基于單片機的智能防腐電源的設計和實(shí)現

目前國內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(diǎn)是空載電流大，功率因數低，能耗高，可靠性差，而且工作電流過(guò)大時(shí)，主變壓器便會(huì )出現較大的震動(dòng)噪音，這些缺點(diǎn)是普通防腐電源所共有的。以單片機控制系統為基礎而設計的新一代智能防腐電源不但電路簡(jiǎn)單、結構緊湊、價(jià)格低廉、性能卓越，而且由于單片機具有計算和控制能力，利用它對采樣數據進(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，克服了傳統防腐電源的缺點(diǎn)。

設計原理

防腐電源現有的設計方法大多數是采用TL 494或SG3525A等專(zhuān)用PWM控制芯片，該設計方法不易調整，隨著(zhù)負載的變化，輸出直流電壓變化范圍大，當過(guò)負載時(shí)，切斷輸出、短路保護和過(guò)熱保護的時(shí)間不易控制，當短時(shí)間出現過(guò)載時(shí)，即使系統恢復正常，也不能重新啟動(dòng)，而且電路比較復雜。將單片機技術(shù)、自動(dòng)控制中的反饋技術(shù)及電力電子技術(shù)應用于開(kāi)關(guān)電源的設計中，用軟件控制產(chǎn)生高頻的PWM信號，實(shí)現了電源的智能化，取代了TL 494或SG 3525A等專(zhuān)用PWM控制芯片，很好地解決了上述問(wèn)題，同時(shí)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以傳統的防腐電源為基礎，以高性能單片機系統為控制核心，組成數據處理電路；通過(guò)對開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行數據采樣，再與給定的電壓、電流數據比較，結合檢測和控制軟件，不斷的更新控制脈沖，從而調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(kāi)關(guān)調整電路，開(kāi)關(guān)調整電路在單片機輸出的脈沖信號的控制下輸出穩定的直流電。用戶(hù)可根據需要通過(guò)鍵盤(pán)給定穩壓電源輸出的電壓值及最大輸出電流值，單片機系統自動(dòng)對電源輸出電壓和電流進(jìn)行數據采樣，并與用戶(hù)給定數據進(jìn)行比較，根據設置的調整算法控制開(kāi)關(guān)調整電路，使電源輸出電壓符合給定值，單片機在調整電源輸出電壓的同時(shí)還要檢測電路的輸出電流，若超過(guò)給定值，就啟動(dòng)保護電路。

硬件設計

功率單元的設計

智能防腐電源系統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、功率轉換電路和輸出回路三部分構成，設計中采用開(kāi)關(guān)器件較少的半橋結構，功率單元電路結構簡(jiǎn)圖如圖2所示。

控制單元的設計

單片機系統的組成和工作原理

智能防腐電源的單片機系統是以80C51為CPU，包括6K ROM(27128程序存儲器) 以及1K EEPROM。EEPROM是用來(lái)保存最后一次從鍵盤(pán)輸入的電壓、電流數據以及脈寬調整數據等，每次開(kāi)機時(shí)單片機從EEROM中讀出數據控制電源輸出。另外還采用一片8155來(lái)擴展8051的I/O口，其中8155的A口作輸出，提供開(kāi)關(guān)調整電路激勵脈沖信號；B口作鍵盤(pán)輸入口。此外還可以通過(guò)RS-485與電源的監控系統進(jìn)行通訊，具體系統框圖如圖3所示。

單片機系統通過(guò)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(guò)各自放大器放大成與A/D轉換器相匹配的信號，經(jīng)多路模擬開(kāi)關(guān)CD4052送給A/D轉換器。A/D轉換器在進(jìn)行A/D轉換期間，通常要求輸入的模擬量應保持不變，以保證A/D轉換器準確工作，因此采樣信號應送至采樣保持電路（亦稱(chēng)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(shí)切換，實(shí)現二選一，依次將兩路模擬信號送至AD 574轉換器，進(jìn)行A/D轉換后變成數字信號，送入8031單片機。在智能型防腐電源的設計中，A/D轉換電路和脈寬調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(kāi)關(guān)電路的電壓輸出，本系統采用脈寬調制的控制方式調節開(kāi)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，結合改進(jìn)的PID控制算法，設置8155，從而產(chǎn)生不同占空比(0～99%)的方波信號，通過(guò)光電耦合器控制開(kāi)關(guān)調整電路輸出設定的電壓。采用改進(jìn)的PID控制算法，它使得輸出電壓調整快、超調量小、性能穩定。

軟件設計

系統軟件主要用來(lái)實(shí)現以下功能：主要完成對信號的采集，對各種數據的處理，以及對功率轉換部分的相應控制，本系統軟件控制著(zhù)智能防腐電源有條不紊的工作。主程序流程圖如圖4所示。

在系統軟件中，首先將80C51各個(gè)口復位，然后從EEPROM中讀出上次關(guān)機前存入的數據，控制開(kāi)關(guān)電路。初始化完成后，開(kāi)中斷。若有中斷請求則響應，否則進(jìn)行數據采樣并讀給定值，將反饋電壓值與給定電壓值相比較后，進(jìn)行數據處理，按照電壓控制算法（PID算法）重新設置脈寬，得出驅動(dòng)波形所應有的占空比，然后輸出合適的波形，以此來(lái)控制輸出電壓，使電源輸出穩定在所要求的電壓，從而激勵開(kāi)關(guān)電路。

調試結果

根據以上設計已經(jīng)研制出樣機，經(jīng)過(guò)實(shí)際調試：當輸入220V、50Hz的交流電源電壓時(shí)，可以輸出0-24V的連續可調的直流電壓，完全達到技術(shù)要求，并且運行穩定，安全可靠，噪音低，維護方便。當電源系統輸出為12V的電壓時(shí)，脈寬調制信號波形如圖5（a）所示，經(jīng)過(guò)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系統中，該防腐電源能提供一個(gè)穩定可靠的直流電流以供給陰極保護用，具有實(shí)際應用價(jià)值，效果良好。

結論

利用軟件的方法實(shí)現對電源主電路的控制，切實(shí)可行，而且簡(jiǎn)化了硬件電路，同時(shí)便于參數調整，提高了開(kāi)關(guān)電源使用的靈活性。目前我國防腐電源的設計、研制和應用仍處于初期階段，但是應用前景廣闊，有待進(jìn)一步深入的研究，從而更好地為防腐電源的設計與應用提供理論指導和研究參考。文中所設計的智能防腐電源不僅能作為常規的防腐電源使用，而且可以通過(guò)軟件編程控制的方法，使穩壓電源產(chǎn)生連續變化的輸出電壓。

參考文獻:
[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.