(yīng)外圍電路組成；顯示控制系統(tǒng)由JHD12864液晶顯示器、STC12C5410AD單片機及相應(yīng)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(tǒng)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(guān)閉輸出驅(qū)動信號等功能，是控制恒流充電的關(guān)鍵器件。系統(tǒng)工作原理如圖1所示，鍵盤輸入系統(tǒng)負責(zé)向顯示控制系統(tǒng)提供按鍵信息，對顯示控制系電壓、電流進行設(shè)定，設(shè)定完后STC12C5410AD將產(chǎn)生一定占空比的PWM波，經(jīng)過濾波放大后變?yōu)榈碗娖?，加到SG3525A關(guān)閉端，使電源開始工作。同時，STC12C5410AD內(nèi)集成的10位A／D轉(zhuǎn)換器將電壓、電流采樣電路提供的模擬量轉(zhuǎn)換成代表實際電壓、電流的數(shù)字量，然后通過液晶顯示出來。隨著充電的進行，當(dāng)實際電壓值大于設(shè)定值時，同樣產(chǎn)生一定占空比的PWM波，經(jīng)過濾波放大后變?yōu)楦唠娖?，加到SG3525A關(guān)閉端，使電源停止工作。對于電流的調(diào)節(jié)，單片機將根據(jù)設(shè)定電流值的大小輸出相應(yīng)占空比的PWM波，然后經(jīng)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(xiàn)恒流充電。
電源充電的具體過程如圖2所示，當(dāng)系統(tǒng)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(dāng)充電參數(shù)設(shè)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(tǒng)將控制電源停止工作，同時液晶屏將根據(jù)故障類型進行相應(yīng)顯示。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 控制系統(tǒng)電路設(shè)計
由于系統(tǒng)需要的I／O口較多，因此控制系統(tǒng)采用STC12C5410AD和AT89C2051兩片單片機?？刂葡到y(tǒng)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(jié)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(jié)束。為提高系統(tǒng)在高壓，強電磁干擾環(huán)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(fù)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(shè)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(jīng)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(zhuǎn)換器和SG3525A反相輸入端，另一方面經(jīng)由LM358等構(gòu)成的比較器后，加到3525關(guān)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(jīng)限流電阻后，變?yōu)樾∮? 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(zhuǎn)化為電壓信號，實現(xiàn)高壓與低壓的隔離，提高系統(tǒng)抗干擾性。光耦輸出的電壓一方面送給A／D轉(zhuǎn)換器，另一方面經(jīng)由LM358等構(gòu)成的比較器后，加到SG3525A關(guān)閉端，形成過壓保護。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要實現(xiàn)5個功能：鍵盤輸入；液晶顯示；串行通信；A／D轉(zhuǎn)換和PWM波輸出。軟件設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換、輸出PWM波，是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心，其程序流程圖如圖6所示。系統(tǒng)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(tǒng)處于待命狀態(tài)，當(dāng)接收到從機發(fā)來信息后，根據(jù)按鍵信息調(diào)用相應(yīng)的子程序，比如設(shè)定充電電壓子程序等。開始充電后，啟動A／D轉(zhuǎn)換，并根據(jù)設(shè)定電流值大小輸出相應(yīng)占空比的PWM波，之后不斷比較電壓設(shè)定值與采樣值的大小，當(dāng)檢測到采樣值大于設(shè)定值后，發(fā)出斷電信號。
3．2 從機程序流程圖
從機主要負責(zé)掃描鍵盤的按下情況并將按鍵信息發(fā)送給主機，其程序流程圖如圖7所示。系統(tǒng)上電后直接對串行通信的波特率進行設(shè)定，之后對鍵盤按鍵情況進行掃描，為了消除抖動，當(dāng)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(fā)送給主機，發(fā)送完成后接著掃描按鍵情況。
4 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計
4．1 可靠性設(shè)計
監(jiān)控系統(tǒng)可以使電源的充電方式由手動式變?yōu)槌炭厥?，實現(xiàn)充電過程自動化，但由于工作在高壓環(huán)境下，系統(tǒng)可靠性有所下降，為提高系統(tǒng)可靠性，采取以下3個措施：
(1)增加外部單片機監(jiān)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(fù)位和看門狗功能，同時據(jù)有看門狗超時時間可調(diào)的特性，這樣可以通過測試最大程序循環(huán)周期，然后據(jù)此設(shè)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(nèi)復(fù)位。
(2)采用光耦進行高壓與低壓的隔離，以提高系統(tǒng)抗干擾性。
(3)在對鍵盤輸入系統(tǒng)進行軟件設(shè)計時，將按鍵功能動作互鎖，避免誤操作。
4．2 精密化設(shè)計
高壓充電電源主要技術(shù)指標(biāo)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(shè)計的方法，提高系統(tǒng)精度。為了提高系統(tǒng)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(xiàn)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(shè)計的方法進行擬合。下面以10 kV充電電源監(jiān)控系統(tǒng)為例進行說明，經(jīng)試驗測得在0～750 V，750～3 000 V，3 000～10 000 V三個區(qū)間內(nèi)光耦線性度較好。因此進行數(shù)據(jù)處理時，也分區(qū)間進行，假設(shè)三個區(qū)間的比例函數(shù)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(zhǔn)電壓作為光耦的輸入電壓，保證輸入電壓穩(wěn)定性。
5 試驗
鑒于10 kV恒流充電電源尚處于測試階段，系統(tǒng)性能的測試采用了模擬的方式。試驗主要測試了系統(tǒng)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(diào)，其變化范圍為0～12 V，通過取點法，對比實際電壓值與經(jīng)A／D轉(zhuǎn)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(tǒng)顯示電壓值與實際電壓值基本一致，誤差小于1％。
6 結(jié)語
為了適應(yīng)高壓電源發(fā)展的趨勢，設(shè)計了一種用于高壓恒流充電電源的監(jiān)控系統(tǒng)，使傳統(tǒng)的充電方式由手動式變?yōu)閿?shù)字式。經(jīng)模擬充電試驗表明，該系統(tǒng)具有操作方便，可靠性高，精度高的優(yōu)點，但由于只是模擬試驗，缺少了強電磁干擾環(huán)境，可靠性還有待進一步驗證，但基于它的種種優(yōu)越性，其應(yīng)用前景還是比較廣泛的。