郭凱明

摘要：為了解決當(dāng)前礦用直流穩(wěn)壓電源電氣性能測(cè)試時(shí)需要的裝置分散繁雜，測(cè)試計(jì)算過(guò)程繁瑣的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于STM32F407VET6單片機(jī)的集成化礦用直流穩(wěn)壓電源性能測(cè)試裝置。先分析了當(dāng)前礦用直流穩(wěn)壓電源電氣性能試驗(yàn)需要用到的設(shè)備及測(cè)試步驟，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前測(cè)試AC電源，負(fù)載都是分立，負(fù)載值需要手動(dòng)調(diào)整，測(cè)試結(jié)果需要手動(dòng)計(jì)算，通過(guò)設(shè)備整合及單片機(jī)的應(yīng)用能簡(jiǎn)化設(shè)備及流程。測(cè)試裝置主要由交流電源輸出、直流電源輸入、模擬負(fù)載、運(yùn)行控制等單元組成?？蓪?shí)現(xiàn)ACO～1254V井下交流電壓輸出及對(duì)被測(cè)直流穩(wěn)壓電源輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差、輸入電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、過(guò)流保護(hù)值和短路電流值進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)能自動(dòng)處理計(jì)算并將顯示結(jié)果在工控機(jī)顯示屏上。該裝置的使用可以大大提高礦用直流穩(wěn)壓電源電氣性能測(cè)試的效率，并減少測(cè)試所有設(shè)備數(shù)量。

關(guān)鍵詞：礦用直流電源;單片機(jī);性能測(cè)試

中圖分類號(hào)：TM930

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492f 2022）02-0141-04

0 引言

礦用直流穩(wěn)壓電源可為各類礦用安全儀器儀表、傳感器及電氣設(shè)備供電，是這些裝置能正常運(yùn)行的必要條件，其生產(chǎn)廠家和型號(hào)也在日益增多[1-4]。供電電源的主要性能直接影響著礦山使用的各種檢測(cè)儀表的穩(wěn)定性和有效性。供電電源輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差，交流輸入電壓波動(dòng)時(shí)輸出的穩(wěn)定性，負(fù)載變化時(shí)對(duì)輸出功率的影響等都會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中造成供電不穩(wěn)定，從而影響各種安全檢測(cè)儀器儀表的可靠性。嚴(yán)重時(shí)，各種儀器儀表不能正常工作，可能會(huì)導(dǎo)致礦山事故等一系列安全問(wèn)題。因此，對(duì)礦用直流穩(wěn)壓電源的主要性能進(jìn)行測(cè)試是非常重要的。我國(guó)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心測(cè)試直流穩(wěn)壓電源時(shí)必須單獨(dú)提供的交流電源，并需配備電阻箱滿足被測(cè)電源容量要求[5]。同時(shí)還需要單獨(dú)的電壓電流檢測(cè)儀器來(lái)采集信號(hào)，測(cè)試結(jié)果也需要人工計(jì)算，這個(gè)過(guò)程非常繁瑣，無(wú)論是時(shí)間上還是實(shí)際操作上都比較落后。因此研究礦用自動(dòng)直流穩(wěn)壓電源電氣性能測(cè)試設(shè)備是非常必要的。

本文通過(guò)將礦用直流穩(wěn)壓電源性能測(cè)試需要的各種儀器設(shè)備整合在一起，并且通過(guò)單片機(jī)這一“大腦”統(tǒng)一調(diào)度各模塊的工作，大大簡(jiǎn)化了測(cè)試需要的時(shí)間和難度，縮短了廠家電源做測(cè)試認(rèn)證需要的時(shí)間，間接促進(jìn)了行業(yè)的發(fā)展。

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試裝置設(shè)計(jì)方案

該裝置由直流電源輸入、交流電源輸出、可變模擬負(fù)載、運(yùn)行控制器等單元組成，測(cè)試人員通過(guò)T控機(jī)與該裝置進(jìn)行人機(jī)交互，可以自動(dòng)選擇交流輸出和直流輸入的各種模式。通過(guò)改變被測(cè)直流電源輸入電壓及模擬負(fù)載的大小，可以對(duì)輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差、輸入電壓/負(fù)載調(diào)整率、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)等項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)可自動(dòng)計(jì)算處理并通過(guò)工控機(jī)配備的顯示器顯示結(jié)果。系統(tǒng)框圖如圖1所示。交流電源輸出模塊電壓等級(jí)可由T控機(jī)選擇，工控機(jī)與中央處理器（STM32F407VET6單片機(jī)）相連接，向交流電源控制電路發(fā)出指令，改變交流電壓（ACO - AC1254 V）。同時(shí)，工控機(jī)也可以控制被測(cè)直流電源在“空載”、“負(fù)載”、“短路”模式之間的切換，中央處理器（STM32F407VET6單片機(jī)）向模擬負(fù)載控制電路和直流電源控制電路發(fā)送指令，直流電源控制電路與模擬負(fù)載電路相連，模擬負(fù)載根據(jù)指令工作在相應(yīng)模式下。選擇不同的負(fù)載模式時(shí)，負(fù)載盒指示燈會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，方便測(cè)試人員觀察判斷。直流電源控制電路與直流電源輸入電路相連，被測(cè)直流電源在空載和負(fù)載模式下的輸出電壓和電流數(shù)據(jù)會(huì)被采集。采樣電路通過(guò)RJ45網(wǎng)口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)，工控機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)處理即可測(cè)出輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差，輸入電壓/負(fù)載調(diào)整率、過(guò)流保護(hù)值和短路保護(hù)值，并通過(guò)顯示器顯示結(jié)果。

1.2 中央處理器的設(shè)計(jì)

中央處理器采用嵌入式STM32F407VET6微控制器，是基于高性能ARM和RISC內(nèi)核的32位微控制器，工作頻率高達(dá)168 MHz，具有單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU），支持所有ARM單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型。它還有一套完整的DSP指令和內(nèi)存保護(hù)單元（MPU），可以增強(qiáng)應(yīng)用程序的安全性。它還具有高速嵌入式存儲(chǔ)器（閃存高達(dá)1 Mbyte，SRAM高達(dá)192 kB），備份SRAM高達(dá)4 kB，以及各種增強(qiáng)型I/O和外圍APB總線[6]。

2 交流電源輸出單元的設(shè)計(jì)

測(cè)試裝置包括交流電源輸出和直流電源輸入兩大功能，交流電源輸出的電壓等級(jí)可根據(jù)實(shí)際需要選擇。

交流電源輸出單元主要由交流輸出控制電路（圖2）和交流電源輸出電路（圖3）構(gòu)成。當(dāng)測(cè)試人員通過(guò)工控機(jī)選擇好交流輸出電壓時(shí)，工控機(jī)向中央處理器發(fā)送指令，中央處理器將相關(guān)指令處理后對(duì)應(yīng)PIN腳會(huì)輸出一個(gè)高電平至交流輸出控制電路（到圖2中的RANCEl/2/3/3），該電平信號(hào)經(jīng)光耦合器隔離后傳輸至交流電源輸出電路，使對(duì)應(yīng)的MOSFET導(dǎo)通，中間繼電器吸合，輸出選擇信號(hào)，中間繼電器控制高壓交流繼電器導(dǎo)通，最終使相應(yīng)的交流輸出支路導(dǎo)通，從而輸出相應(yīng)量程的交流電壓。

交流電源輸出單元共有10個(gè)中間繼電器和10個(gè)高壓繼電器，中間繼電器由交流電源輸出電路直接控制，高壓繼電器由中間繼電器控制，可實(shí)現(xiàn)交流輸出電壓范圍0- 1254 V。

3 直流電源輸入單元設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)方案

當(dāng)被測(cè)直流電源接在該測(cè)試裝置后，可以通過(guò)調(diào)節(jié)模擬負(fù)載的值來(lái)調(diào)節(jié)被測(cè)直流電源的輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源輸出電壓偏差值、源/負(fù)載影響、過(guò)流保護(hù)值、短路保護(hù)值的測(cè)試。

直流電源輸入電路如圖4所示，被測(cè)直流穩(wěn)壓電源連接到被測(cè)源接口，控制板的輸入端與直流電源控制電路相連，如圖5所示。選擇空載或負(fù)載模式后，工控機(jī)向中央處理器發(fā)送指令。中央處理器將處理后的指令發(fā)送至直流電源控制電路，直流電源控制電路將控制直流電源輸入電路中的繼電器，繼電器觸點(diǎn)為1時(shí)，處于負(fù)載模式，觸點(diǎn)為2時(shí)R38阻值很大，處于空載模式。整機(jī)中圖4所示的模塊有多個(gè)，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的寬范圍調(diào)節(jié)。直流電源輸入電路中的信號(hào)采樣電路將采集被測(cè)電源的電壓和電流信息，R40為電流采樣電阻，可將電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。采集到的電壓和電流值先送到單片機(jī)進(jìn)行處理，結(jié)果回傳給工控機(jī)進(jìn)行顯示。

同時(shí)，測(cè)試人員可以對(duì)模擬負(fù)載的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)[7-12]，在工控機(jī)界面選擇好負(fù)載大小時(shí)，工控機(jī)傳送指令到單片機(jī)，單片機(jī)解析指令后，對(duì)應(yīng)PIN腳發(fā)送高電平至模擬負(fù)載控制電路（圖6），它與模擬負(fù)載電路相連。選擇不同負(fù)載模式時(shí)控制指令使相應(yīng)通道繼電器導(dǎo)通，圖6中的F11/F12/F13/F14均控制一路繼電器的通斷，不同負(fù)載模式的繼電器不能同時(shí)導(dǎo)通。導(dǎo)通繼電器對(duì)應(yīng)的模擬負(fù)載接入使用。測(cè)試人員可通過(guò)調(diào)節(jié)模擬負(fù)載的大小，得到不同負(fù)載條件下被測(cè)直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓和電流，這些信息被采樣電路采集后送人單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，最終得到被測(cè)電源的各項(xiàng)性能指標(biāo)值。同時(shí)負(fù)載箱根據(jù)發(fā)送的控制指令不同而點(diǎn)亮相應(yīng)指示燈，方便測(cè)試人員判斷工作狀態(tài)。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

該裝置通過(guò)檢測(cè)不同模擬負(fù)載下被測(cè)直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓和電流值，從而對(duì)輸出電壓偏差值、負(fù)載/源極影響、過(guò)流保護(hù)值和短路電流值等電氣性能進(jìn)行測(cè)試。

工控機(jī)接收到數(shù)據(jù)采集器傳輸?shù)臏y(cè)試數(shù)據(jù)后，計(jì)算電壓偏差值、輸入電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率，分別如下。

（1）電壓偏差值

式中：△U0為被測(cè)直流電源輸出穩(wěn)態(tài)電壓與額定輸出電壓的差值，Ux為被測(cè)直流電源標(biāo)稱的額定輸出電壓。

在負(fù)載電流為0和負(fù)載電流為額定值，且輸入電壓在最小值、額定值、最大值時(shí)各測(cè)試一次，取最大的一個(gè)值作為被測(cè)直流電源的輸出電壓偏差。

（2）輸入電壓調(diào)整率

式中：AU0為被測(cè)直流電源負(fù)載電流從0階躍變化到額定值時(shí)穩(wěn)態(tài)輸出電壓的差值;Uo為額定負(fù)載電流時(shí)的穩(wěn)態(tài)輸出電壓。

在輸入電壓為最小值、額定值、最大值時(shí)各測(cè)量計(jì)算一次，選取最大的一個(gè)值作為其負(fù)載調(diào)整率B。

（3）負(fù)載調(diào)整率

式中：AUi為額定負(fù)載電流時(shí)，額定輸入電壓時(shí)的穩(wěn)態(tài)輸出電壓;U1為被測(cè)直流電源輸入電壓從最小值階躍變化到額定值，額定值階躍變化到最大值時(shí)，穩(wěn)態(tài)輸出電壓的差值中大的那個(gè)值。

綜上所述，工控機(jī)會(huì)直接顯示計(jì)算出的輸出電壓偏差值，負(fù)載效應(yīng)、源效應(yīng)、測(cè)得的過(guò)流保護(hù)值和短路電流值該測(cè)試裝置實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測(cè)試，節(jié)省了大量計(jì)算測(cè)試結(jié)果和選擇模擬負(fù)載的時(shí)間，大大提高了測(cè)試效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)礦用直流穩(wěn)壓電源電氣性能測(cè)試中存在的設(shè)備分立繁雜，過(guò)程繁瑣的問(wèn)題，提出一種可提供交流電壓輸出并實(shí)現(xiàn)電氣性能自動(dòng)測(cè)試的測(cè)試裝置，其功能如下：（1） ACO -1 254 V電壓可提供給外部設(shè)備，被測(cè)直流電源也可使用;（2）輸出電壓偏差值、負(fù)載調(diào)整率、輸入電壓調(diào)整率、過(guò)流保護(hù)值和短路保護(hù)值可自動(dòng)測(cè)試;（3）測(cè)量結(jié)果可通過(guò)顯示器直觀顯示，提高了測(cè)試效率效率。

該裝置通過(guò)將AC輸入源和模擬負(fù)載整合到一臺(tái)機(jī)器中，減少了測(cè)試過(guò)程中使用的設(shè)備，縮短了設(shè)備準(zhǔn)備及連接的時(shí)間和工作量，同時(shí)該裝置采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，替代人工記錄運(yùn)算，減輕了測(cè)試人員負(fù)擔(dān)，同時(shí)大大縮短了測(cè)試需要的時(shí)間。

該裝置也有改進(jìn)空間，主要是其輸出的交流電壓無(wú)法自動(dòng)連續(xù)調(diào)劑，調(diào)節(jié)步進(jìn)較大，在某些應(yīng)用中，需要配合手動(dòng)調(diào)節(jié)的隔離變壓器來(lái)輸出需要的交流電壓值。

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