基于單片機的智能防腐電源的設(shè)計和實現(xiàn)

目前國內(nèi)使用的防腐電源主要是磁放大式和晶閘管式的防腐電源，其缺點是空載電流大，功率因數(shù)低，能耗高，可靠性差，而且工作電流過大時，主變壓器便會出現(xiàn)較大的震動噪音，這些缺點是普通防腐電源所共有的。以單片機控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)而設(shè)計的新一代智能防腐電源不但電路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、價格低廉、性能卓越，而且由于單片機具有計算和控制能力，利用它對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行各種計算，從而可排除和減少干擾信號和模塊電路引起的誤差，大大提高電源系統(tǒng)輸出電壓和輸出電流的精度，降低了對模擬電路的要求，克服了傳統(tǒng)防腐電源的缺點。

設(shè)計原理

防腐電源現(xiàn)有的設(shè)計方法大多數(shù)是采用TL 494或SG3525A等專用PWM控制芯片，該設(shè)計方法不易調(diào)整，隨著負(fù)載的變化，輸出直流電壓變化范圍大，當(dāng)過負(fù)載時，切斷輸出、短路保護(hù)和過熱保護(hù)的時間不易控制，當(dāng)短時間出現(xiàn)過載時，即使系統(tǒng)恢復(fù)正常，也不能重新啟動，而且電路比較復(fù)雜。將單片機技術(shù)、自動控制中的反饋技術(shù)及電力電子技術(shù)應(yīng)用于開關(guān)電源的設(shè)計中，用軟件控制產(chǎn)生高頻的PWM信號，實現(xiàn)了電源的智能化，取代了TL 494或SG 3525A等專用PWM控制芯片，很好地解決了上述問題，同時大大提高了電源的可靠性和控制精度。

本智能防腐電源系統(tǒng)以傳統(tǒng)的防腐電源為基礎(chǔ)，以高性能單片機系統(tǒng)為控制核心，組成數(shù)據(jù)處理電路；通過對開關(guān)電源的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，再與給定的電壓、電流數(shù)據(jù)比較，結(jié)合檢測和控制軟件，不斷的更新控制脈沖，從而調(diào)整防腐電源的工作狀態(tài)，其工作原理框圖如圖1所示。

市電經(jīng)整流、濾波變成直流電送入開關(guān)調(diào)整電路，開關(guān)調(diào)整電路在單片機輸出的脈沖信號的控制下輸出穩(wěn)定的直流電。用戶可根據(jù)需要通過鍵盤給定穩(wěn)壓電源輸出的電壓值及最大輸出電流值，單片機系統(tǒng)自動對電源輸出電壓和電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并與用戶給定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)設(shè)置的調(diào)整算法控制開關(guān)調(diào)整電路，使電源輸出電壓符合給定值，單片機在調(diào)整電源輸出電壓的同時還要檢測電路的輸出電流，若超過給定值，就啟動保護(hù)電路。

硬件設(shè)計

功率單元的設(shè)計

智能防腐電源系統(tǒng)主要包括功率單元和控制單元兩部分，功率單元由輸入回路、功率轉(zhuǎn)換電路和輸出回路三部分構(gòu)成，設(shè)計中采用開關(guān)器件較少的半橋結(jié)構(gòu)，功率單元電路結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

控制單元的設(shè)計

單片機系統(tǒng)的組成和工作原理

智能防腐電源的單片機系統(tǒng)是以80C51為CPU，包括6K ROM(27128程序存儲器) 以及1K EEPROM。EEPROM是用來保存最后一次從鍵盤輸入的電壓、電流數(shù)據(jù)以及脈寬調(diào)整數(shù)據(jù)等，每次開機時單片機從EEROM中讀出數(shù)據(jù)控制電源輸出。另外還采用一片8155來擴展8051的I/O口，其中8155的A口作輸出，提供開關(guān)調(diào)整電路激勵脈沖信號；B口作鍵盤輸入口。此外還可以通過RS-485與電源的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，具體系統(tǒng)框圖如圖3所示。

單片機系統(tǒng)通過電流、電壓傳感器檢測電流和電壓，獲得兩路模擬信號，先通過各自放大器放大成與A/D轉(zhuǎn)換器相匹配的信號，經(jīng)多路模擬開關(guān)CD4052送給A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換期間，通常要求輸入的模擬量應(yīng)保持不變，以保證A/D轉(zhuǎn)換器準(zhǔn)確工作，因此采樣信號應(yīng)送至采樣保持電路（亦稱采樣保持器）進(jìn)行保持。由單片機CPU控制選擇有關(guān)通道進(jìn)行分時切換，實現(xiàn)二選一，依次將兩路模擬信號送至AD 574轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號，送入8031單片機。在智能型防腐電源的設(shè)計中，A/D轉(zhuǎn)換電路和脈寬調(diào)制信號輸出電路是保證電源良好性能的最關(guān)鍵部件。

PWM控制信號發(fā)生原理

為了精確控制開關(guān)電路的電壓輸出，本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制的控制方式調(diào)節(jié)開關(guān)管的工作狀態(tài)。單片機把給定值與傳感器采集的信號進(jìn)行比較產(chǎn)生誤差信號，結(jié)合改進(jìn)的PID控制算法，設(shè)置8155，從而產(chǎn)生不同占空比(0～99%)的方波信號，通過光電耦合器控制開關(guān)調(diào)整電路輸出設(shè)定的電壓。采用改進(jìn)的PID控制算法，它使得輸出電壓調(diào)整快、超調(diào)量小、性能穩(wěn)定。

軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要用來實現(xiàn)以下功能：主要完成對信號的采集，對各種數(shù)據(jù)的處理，以及對功率轉(zhuǎn)換部分的相應(yīng)控制，本系統(tǒng)軟件控制著智能防腐電源有條不紊的工作。主程序流程圖如圖4所示。

在系統(tǒng)軟件中，首先將80C51各個口復(fù)位，然后從EEPROM中讀出上次關(guān)機前存入的數(shù)據(jù)，控制開關(guān)電路。初始化完成后，開中斷。若有中斷請求則響應(yīng)，否則進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣并讀給定值，將反饋電壓值與給定電壓值相比較后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，按照電壓控制算法（PID算法）重新設(shè)置脈寬，得出驅(qū)動波形所應(yīng)有的占空比，然后輸出合適的波形，以此來控制輸出電壓，使電源輸出穩(wěn)定在所要求的電壓，從而激勵開關(guān)電路。

調(diào)試結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計已經(jīng)研制出樣機，經(jīng)過實際調(diào)試：當(dāng)輸入220V、50Hz的交流電源電壓時，可以輸出0-24V的連續(xù)可調(diào)的直流電壓，完全達(dá)到技術(shù)要求，并且運行穩(wěn)定，安全可靠，噪音低，維護(hù)方便。當(dāng)電源系統(tǒng)輸出為12V的電壓時，脈寬調(diào)制信號波形如圖5（a）所示，經(jīng)過整流、濾波，最后輸出的直流波形如圖5（b）所示。由輸出電壓波形可以看到，輸出電壓穩(wěn)定可靠，而且波形比較平滑，紋波較小。在防腐電源外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中，該防腐電源能提供一個穩(wěn)定可靠的直流電流以供給陰極保護(hù)用，具有實際應(yīng)用價值，效果良好。

結(jié)論

利用軟件的方法實現(xiàn)對電源主電路的控制，切實可行，而且簡化了硬件電路，同時便于參數(shù)調(diào)整，提高了開關(guān)電源使用的靈活性。目前我國防腐電源的設(shè)計、研制和應(yīng)用仍處于初期階段，但是應(yīng)用前景廣闊，有待進(jìn)一步深入的研究，從而更好地為防腐電源的設(shè)計與應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和研究參考。文中所設(shè)計的智能防腐電源不僅能作為常規(guī)的防腐電源使用，而且可以通過軟件編程控制的方法，使穩(wěn)壓電源產(chǎn)生連續(xù)變化的輸出電壓。

參考文獻(xiàn):
[1]. SG3525A datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/SG3525A_606093.html.
[2]. 80C51 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/80C51_103447.html.
[3]. RS-485 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/RS-485_584821.html.