一種電源切換裝置的設(shè)計(jì)?

（91550部隊(duì) 大連 116023）

1 引言

在靶場(chǎng)，依靠各種測(cè)控裝備來(lái)對(duì)飛行器實(shí)施跟蹤、測(cè)量、遙控、數(shù)據(jù)計(jì)算、監(jiān)控等的系統(tǒng)模式已經(jīng)形成，較好地解決了飛行器發(fā)射系統(tǒng)的誤差和系數(shù)分離問(wèn)題，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性［1］。整個(gè)測(cè)控網(wǎng)由各個(gè)測(cè)控鏈路組成，鏈路的完整性對(duì)系統(tǒng)存在很大的影響。靶場(chǎng)測(cè)控裝備種類繁多，分布廣泛，為便于觀測(cè)，很多測(cè)控裝備分布在了高山、海島、無(wú)人區(qū)。特別是一些單人作業(yè)、便攜式的測(cè)控裝備，如GPS、北斗等，均配備鉛酸電池或鋰電池。由于測(cè)量時(shí)間有一定的機(jī)動(dòng)性，某些時(shí)候需要突破單電源供電的極限，再加上電池隨著使用頻率的增加，穩(wěn)定性下降，就可能出現(xiàn)突發(fā)供電問(wèn)題，造成測(cè)控網(wǎng)斷鏈，給整個(gè)行動(dòng)帶來(lái)不利影響。為保證測(cè)量任務(wù)的順利完成，需對(duì)某些測(cè)量設(shè)備需要配備合適、易于攜帶的后備電源。基于此，本文設(shè)計(jì)了該電源切換裝置。

2 裝置的主要功能及原理

圖1 系統(tǒng)功能框圖

如圖1所示，該裝置由51單片機(jī)控制，且使用同樣的兩塊電池作為電源來(lái)進(jìn)行切換。首先由常用電源1給測(cè)控設(shè)備供電，采樣電源電壓信號(hào)并由ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）送入單片機(jī)，電壓信號(hào)一路經(jīng)單片處理送LED進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，另一路送比較切換電路與預(yù)先設(shè)定的電壓閾值相比較，當(dāng)?shù)玫降碾妷盒盘?hào)達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)即可使常用電源1切換到后備電源2上。在切換時(shí)，軟件設(shè)置了一定的延時(shí)，在后備電源2供電電路達(dá)到穩(wěn)定時(shí)才斷開電源1供電電路，故保持了供電的持續(xù)不間斷性，不會(huì)對(duì)用電設(shè)備產(chǎn)生影響。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 復(fù)位電路

單片機(jī)幾乎都需要復(fù)位電路，其作用是使單片機(jī)上電時(shí)能可靠復(fù)位，下電時(shí)防止程序跑飛修改EEPROM中的數(shù)據(jù)［2］；另外，由于各種干擾因素的影響，單片機(jī)系統(tǒng)可能出現(xiàn)死機(jī)無(wú)法正常工作，為了克服這一現(xiàn)象，最佳方法是外加一個(gè)看門狗電路。芯片可選擇MAXIM公司的MAX813L。MAX813L的6腳與單片機(jī)的P2.6相連，設(shè)計(jì)軟件時(shí)，P2.6不斷輸出脈沖信號(hào)，如果單片機(jī)因某種原因進(jìn)入死循環(huán)，則P2.6無(wú)脈沖輸出。于是1.6s后在MAX813L的看門狗輸出引腳（第8腳）輸出低電平，加到第1腳（低電平有效），使MAX813L產(chǎn)生復(fù)位輸出，單片機(jī)有效復(fù)位，擺脫死循環(huán)的困境［3］。

圖2 復(fù)位電路

3.2 電源電路

電源電路選擇的好壞，對(duì)于一個(gè)嵌入式的控制系統(tǒng)影響很大。很多設(shè)計(jì)者習(xí)慣采用78XX系列三端穩(wěn)壓器件來(lái)調(diào)節(jié)較高直流電壓轉(zhuǎn)為控制單元需要的工作電壓。這種線性穩(wěn)壓電源的線性調(diào)整工作方式在工作中會(huì)產(chǎn)生值為V壓降×I負(fù)荷的“熱損失”，其工作效率僅為30%～50%［4］。LM2576系列是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，具有轉(zhuǎn)換效率高、輸出電壓可調(diào)、保護(hù)電路完善、振蕩器頻率固定（52KHz）等特點(diǎn)［5］。該器件利用4個(gè)或6外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路，由于期間含1.23V的基準(zhǔn)穩(wěn)壓器，可將輸出電壓與之作比較，若電壓有偏差，則控制內(nèi)部振蕩器輸出的占空比，從而輸出電壓保持穩(wěn)定。電路如圖3所示。

3.3 其它部分接口電路

為了實(shí)現(xiàn)該裝置的功能，還需要設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路、A/D轉(zhuǎn)換電路，LED顯示電路、電壓鉗位電路。

3.4 電壓調(diào)理電路

8位AD轉(zhuǎn)換器（規(guī)定VRef0～5V或0～2.5V）當(dāng)輸入信號(hào)等于參考電壓時(shí)，輸出滿量程為255，根據(jù)AD轉(zhuǎn)換器的原理，VRef/255=VIN/Vout，那么得出Vout=VIN*255/VRef，在本裝置設(shè)計(jì)中VIN為12V～13V電池VIN＞VRef，對(duì)輸出超過(guò)滿量程的值，均輸出為FF，這樣采集的信號(hào)就發(fā)生了錯(cuò)誤，所以需要對(duì)輸入電壓信號(hào)值VIN進(jìn)行調(diào)整。圖中經(jīng)R1和R2電阻進(jìn)行分壓后記得到合理的信號(hào)值，由于電路中存在信號(hào)噪聲，引起信號(hào)波動(dòng)［6］，也會(huì)影響信號(hào)采集結(jié)果，所以采用電容進(jìn)行濾波和消除紋波。LM358構(gòu)成的電壓跟隨器在這里起阻抗變換作用［7］。一方面將輸入阻抗變得很高，輸出阻抗變得很低，這樣對(duì)輸入信號(hào)的影響就可以忽略不計(jì)了。信號(hào)經(jīng)過(guò)上述調(diào)理過(guò)程，就被優(yōu)化了。

圖3 電源電路

圖4 電壓調(diào)理電路

3.5 切換電路

如圖3所示，切換電路由主電源（電源1）、后備電源（電源2）兩路供電電路組成。裝置使用I/O端口驅(qū)動(dòng)繼電器，初始時(shí)P2.3電平為高、P2.4電平為低，該狀態(tài)下三極管Q1截止、Q2飽和導(dǎo)通，U6、U7這兩個(gè)繼電器吸合，電路穩(wěn)定后斷開U6，形成穩(wěn)定回路給負(fù)載供電。當(dāng)滿足切換條件時(shí)，Q2飽和導(dǎo)通，U6立即吸合，延時(shí)一定的時(shí)間后P2.4被置為了高電平，電源1斷開，換為電源2給負(fù)載供電。繼電器線圈上并聯(lián)的IN4004二極管為蓄流二極管，其起作用是在8050截止瞬間，形成釋放繼電器線圈中能量的回路，以避免造成反峰電壓擊穿三極管［8～9］。

4 軟件設(shè)計(jì)

該裝置運(yùn)行程序采用C語(yǔ)言編寫。C語(yǔ)言程序可以靈活設(shè)置各種運(yùn)行方式及時(shí)間參數(shù)［10］（雙電源切換裝置）。軟件流程圖如圖6所示。

軟件采用模塊化的形式，每一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能。模塊化有利于提高程序的可靠性和可修改性，也便于后期的測(cè)試和調(diào)試［11～12］。系統(tǒng)首先進(jìn)行上電或復(fù)位，待電源穩(wěn)定后對(duì)各模塊進(jìn)行初始化，初始化完成之后依據(jù)條件進(jìn)行判斷，再根據(jù)判斷的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理。

圖5 切換電路

圖6 軟件流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

電源，作為用電設(shè)備唯一的動(dòng)力來(lái)源，有著不可或缺的重要地位。而對(duì)于某些不允許斷電重要的場(chǎng)合，就需要配備兩路電源。通常情況下，電池供電的設(shè)備本身會(huì)配備有后備電池，那么要保持持續(xù)不間斷供電，就需要一種可靠的電源切換裝置在兩路電源間進(jìn)行切換。本文設(shè)計(jì)的基于51單片控制的電源切換裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效，極大地提高了某些測(cè)量設(shè)備的可靠性。裝置切換過(guò)程零延時(shí)，保障了測(cè)量數(shù)據(jù)的完整性和可用性。