基于STM32的礦用本質(zhì)安全型電源設(shè)計(jì)

0 引言

本安電源是本安型電氣設(shè)備的一個(gè)重要組成部分，由于煤礦的機(jī)械化，井下傳感器、彎道報(bào)警器等設(shè)備的供電，通信、報(bào)警都需要供電設(shè)備。但是基于井下復(fù)雜的環(huán)境，對(duì)供電設(shè)備的要求也是非常嚴(yán)格的，它要求電源電路的內(nèi)部和引出線(xiàn)無(wú)論是在正常工作還是在故障狀態(tài)下都是安全的并且產(chǎn)生的電火花不會(huì)點(diǎn)燃周?chē)h(huán)境中的爆炸性混合物。本安電源有“ia”和“ib”兩個(gè)等級(jí)。在本文中介紹的本安電源是井下常用的“ia”等級(jí)，也就是說(shuō)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。

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(guò)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(jí)過(guò)流保護(hù)采樣電阻，R2是第2 級(jí)過(guò)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(guò)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(guò)監(jiān)控這3 個(gè)電壓值就可以確定本安電源是否過(guò)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(méi)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(guò)流保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)及其恢復(fù)電路。此系統(tǒng)是“ia”等級(jí)的本安電源，所有保護(hù)電路都有2 級(jí)， 本文只介紹其中的1 級(jí)。第2級(jí)和第1 級(jí)的電路是相同的。

（1）過(guò)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(guò)流保護(hù)

值為800 mA,采樣電壓GND1 通過(guò)U3放大，然后通過(guò)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(méi)有輸出。同時(shí)放大后的GND1 經(jīng)過(guò)電壓跟隨器U5連接到STM32 的AD 轉(zhuǎn)換管腳，以便對(duì)其進(jìn)行軟件監(jiān)控。第2 級(jí)過(guò)流保護(hù)同理。

圖3 過(guò)流保護(hù)

（2）過(guò)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(guò)壓保護(hù)值為12.5 V,本安電源的輸出Urout經(jīng)過(guò)R44、R47的分壓通

過(guò)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(jí)過(guò)壓保護(hù)及其恢復(fù)電路同理。

圖4 過(guò)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(jí)過(guò)流保護(hù)的監(jiān)視管腳，AD1是第2 級(jí)過(guò)流保護(hù)的監(jiān)視管腳。圖5 中的AD2、AD3、AD4、AD5是過(guò)壓監(jiān)控管腳。它們分別連接到STM32 的AD 轉(zhuǎn)換管腳，經(jīng)過(guò)AD 轉(zhuǎn)換后，判斷本安電源是否過(guò)壓、過(guò)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(guò)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?dòng)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(guò)壓過(guò)流限定值， 如果超過(guò)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(lái)完成。

圖5 軟件保護(hù)

圖6 軟件保護(hù)流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

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(guò)流保護(hù)、過(guò)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(guò)STM32 進(jìn)行控制的，可以加上通信模塊ADM2483,通過(guò)串口把AD 采集的結(jié)果通過(guò)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(cè)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。