高压恒流充电电源监控系统设计

    随着电磁发射技术研究的不断深入，高压电源在电磁发射试验中的作用越来越重要，对于高压电源的性能也提出了更高的要求，尤其在充电功率、安全性能和人机界面等方面。针对这一要求，本文介绍了一种基于单片机的10 kV恒流充电电源监控系统的设计。该系统具有充电前可对待充电电容器电压进行查询，充电电压、充电电流可由键盘设定以及对充电过程中待充电电容器的电压值及可能出现的故障进行显示的功能，使得整个充电过程透明化，具有较好的实用性。

1 系统组成及工作原理
    监控系统主要由键盘输入系统、显示控制系统、采样电路等组成，键盘输入系统由4×4键盘、AT89C2051单片机及相应外围电路组成；显示控制系统由JHD12864液晶显示器、STC12C5410AD单片机及相应外围电路组成；采样电路包括电压采样电路和电流采样电路。
    在介绍系统工作原理前，首先介绍一下SG3525A，SG3525A是一种PWM集成控制器，其具有外同步、软启动、误差放大以及关闭输出驱动信号等功能，是控制恒流充电的关键器件。系统工作原理如图1所示，键盘输入系统负责向显示控制系统提供按键信息，对显示控制系电压、电流进行设定，设定完后STC12C5410AD将产生一定占空比的PWM波，经过滤波放大后变为低电平，加到SG3525A关闭端，使电源开始工作。同时，STC12C5410AD内集成的10位A／D转换器将电压、电流采样电路提供的模拟量转换成代表实际电压、电流的数字量，然后通过液晶显示出来。随着充电的进行，当实际电压值大于设定值时，同样产生一定占空比的PWM波，经过滤波放大后变为高电平，加到SG3525A关闭端，使电源停止工作。对于电流的调节，单片机将根据设定电流值的大小输出相应占空比的PWM波，然后经过滤波后加到SG3525A同相输入端，反相输入端则与电流采样电路相连，形成反馈回路，从而控制充电电流的大小，实现恒流充电。

    电源充电的具体过程如图2所示，当系统上电后，液晶屏显示“欢迎使用本电流源，充电请按1，查询请按2”，当充电参数设置完后，开始充电，充电过程中，如果检测到电压、电流过大或过小，系统将控制电源停止工作，同时液晶屏将根据故障类型进行相应显示。

2 系统硬件设计
2．1 控制系统电路设计
    由于系统需要的I／O口较多，因此控制系统采用STC12C5410AD和AT89C2051两片单片机。控制系统电路如图3所示。键盘采用的是4×4矩阵式键盘，这样可以节省很多I／O资源，R0～R3与从机AT89C2051的P1口低4位相连，C0～C3与P1口高4位相连，利用查询方式扫描键盘的按下情况；由于无需远距离传输，液晶与主机STC12C5410AD采用并行方式连接，以P2口作为数据口，控制端RS、读／写端RW、使能端E分别与P3．3，P3．4，P3．5引脚相连；用P1．0和P1．2作为A／D转换口，P3．5和P3．7引脚作为PWM波输出口，PWM0控制充电电流大小，PWM1控制充电的开始与结束。为提高系统在高压，强电磁干扰环境下的可靠性，采用了外接看门狗的方式，单片机P3．2引脚和RST引脚分别与MAX6304的看门狗检测器输入引脚WDI与复位引脚RST相连，同时两个单片机通过串行口连接。

2．2 采样电路设计
    采样电路包括电压采样电路和电流采样电路，首先介绍电流采样电路，其电路如图4所示。图中电流经过电流传感器后输出电压信号，电压信号加到由R3，R4，LM358，C2组成的积分运算放大电路后，输出信号一方面送给A／D转换器和SG3525A反相输入端，另一方面经由LM358等构成的比较器后，加到3525关闭端，形成过流保护电路。R1为电流传感器所带负载电阻，C1，C3为滤波电容，D1为二极管，并到C1上是为了吸收负脉冲，以保护LM358。
    电压采样电路如图5所示，高压经限流电阻后，变为小于5 mA的电流信号，然后利用光耦P521(5 mA以下电流时，光耦呈线性)将电流信号转化为电压信号，实现高压与低压的隔离，提高系统抗干扰性。光耦输出的电压一方面送给A／D转换器，另一方面经由LM358等构成的比较器后，加到SG3525A关闭端，形成过压保护。

3 系统软件设计
    系统的软件设计主要实现5个功能：键盘输入；液晶显示；串行通信；A／D转换和PWM波输出。软件设计程序主要包括主机(STC12C5410 AD)程序、从机(AT89C2051)程序、液晶显示程序、A／D转换程序以及PWM波输出程序，下面主要介绍前两项。
3．1 主机程序流程图
    主机主要用于接收从机信息、控制液晶显示、启动A／D转换、输出PWM波，是整个监控系统的核心，其程序流程图如图6所示。系统上电后初始化，初始化包括A／D初始化、液晶初始化、串口初始化、PWM输出初始化，初始化后系统处于待命状态，当接收到从机发来信息后，根据按键信息调用相应的子程序，比如设定充电电压子程序等。开始充电后，启动A／D转换，并根据设定电流值大小输出相应占空比的PWM波，之后不断比较电压设定值与采样值的大小，当检测到采样值大于设定值后，发出断电信号。

3．2 从机程序流程图
    从机主要负责扫描键盘的按下情况并将按键信息发送给主机，其程序流程图如图7所示。系统上电后直接对串行通信的波特率进行设定，之后对键盘按键情况进行扫描，为了消除抖动，当检测到按键信息后，延时20 ms，再检测按键信息是否存在，存在则确定有按键按下，然后把代表按键的信息发送给主机，发送完成后接着扫描按键情况。

4 系统优化设计
4．1 可靠性设计
    监控系统可以使电源的充电方式由手动式变为程控式，实现充电过程自动化，但由于工作在高压环境下，系统可靠性有所下降，为提高系统可靠性，采取以下3个措施：
    (1)增加外部单片机监控电路(看门狗电路)，选择的芯片为Maxim公司的MAX6304芯片。该芯片同时具有复位和看门狗功能，同时据有看门狗超时时间可调的特性，这样可以通过测试最大程序循环周期，然后据此设置比其略大的超时时间，从而保证程序跑飞后，在最短时间内复位。
    (2)采用光耦进行高压与低压的隔离，以提高系统抗干扰性。
    (3)在对键盘输入系统进行软件设计时，将按键功能动作互锁，避免误操作。
4．2 精密化设计
    高压充电电源主要技术指标一般为电压精度、充电速度和控制方式等。为了提高充电电压精度，采取了以下两个措施：
    (1)采用软件设计的方法，提高系统精度。为了提高系统抗干扰性，利用光耦进行隔离。但由于光耦并非完全线性的，这就使得采样得到的电压易出现较大误差。为此首先通过试验的方法测出光耦的线性曲线，然后将通过软件设计的方法进行拟合。下面以10 kV充电电源监控系统为例进行说明，经试验测得在0～750 V，750～3 000 V，3 000～10 000 V三个区间内光耦线性度较好。因此进行数据处理时，也分区间进行，假设三个区间的比例函数分别为f(1)，f(2)，f(3)，则其软件流程图如图8所示。

    (2)利用SG3525A输出的基准电压作为光耦的输入电压，保证输入电压稳定性。

5 试验
    鉴于10 kV恒流充电电源尚处于测试阶段，系统性能的测试采用了模拟的方式。试验主要测试了系统可靠性和采样精度，试验电路图如图9所示。其中12 V电源电压可调，其变化范围为0～12 V，通过取点法，对比实际电压值与经A／D转换后的液晶显示值，然后用Origin进行拟合，拟合曲线如图10所示。其中B代表实际电压值，C代表液晶显示的电压值，由图可看出系统显示电压值与实际电压值基本一致，误差小于1％。

6 结语
    为了适应高压电源发展的趋势，设计了一种用于高压恒流充电电源的监控系统，使传统的充电方式由手动式变为数字式。经模拟充电试验表明，该系统具有操作方便，可靠性高，精度高的优点，但由于只是模拟试验，缺少了强电磁干扰环境，可靠性还有待进一步验证，但基于它的种种优越性，其应用前景还是比较广泛的。