精品文檔-下載后可編輯基于STM32的礦用本質安全型電源設計-技術方案0引言

本安電源是本安型電氣設備的一個重要組成部分，由于煤礦的機械化，井下傳感器、彎道報警器等設備的供電，通信、報警都需要供電設備。但是基于井下復雜的環境，對供電設備的要求也是非常嚴格的，它要求電源電路的內部和引出線無論是在正常工作還是在故障狀態下都是安全的并且產生的電火花不會點燃周圍環境中的爆炸性混合物。本安電源有“ia”和“ib”兩個等級。在本文中介紹的本安電源是井下常用的“ia”等級，也就是說在一個故障，一套保護電路損壞的情況下也能繼續工作。

1本安電源的組成及工作原理

1.1電源

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

圖1工作原理

1.2主回路

由于本系統是基于STM32的本安電源的監控，圖2是主回路，圖中UrU1、UrU2和UrUrout

是采樣電壓，STM32通過監控這3個電壓值就可以確定本安電源是否過壓。當BH1是低電平的時候Q4不導通、Q3截止，那么本安電源就沒有輸出；當BH1是高電平的時候Q4、Q3導通，Q1、Q2

也導通。由于Q1、Q2導通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BH1和BH2同時為高電平的時候本安電源才有輸出，其中任何一個是低電平本安電源就進入保護狀態，這就是主回路的雙重保護。

圖2主回路

1.3保護電路

本系統中的保護電路有過流保護和過壓保護及其恢復電路。此系統是“ia”等級的本安電源，所有保護電路都有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

圖1中的采樣電阻把電流值轉換為電壓值GND1、GND2.圖3中調節變阻器R32設定過流保護

值為800mA,采樣電壓GND1通過U3放大，然后通過比較器U4和設定的電壓值相比較控制BH1.當GND1大于設定值時，比較器輸出為低電平，本安電源沒有輸出。同時放大后的GND1經過電壓跟隨器U5連接到STM32的AD轉換管腳，以便對其進行軟件監控。第2級過流保護同理。

圖3過流保護

（2）過壓保護及其恢復電路

調節圖4中的變阻器R5設定過壓保護值為12.5V,本安電源的輸出Urout經過R44、R47的分壓通

過U7和設定值相比較。當分壓值大于設定值時，BH1輸出為低電平，本安電源輸出為零。調節R37使得本安電源輸出為零時U6的反向輸入端電壓大于同向輸入端的電壓。當Urout=0時，D7、D8導通，比較器的輸出BH1為高電平，那么本安電源有輸出，如果Urout仍然大于保護值，U7

輸出BH1為零，D7、D8導通U6輸出BH1為高電平，如此反復直到本安電源輸出在正常范圍內。第2級過壓保護及其恢復電路同理。

圖4過壓保護

2軟件保護

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

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

圖6是軟件保護的程序流程圖，因為AD轉換是多路的，所以在數據傳輸的時候采用DMA傳輸，在STM32初始化的過程中除了包括系統時鐘RCC、通用輸入輸出端口GPIO、嵌套向量中斷控制器、定時器、串口、AD轉換的初始化，也要包括DMA傳輸的初始化。完成初始化后啟動AD轉換，把轉換結果進行相應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,當軟件保護把BPC1、BPC2置零后，恢復只能由硬件電路來完成。

圖5軟件保護

圖6軟件保護流程圖

3結語

從軟件和硬件2個方面介紹了本安電源，硬件方面介紹主回路、過流保護、過壓保護及其恢復

電路的工作原理，軟件方面主要是通過STM32進行控制的，可以加上