高压恒流充电电源监控系统设计

摘要：介绍了基于单片机的10 kV恒流充电电源监控系统设计。系统采用STC12C5410AD单片机作为控制的核心，利用AT89C2051单片机采集按键信息，通过采样电路获取充电过程中的电压、电流信息，然后在STC12C5410AD单片机的控制下，利用JHD12864F液晶显示器对充电参数及可能出现的故障进行显示，实现了对充电过程的数字化控制。鉴于系统工作在高压环境下，为提高系统可靠性、抗干扰能力以及充电的精度，在硬件设计和软件设计方面对系统进行了优化。经试验测试，该系统具有可靠性好，抗干扰能力强，精度高的优点。
关键词：高压恒流电源；单片机；液晶显示；优化

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。