基于站点式光谱水质监测设备的备份电源系统设计_余琦.pdf

DOI:10 3969/j issn 2095 509X 2023 02 019基于站点式光谱水质监测设备的备份电源系统设计余琦1，张敏2，李东波1(1 南京理工大学机械工程学院，江苏 南京210094)(2 南京波思途智能科技股份有限公司，江苏 南京211100)摘要:为了提高站点式光谱水质监测设备的供电可靠性，采用 TPL521 光耦作为掉电检测元件，以STM32 为控制芯片，用继电器和三极管组成电源切换单元，设计了一套备份电源系统，并通过MATLAB 搭建电源切换仿真实验对其可靠性进行了验证。结果表明:该备份电源系统可以满足大部分站点式水质监测设备的供电要求。关键词:光谱水质监测;备份电源系统;STM32 芯片中图分类号:TM59文献标识码:A文章编号:2095 509X(2023)02 0093 05光谱法是当前物质分析中应用较为广泛的一种方法1。它以物质光谱特征为基础，通过有效识别、测量和计算特征光谱，实现对物质结构、状态、组成等的有效分析，具有灵敏度高、分析速度快、测量范围广、无污染等优点2 3。随着光谱法理论与实践的不断完善和深入，光谱法呈现多态化发展趋势，并在地表水质监测工程中得到广泛应用，成为当前仪器设备分析中不可或缺的技术。地表水质状况和水质变化趋势是水污染防治和环境保护工作的基础，当前我国很多重点流域、湖泊都建设了水质自动监测站，用于对水质状况进行连续、自动和实时监测4。基于站点式的光谱水质监测设备，结合了光谱法和自动化技术，实现了高效、实时、准确的数字化水质监测。但是，其应用场所主要是远离市区的、供电网不完备的、环境条件较差的流域，很容易出现供电异常，对开展水质监测工作起到阻碍作用。1备份电源的应用电源是数字设备的功率供给装置，各种设备都需要配备可靠、稳定的电源系统才能保证稳定的运行5。纵观市面上各种对稳定运作要求高的设备，其往往会在供电系统中加入备份电源系统，以防止突然停止供电，造成设备某些关键数据不可逆的丢失，但是大多数备份电源系统只用于大型的交流电设备，可用于小型设备的备份电源系统并没有普及，甚至可以说是相当少见6。站点式光谱水质监测设备需要在一天中的关键时间段进行水质参数的自动采集，若在该段时间内供电出现异常，设备就无法正常工作，导致无法获取该段时间内的水质信息，从而对日常水质监测工作的展开和水体状况的预测造成一定影响。在综合分析多台用于站点的光谱水质监测设备后，本文重点对站点式光谱水质监测设备的备份电源系统进行设计。2总体设计方案基于站点式光谱水质监测设备的备份电源系统主要由开关电源、切换单元、主控制驱动电路、蓄电池及其充放电管理模块、掉电检测单元和 Boost电路组成。其整体设计框图如图 1 所示。其工作原理为:市电一方面通过切换单元对设备供电，另一方面作为蓄电池的充电来源;在充电电路中加入二极管是为了防止反接引起的电路损坏;当市电异常时，通过掉电检测单元给主控制驱动电路发出相应信号使蓄电池放电并通过切换单元将设备的电源切换成蓄电池。3主控制驱动电路设计主控制驱动电路包括主控制芯片、掉电检测单元、Boost电路，主控制芯片及其软件将在后文中介收稿日期:2020 10 21作者简介:余琦(1995)，男，硕士研究生，主要研究方向为机电一体化，2272718916 qq com通讯作者:李东波，男，教授，787359250 qq com392023 年 2 月机械设计与制造工程Feb 2023第 52 卷 第 2 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 2图 1备份电源系统框图绍，本节主要介绍、计算用于该系统的 Boost 电路参数。Boost 电路即开关直流升压电路，它的作用是将直流电变为另一个固定电压或者可调电压，所以可用在小型设备的备份电源中，用于对蓄电池升压后给负载供电。由图 2 可以看出，Boost 电路的工作原理是:当晶体管导通时，二极管便截止，输入电压向磁感线圈进行充磁能量存储;当晶体管截止时，电感线圈把存储的能量全部释放给电容和负载。可以看出，晶体管导通时间越长则负载所获得的能量越多，即输出电压越大。由分析可知输出电压与输入电压比永远大于 1，所以 Boost 电路被称为升压电路7。图 2Boost 电路原理图Boost 电路在工作时的波形图如图 3 所示。图3(a)为晶体管栅极的驱动电压信号 Uge;图 3(b)为电感线圈上的电流波形信号;图 3(c)为电容上的电压波形信号。其中电感 L与电流i和电压U 的关系为:U=Ldidt(1)式中:t 为时间。当晶体管导通时，电源向电感提供储能电压，电流增大;当晶体管关断时，电感向电容和负载供电，此时电感上的电流减小。电容中电流 I 与电容C 的关系为:I=CdUdt(2)图 3Boost 电路工作波形图当电感上电流大于负载上电流时，电容蓄积能量，斜率为正;当电感上电流小于负载电流时，电容释放能量，斜率为负。通过上述原理分析可知，需要确定备份电源系统中相关元件的参数，包括电感和电容的大小、晶体管型号。1)电感的大小。通过分析电感电流的波形图可得:VoutVin=Ttoff(3)式中:Vout为负载的电压，取值 12 V;Vin为输入到Boost 电路的蓄电池电压，取值 7 2 V;T 为电感蓄能周期，设为10 s;toff为关断时间。由公式(3)可求出 toff为16 6 s。再根据上述公式(2)求出电感大小为 120 H。2)晶体管的选型。因为输入电压为 7 2 V，要求晶体管在小于 7 2 V 的电压下能导通，故可选择的晶体管类型非常多，这里采用的晶体管的型号为IF3205，其参数如下:零栅压最大漏极电压 VDSS=55 V;门极开启电压 Vgs(th)=(2 0 4 0)V;门极电压 Vgs=20 V。3)电容的选定。电容的作用是在晶体管关断后为负载提供稳定电压，即释放能量，故需要其存储的能量较多，在本设计方案中选择三极管的开关频率是 100 kHz，周期是 10 s，电容值的数量级需大于关断时间的数量级，故选择电容的大小为 120F。4掉电检测电路设计在备份电源系统中，掉电检测是判断主电源是否异常的关键环节，是切换单元进行工作的主要依据。考虑到本文的设计主要基于站点式光谱水质监测设备，故要求设计的掉电检测单元在检测掉电信号的同时，还能保护设备电路和正在运行的数据492023 年第 52 卷机械设计与制造工程等，即设计“掉电检测、供电保持、数据存储”三模式一体的掉电检测模式，其工作流程图如图 4 所示。由于在工程上常用的掉电检测电路中用的是滤波电容，反应速度相对较慢，电压检测范围较宽，系统产生误判的概率较大，故在本文中选用型号为TLP521 的光耦，其优点是抗干扰能力强、使用寿命长、传输效率高。掉电检测电路的原理:当市电正常供电时，光耦中的发光二极管导通，光耦输出端的三极管导通，输出信号为低电平;当市电断电时，发光二极管关断，三极管截止，输出信号为高电平，控制芯片可以通过判断输出信号电平的高低来控制蓄电池的充放电状态。电路原理图如图 5 所示。图 4掉电检测流程图此设计方案的优点:利用光耦能够快速检测系统是否断电，反应时间可以短到20多ms;不会因图 5掉电检测电路原理图为门限电压产生较大的误判;没有电容等储能元件，大大提高了电路的响应速度。5切换单元设计切换单元是蓄电池向负载提供电源的关键部分，其切换效率的高低决定了整个备份电源系统的性能，故在设计中要求低延时切换。本文中，切换电路由主电源、备份电源两个模块供电电路组成，通过主控芯片 I/O 端口驱动继电器，初始状态时IN3 置位、IN4 复位，此时三极管 Q1 截止、Q2 导通，U1、U3 两个继电器吸合，当电路响应稳定后 U1断开，通过主电源给负载稳定供电;当达到切换条件时，U1 立即吸合，延时一段时间后 IN4 被置位，此时电源 1(市电)被断开，电源 2(蓄电池)向负载供电。其电路原理图如图 6 所示。切换电路的工作需要主控芯片进行控制，通过图 6切换电路原理图接入主控芯片 I/O 端口(与上述的 IN3、IN4 相连)的高低电平触发其中断控制信号，使相关中断服务函数运行。切换电路控制流程图如图 7 所示。6主控芯片及其软件设计为了能更高效地达到任务要求，本文选用 ST公司的STM32F103CT6。STM32芯片有着强大的592023 年第 2 期余琦:基于站点式光谱水质监测设备的备份电源系统设计图 7切换电路控制流程图时钟系统和丰富的片上外设，足以满足本文设计的要求。其基于 AM 架构的系统，指令基本能在 20ns 以内完成，结合其运算功能可以高效实现各种控制算法和数据采样。结合本文设计的备份电源系统，其所需的相关控制功能如下:1)产生 PWM(脉冲宽度调制)波。PWM 波用来对 Boost 电路进行驱动，STM32 的定时器除了TIM6 和 TIM7，其他的都能产生 PWM 波。根据输出采样设定和调整定时器中相关寄存的值来改变输出 PWM 波的周期和脉冲宽度，根据不同的PWM 波使 Boost 电路输出不同的电压，以此进行切换单元和掉电检测单元的相关操作，如此设计的备份电源系统外围电路简单、高效、输出精度高。2)实时采样和中断。STM32 拥有自带的 ADC(模数转换)功能，其 ADC 的采样精度为 12 位，用于模拟量转数字量的采集。本文中通过 ADC 通道1 实现对蓄电池电压、电流等信号的实时采样，以此来判断是否对蓄电池进行充放电控制，即蓄电池输出电压过高或欠压时，控制系统会触发相应的子中断程序来处理突发事件。通过中断程序实现相关控制可以提高系统的实时性，降低响应时间。系统软件控制流程如图 8 所示。图 8系统软件控制流程图7实验设计与分析为了确定本文设计的备份电源系统的可行性，需要从其需求出发，设计供电稳定性仿真实验。在备份电源系统中，电源切换时间是衡量其稳定性的指标之一，本文采用 MATLAB 搭建电源切换仿真模型，在模型中将主、副电源均设置成理想交流电压并设置切换时间点，对其电流进行离散采样，结果如图 9 所示。为了模拟本文设计的切换电路，仿真实验中智能控制单元采用 Embedded MATLABfunction 可编程模块建模;切换开关单元采用逻辑模块和 Switch 模块。图 9切换电路时间仿真图图中 i1为主电源上瞬时输出的电流，i2为蓄电池上瞬时输出的电流，i3为负载上瞬时输出的电流，从图 9 中可以看出，切换时间大约为 0 4 ms。为了确保实验仿真结果不是出于偶然性，设计了 15 次仿真实验，并给每次实验设置不同的切换时间点，最终切换时间数据见表 1。表 1切换电源时间仿真记录表序号t/ms序号t/ms序号t/ms105466056711054720489705881204923053180549131129405249111414043750482100894150563由表可知，本文所设计备份电源系统的切换时间大部分在 0 4 0 6 ms，即其稳定性满足设计要求的切换时间。但需要注意的是，实验中会出现相对较长的切换时间，影响系统性能，通过后续分析可知，造成这种高延时的原因主要有 2 种:1)硬件电路，继电器的性能会影响切换单元的效率;2)软件程序，中断服务程序函数的执行效率较低会导致其程序运行时间过长。8结束语综合以上设计及实验分析可知，本文设计的备份电源系统可以用于室外站点的小型直流电设备，692023 年第 52 卷机械设计与制造工程其优点在于切换时间低，响应快，可靠性比一般的直流 UPS 高，对于站点式光谱水质监测设备的发展具有积极影响。参考文献:1李晓静，王晓杰，王爽，等 光谱分析在水质监测中的应用进展J 科学与化工，2019，48(9):12 16 2李响 紫外光谱分析的水质监测技术分析J 低碳世界，2017(10):16 17 3JIA Wenshen，ZHANG Hengzhi，MA Jie，et al Study on the pred-ication modeling of COD for water based on UV VIS spectrosco-py and CNN algorithm of deep learningJ Spectroscopy andSpectral Analysis，2020，40(9):2981 2988 4谢学和 水质自动监测站在水环境监测中的应用 J 区域治理，2019(33):82 84 5段平安，蔡涛，成明，等 UPS 蓄电池监测系统在无人值守平台的应用 J 油气田地面工程，2019，38(11):76 80 6李笃安，余仕君，高钢 直流 UPS 比交流 UPS 供电更可靠 C/今日轨道交通 抗洪版 北京:今日轨道交通 杂志社，2016:85 88 7SUN Xufei，CHEN Longwei A fieldbus applied to sensor actua-tor monitoring networkJ Journal of Computational Methods inSciences and Engineering，2015，15(3):489 497Design of backup power system based on site spectral water quality monitoring equipmentYu Qi1，Zhang Ming2，Li Dongbo1(1 School of Mechanical Engineering，Nanjing University ofScience and Technology，Jiangsu Nanjing，210094，China)(2 Nanjing Bositu Intelligent Technology Co，Ltd，Jiangsu Nanjing，211100，China)Abstract:In most of the site-type water quality monitoring equipment，the input power supply is only the mainspower When the mains power is abnormal，the control circuit of the equipment cannot get a stable power sup-ply，which affects the normal operation of water quality monitoring In order to improve the reliability of the sitetype spectral water quality monitoring equipment，TPL521 photoelectric coupler is used as the detection elementfor power loss，STM32 is used as the control chip，relay and triode are used as the switching power unit，a back-up power supply system is designed，and its reliability is verified through the establishment of MATLAB powerswitch simulation experimentKey words:spectral water quality monitoring;backup power system;STM32 chip792023 年第 2 期余琦:基于站点式光谱水质监测设备的备份电源系统设计