一種欠壓報警裝置的設計

李思杰 徐江紅 徐 亮*

（江蘇信息職業技術學院智能工程學院，江蘇 無錫214153）

由于有些實驗設備對供電的要求比較高，供電電壓的波動往往會對實驗設備的工作狀態造成影響，甚至造成實驗設備的損壞，因此很有必要采取相應的保護措施。

文獻[1]介紹了一種利用多個集成運放構成的過壓、欠壓及掉電檢測電路，并通過仿真驗證了方案的可行性；文獻[2]介紹了一種基于MOSFET 的改進型欠壓保護電路，具備精度高且易于調試的優點；文獻[3]介紹了一種基于單片機技術的礦井交流接觸器自動投切裝置，能在過載、缺相、過壓、欠壓等情況下迅速響應來達到保護用電設備的目的。

本文介紹了一種應用于本校某實驗樓的欠壓報警裝置，這是由于該實驗樓供電不穩，偶爾會出現欠壓情況，因此部分實驗設備使用了UPS（Uninterruptible Power Supply，不間斷電源）供電，但是雖然UPS 能夠在供電異常時自動對設備供電，卻沒有相應的報警信號，本設計很好的解決了這一問題，能在欠壓情況發生時發出報警信號，提示教師指導學生對設備進行正常的關機操作。

1 系統方案設計

系統框圖如圖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整流為脈動信號，接著將脈動信號送給ADC（Analog-to-Digital Converter，模數轉換器）轉換為數字量之后交由處理器（即單片機）進行計算。

市電為50Hz 工頻交流電，周期即為20ms，脈動信號周期為10ms。如圖2 所示，當采樣周期設定為10ms，即t1為采樣起始時間點，t2為采樣結束時間點，t2-t1=10ms 時，一定包含一個脈動的峰值，只要ADC 采樣頻率足夠快，在10ms 周期內采集到的的最大電壓信號值就可以認為就是脈動信號的峰值。

2 電路設計

報警裝置電路如圖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，2.2V 的交流電壓信號峰值為3.11V，這么做的目的是因為本方案采用了3.3V 供電的單片機，整個信號處理電路的工作電壓絕對不能超過3.3V。

變壓器降壓形成的交流電壓信號接下來被送到橋式整流電路進行整流，使用橋式整流電路的目的有二：一是因為本方案中使用的ADC 只能轉換0～3.3V 之間的電壓信號，不能轉換低于0V 的負電壓信號；二是使用橋式整流電路形成的脈動信號，周期減少為交流電壓信號周期的一半，如此采樣周期也只需要原來交流電壓信號的一半即可獲取當前交流信號的峰值。

處理器采用了來自意法半導體基于ARM Cortex-M4 內核的32 位單片機STM32F407ZET6。該單片機本身已內置3 組高性能ADC，每組ADC 的最高工作頻率可達36MHz，最大采樣頻率為2.4MHz， 最高分辨率位12 位。 這也就是說，STM32F407ZET6 內置ADC 最快每0.417μs 就能轉換一個電壓模擬量信號，在如圖2 所示的一個采樣周期內，最多能采樣23980 個電壓信號數據，采樣頻率絕對滿足任務需求，因此橋式整流電路的輸出端被直接接到STM32F407ZET6 的一個ADC 輸入端，無需額外再增加獨立的ADC 芯片。

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

報警方式采用蜂鳴器，由單片機直接輸出一定頻率的脈沖驅動。

3 程序設計

單片機程序由意法半導體推出的STM32 程序免費開發套件STM32CubeIDE 開發而成，程序流程如圖4 所示。

圖4 單片機程序流程

單片機首先上電初始化，然后啟動定時器以10ms 為周期開始計時，接著單片機啟動ADC 進行模擬量電壓信號的重復采樣，10ms 計時周期結束后，單片機便在這10ms 內獲取的ADC轉換結果中搜索最大值，值得一提的是，實際上并不需要23980個轉換結果這么多，僅需均勻的采集200 個信號值足矣。最后將獲取的電壓信號對應的數字量與設定的最低工作電壓峰值的1%對應的數字量進行比較，即可判斷此時供電電源是否欠壓，并以此作為是否啟動報警信號的依據。

本設計中的ADC 采用了DMA（Direct Memory Access，直接存儲器訪問）工作方式，即當ADC 采用DMA 工作方式時，一經啟動，ADC 無需通過CPU 干預，可自動重復對指定通道進行轉換，轉換生成的數字量結果被直接存入指定的內存片段之中，也就說當需要ADC 轉換結果的時候僅需在指定的內存片段中直接讀取數字量轉換結果即可。具體的程序實現方式是，利用STM32 單片機的定時器中斷，每50μs 讀取一次ADC 轉換結果并依次存入指定的長度為200 的數組之中，當數組被填滿之時即完成一個采樣周期之時，接下來在數組中找出最大值即為波峰值，然后就是判斷是否欠壓，若欠壓則啟動報警程序。

4 結論

盡管實驗設備均有UPS 保護，但由于經費所限，配備的UPS容量較小，最多只能保證穩定供電5 分鐘。本設計能夠在電網供電欠壓的情況下，迅速發出報警信號，第一時間提醒教師引導學生正常關閉實驗設備，以達到保護實驗設備的目的。