基于STM32 的本安電源的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本安電源有“ia”和“ib”兩個(gè)等級。在本文中介紹的本安電源是井下常用的“ia”等級，也就是說在一個(gè)故障，一套保護(hù)電路損壞的情況下也能繼續(xù)工作。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，煤礦井下作業(yè)環(huán)境中使用自動化設(shè)備的程度越來越高，各種檢測儀表大量涌現(xiàn)，致使本安電源在礦井中的使用越來越頻繁,同時(shí)對其參數(shù)要求和使用要求也越來越高。目前在煤礦井下本安電源已經(jīng)是一個(gè)不可替代的安全供電設(shè)備。通常情況下，煤礦井下存在瓦斯等爆炸性氣體，各種儀表都要求本安設(shè)計(jì)，但是在供電過程中，也需要本安電源來供電，以達(dá)到安全要求。這就要求本安電源在設(shè)計(jì)過程中一定要考慮到電路中電壓、電流以及功率等情況，某些特殊應(yīng)用還需要考慮到保護(hù)的速度等情況，作好充分的保護(hù)工作，以防止過壓或過流以及保護(hù)不及時(shí)而產(chǎn)生井下瓦斯氣體爆炸等情況，造成不必要的人員和財(cái)產(chǎn)損失[5]。

本質(zhì)安全型電源即本安電源,由于它通常有一個(gè)隔爆外殼，所以也叫做隔爆兼本安電源。在中國防爆國標(biāo)和煤礦行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對本安輸出特點(diǎn)有詳細(xì)規(guī)定。主要有：(1)輸出的電壓電流不能點(diǎn)燃周圍的可燃?xì)怏w;(2)本安與非本安之間必須有可靠的隔離[2];(3)輸出保護(hù)必須采用雙重保護(hù)機(jī)制[3];(4)有后備電源的要求采用安全系數(shù)高的環(huán)保型鎳氫或磷酸鐵鋰電池,并同時(shí)滿足GB3836.4-2010中第10條和MT/T1051-2007《礦燈用鋰離子蓄電池》的安全規(guī)定[4]。上述這些要求同時(shí)也給設(shè)計(jì)本安電源提供了努力的方向。

1 本安電源的組成及工作原理

1.1 電源

本系統(tǒng)中本安電源的輸入+Vin、-Vin為48 V直流電源，經(jīng)過DC/DC電源轉(zhuǎn)換模塊(U1)輸出12 V直流電，U2是7805 穩(wěn)壓模塊， 把12 V 直流電穩(wěn)壓輸出5 V 電壓為比較器提供電源。圖1 中R1是第1級過流保護(hù)采樣電阻，R2是第2 級過流保護(hù)采樣電阻， 采樣電阻把電流值轉(zhuǎn)換為電壓值GND1、GND2以便使用STM32進(jìn)行過流監(jiān)控。

圖1 工作原理

1.2 主回路

由于本系統(tǒng)是基于STM32 的本安電源的監(jiān)控，圖2 是主回路， 圖中UrU1、UrU2和UrUrout

是采樣電壓，STM32 通過監(jiān)控這3 個(gè)電壓值就可以確定本安電源是否過壓。當(dāng)BH1是低電平的時(shí)候Q4不導(dǎo)通、Q3截止，那么本安電源就沒有輸出;當(dāng)BH1是高電平的時(shí)候Q4、Q3導(dǎo)通，Q1、Q2

也導(dǎo)通。由于Q1、Q2導(dǎo)通UrU2上就有采樣電壓，BH2的電平高低決定R24上的電壓是否為零。所以，只有當(dāng)BH1和BH2同時(shí)為高電平的時(shí)候本安電源才有輸出，其中任何一個(gè)是低電平本安電源就進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，這就是主回路的雙重保護(hù)。

圖2 主回路

1.3 保護(hù)電路

本系統(tǒng)中的保護(hù)電路有過流保護(hù)和過壓保護(hù)及其恢復(fù)電路。此系統(tǒng)是“ia”等級的本安電源，所有保護(hù)電路都有2 級， 本文只介紹其中的1 級。第2級和第1 級的電路是相同的。

(1)過流保護(hù)

圖1 中的采樣電阻把電流值轉(zhuǎn)換為電壓值GND1、GND2.圖3 中調(diào)節(jié)變阻器R32設(shè)定過流保護(hù)

值為800 mA,采樣電壓GND1 通過U3放大，然后通過比較器U4和設(shè)定的電壓值相比較控制BH1.當(dāng)GND1 大于設(shè)定值時(shí)，比較器輸出為低電平，本安電源沒有輸出。同時(shí)放大后的GND1 經(jīng)過電壓跟隨器U5連接到STM32 的AD 轉(zhuǎn)換管腳，以便對其進(jìn)行軟件監(jiān)控。第2 級過流保護(hù)同理。

圖3 過流保護(hù)

(2)過壓保護(hù)及其恢復(fù)電路

調(diào)節(jié)圖4 中的變阻器R5設(shè)定過壓保護(hù)值為12.5 V,本安電源的輸出Urout經(jīng)過R44、R47的分壓通

過U7和設(shè)定值相比較。當(dāng)分壓值大于設(shè)定值時(shí)，BH1 輸出為低電平，本安電源輸出為零。調(diào)節(jié)R37使得本安電源輸出為零時(shí)U6的反向輸入端電壓大于同向輸入端的電壓。當(dāng)Urout=0 時(shí)，D7、D8導(dǎo)通，比較器的輸出BH1為高電平， 那么本安電源有輸出，如果Urout仍然大于保護(hù)值，U7

輸出BH1為零，D7、D8導(dǎo)通U6輸出BH1為高電平， 如此反復(fù)直到本安電源輸出在正常范圍內(nèi)。第2 級過壓保護(hù)及其恢復(fù)電路同理。

圖4 過壓保護(hù)

2 軟件保護(hù)

圖2 的主回路中有BPC1 和BPC2 這2 個(gè)管腳和STM32 普通的GPIO 管腳相連。圖3 中的AD0

管腳是第1 級過流保護(hù)的監(jiān)視管腳，AD1是第2 級過流保護(hù)的監(jiān)視管腳。圖5 中的AD2、AD3、AD4、AD5是過壓監(jiān)控管腳。它們分別連接到STM32 的AD 轉(zhuǎn)換管腳，經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換后，判斷本安電源是否過壓、過流然后控制主回路中得BPC1、BPC2 兩個(gè)管腳，確保本安電源工作在安全范圍。

圖6 是軟件保護(hù)的程序流程圖， 因?yàn)锳D 轉(zhuǎn)換是多路的，所以在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候采用DMA 傳輸，在STM32 初始化的過程中除了包括系統(tǒng)時(shí)鐘RCC、通用輸入輸出端口GPIO、嵌套向量中斷控制器、定時(shí)器、串口、AD 轉(zhuǎn)換的初始化，也要包括DMA傳輸?shù)某跏蓟?。完成初始化后啟動AD 轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理后判斷是否超出過壓過流限定值， 如果超過就清零BPC1、BPC2, 當(dāng)軟件保護(hù)把BPC1、BPC2 置零后，恢復(fù)只能由硬件電路來完成。

圖5 軟件保護(hù)

圖6 軟件保護(hù)流程圖

從軟件和硬件2 個(gè)方面介紹了本安電源，硬件方面介紹主回路、過流保護(hù)、過壓保護(hù)及其恢復(fù)

電路的工作原理， 軟件方面主要是通過STM32 進(jìn)行控制的，可以加上通信模塊ADM2483,通過串口把AD 采集的結(jié)果通過MODBUS 通信傳到上位機(jī)，可以實(shí)時(shí)地觀察到本安電源的輸出情況，同時(shí)可以充分利用芯片的管腳。測試該本安電源工作正常，保護(hù)及時(shí)，作為傳感器，彎道報(bào)警器的工作電源。

通過空氣自然對流的方式將熱量從電源模塊外殼和暴露表面?zhèn)髦量諝庵校绻娫茨K與PCB之間有間隙，也會通過其中的溝道傳到周圍環(huán)境中;

通過輻射由模塊的暴露外殼輻射到周圍物體表面或從模塊的底部輻射到PCB板;

通過傳導(dǎo)方式經(jīng)模塊管腳傳到PCB板上。

許多應(yīng)用系統(tǒng)中，即使加裝了散熱片，電源的工作條件也得不到很好的改善。在這種散熱比較困難的系統(tǒng)中應(yīng)用，需通過加強(qiáng)制性散熱器風(fēng)扇作為主要的散熱方式。

風(fēng)扇安裝的一般指導(dǎo)原則是，形狀較長電源模塊，風(fēng)扇吹風(fēng)方向應(yīng)該是水平的，溝道內(nèi)的風(fēng)扇吹風(fēng)方向應(yīng)該是垂直的以便于形成“煙囪效應(yīng)”而有利于散熱。另外還可在風(fēng)扇與模塊之間涂一層導(dǎo)熱脂或其他導(dǎo)熱填充材料，使風(fēng)扇與模塊電源外殼(或電源金屬基板)之間的結(jié)合緊密以減少熱阻，但不要因過緊而造成模塊電源外殼(或電源金屬基板)變形。

在高海拔條件下，因空氣稀薄及大氣壓強(qiáng)的影響，系統(tǒng)本身的散熱相對較差，為降低系統(tǒng)溫升，必須采用強(qiáng)制性散熱或者降額使用。