李思杰 徐江紅 徐 亮*

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214153）

由于有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)供電的要求比較高，供電電壓的波動(dòng)往往會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的工作狀態(tài)造成影響，甚至造成實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞，因此很有必要采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

文獻(xiàn)[1]介紹了一種利用多個(gè)集成運(yùn)放構(gòu)成的過壓、欠壓及掉電檢測(cè)電路，并通過仿真驗(yàn)證了方案的可行性；文獻(xiàn)[2]介紹了一種基于MOSFET 的改進(jìn)型欠壓保護(hù)電路，具備精度高且易于調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)；文獻(xiàn)[3]介紹了一種基于單片機(jī)技術(shù)的礦井交流接觸器自動(dòng)投切裝置，能在過載、缺相、過壓、欠壓等情況下迅速響應(yīng)來(lái)達(dá)到保護(hù)用電設(shè)備的目的。

本文介紹了一種應(yīng)用于本校某實(shí)驗(yàn)樓的欠壓報(bào)警裝置，這是由于該實(shí)驗(yàn)樓供電不穩(wěn)，偶爾會(huì)出現(xiàn)欠壓情況，因此部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用了UPS（Uninterruptible Power Supply，不間斷電源）供電，但是雖然UPS 能夠在供電異常時(shí)自動(dòng)對(duì)設(shè)備供電，卻沒有相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，本設(shè)計(jì)很好的解決了這一問題，能在欠壓情況發(fā)生時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示教師指導(dǎo)學(xué)生對(duì)設(shè)備進(jìn)行正常的關(guān)機(jī)操作。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1 所，首先通過降壓變壓器將220V 市電降壓至2.2V交流信，然后通過橋式整流電路將交流信號(hào)整流為脈動(dòng)信號(hào)，接著將脈動(dòng)信號(hào)送給ADC（Analog-to-Digital Converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量之后交由處理器（即單片機(jī)）進(jìn)行計(jì)算。

市電為50Hz 工頻交流電，周期即為20ms，脈動(dòng)信號(hào)周期為10ms。如圖2 所示，當(dāng)采樣周期設(shè)定為10ms，即t1為采樣起始時(shí)間點(diǎn)，t2為采樣結(jié)束時(shí)間點(diǎn)，t2-t1=10ms 時(shí)，一定包含一個(gè)脈動(dòng)的峰值，只要ADC 采樣頻率足夠快，在10ms 周期內(nèi)采集到的的最大電壓信號(hào)值就可以認(rèn)為就是脈動(dòng)信號(hào)的峰值。

2 電路設(shè)計(jì)

報(bào)警裝置電路如圖3 所示。

變壓器采用了定制的220V/2.2V 變壓器，目的是將市電降壓為有效值2.2V 的交流電壓信號(hào)，2.2V 的交流電壓信號(hào)峰值為3.11V，這么做的目的是因?yàn)楸痉桨覆捎昧?.3V 供電的單片機(jī)，整個(gè)信號(hào)處理電路的工作電壓絕對(duì)不能超過3.3V。

變壓器降壓形成的交流電壓信號(hào)接下來(lái)被送到橋式整流電路進(jìn)行整流，使用橋式整流電路的目的有二：一是因?yàn)楸痉桨钢惺褂玫腁DC 只能轉(zhuǎn)換0～3.3V 之間的電壓信號(hào)，不能轉(zhuǎn)換低于0V 的負(fù)電壓信號(hào)；二是使用橋式整流電路形成的脈動(dòng)信號(hào)，周期減少為交流電壓信號(hào)周期的一半，如此采樣周期也只需要原來(lái)交流電壓信號(hào)的一半即可獲取當(dāng)前交流信號(hào)的峰值。

處理器采用了來(lái)自意法半導(dǎo)體基于ARM Cortex-M4 內(nèi)核的32 位單片機(jī)STM32F407ZET6。該單片機(jī)本身已內(nèi)置3 組高性能ADC，每組ADC 的最高工作頻率可達(dá)36MHz，最大采樣頻率為2.4MHz， 最高分辨率位12 位。 這也就是說，STM32F407ZET6 內(nèi)置ADC 最快每0.417μs 就能轉(zhuǎn)換一個(gè)電壓模擬量信號(hào)，在如圖2 所示的一個(gè)采樣周期內(nèi)，最多能采樣23980 個(gè)電壓信號(hào)數(shù)據(jù)，采樣頻率絕對(duì)滿足任務(wù)需求，因此橋式整流電路的輸出端被直接接到STM32F407ZET6 的一個(gè)ADC 輸入端，無(wú)需額外再增加獨(dú)立的ADC 芯片。

電路采用5V 直流穩(wěn)壓電源供電，穩(wěn)壓電源輸出的5V 直流電壓經(jīng)AMS1117-3.3 獲得3.3V 直流電壓后作為單片機(jī)電源。AMS1117-3.3 屬于LDO（Low Dropout Regulator，低壓差線性穩(wěn)壓器）芯片，能將輸入的4.75V～12V 之間的直流電壓穩(wěn)定輸出為3.3V 的直流電壓，輸出電流最大可達(dá)800mA，是STM32 單片機(jī)常見的穩(wěn)壓芯片之一。

報(bào)警方式采用蜂鳴器，由單片機(jī)直接輸出一定頻率的脈沖驅(qū)動(dòng)。

3 程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序由意法半導(dǎo)體推出的STM32 程序免費(fèi)開發(fā)套件STM32CubeIDE 開發(fā)而成，程序流程如圖4 所示。

圖4 單片機(jī)程序流程

單片機(jī)首先上電初始化，然后啟動(dòng)定時(shí)器以10ms 為周期開始計(jì)時(shí)，接著單片機(jī)啟動(dòng)ADC 進(jìn)行模擬量電壓信號(hào)的重復(fù)采樣，10ms 計(jì)時(shí)周期結(jié)束后，單片機(jī)便在這10ms 內(nèi)獲取的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果中搜索最大值，值得一提的是，實(shí)際上并不需要23980個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果這么多，僅需均勻的采集200 個(gè)信號(hào)值足矣。最后將獲取的電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)字量與設(shè)定的最低工作電壓峰值的1%對(duì)應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)行比較，即可判斷此時(shí)供電電源是否欠壓，并以此作為是否啟動(dòng)報(bào)警信號(hào)的依據(jù)。

本設(shè)計(jì)中的ADC 采用了DMA（Direct Memory Access，直接存儲(chǔ)器訪問）工作方式，即當(dāng)ADC 采用DMA 工作方式時(shí)，一經(jīng)啟動(dòng)，ADC 無(wú)需通過CPU 干預(yù)，可自動(dòng)重復(fù)對(duì)指定通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字量結(jié)果被直接存入指定的內(nèi)存片段之中，也就說當(dāng)需要ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果的時(shí)候僅需在指定的內(nèi)存片段中直接讀取數(shù)字量轉(zhuǎn)換結(jié)果即可。具體的程序?qū)崿F(xiàn)方式是，利用STM32 單片機(jī)的定時(shí)器中斷，每50μs 讀取一次ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果并依次存入指定的長(zhǎng)度為200 的數(shù)組之中，當(dāng)數(shù)組被填滿之時(shí)即完成一個(gè)采樣周期之時(shí)，接下來(lái)在數(shù)組中找出最大值即為波峰值，然后就是判斷是否欠壓，若欠壓則啟動(dòng)報(bào)警程序。

4 結(jié)論

盡管實(shí)驗(yàn)設(shè)備均有UPS 保護(hù)，但由于經(jīng)費(fèi)所限，配備的UPS容量較小，最多只能保證穩(wěn)定供電5 分鐘。本設(shè)計(jì)能夠在電網(wǎng)供電欠壓的情況下，迅速發(fā)出報(bào)警信號(hào)，第一時(shí)間提醒教師引導(dǎo)學(xué)生正常關(guān)閉實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以達(dá)到保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的目的。