一種用于單片機(jī)開關(guān)電源的節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系 姜 坤

通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，傳統(tǒng)單片機(jī)開關(guān)電源耗能大，且系統(tǒng)抗干擾能力、可靠性不足。因此需要建設(shè)節(jié)能系統(tǒng)，設(shè)置單片機(jī)監(jiān)控模塊、節(jié)能控制模塊，以此去除異常波形，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源節(jié)能控制。此次研究主要是討論分析一種用于單片機(jī)開關(guān)電源的節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

單片機(jī)開關(guān)電源具備高效性、便捷性、控制效果明顯等優(yōu)勢(shì)，因此獲得使用者的青睞?，F(xiàn)代社會(huì)大力踐行“節(jié)能減排”理念，使用者比較注重能耗問題，尤其表現(xiàn)在單片機(jī)開關(guān)電源上。對(duì)于傳統(tǒng)型開關(guān)電源來說，缺乏必要的節(jié)能控制系統(tǒng)，且抗干擾能力、可靠性能并不佳。在以往研究中，單片機(jī)開關(guān)電源節(jié)能控制系統(tǒng)的問題較多，通過可控硅整流器轉(zhuǎn)換初始電流，節(jié)能控制單片機(jī)開關(guān)電源。然而該系統(tǒng)的噪音比較大，可靠性不足。在研究討論中，采用脈沖寬度變頻電路，對(duì)開關(guān)電源直流電進(jìn)行整流處理，雖然可以起到節(jié)能控制效果，然而整體穩(wěn)定性較低。為避免上述問題，應(yīng)當(dāng)建設(shè)新型節(jié)能控制系統(tǒng)，確保其具備強(qiáng)抗干擾能力、高可靠性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的抗干擾性能、可靠性能均比較高。

1 單片機(jī)開關(guān)電源的節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于由單片機(jī)控制的開關(guān)電源，電源輸出控制主要包括以下幾種：第一，單片機(jī)輸出電壓，將其作為開關(guān)電源基準(zhǔn)電壓；第二，單片機(jī)結(jié)合開關(guān)電源專用PWM芯片；第三，單片機(jī)直接控制型。在應(yīng)用單片機(jī)開關(guān)電源時(shí)，必須做好節(jié)能控制處理。在此次研究中，優(yōu)化設(shè)計(jì)節(jié)能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)涉及到節(jié)能控制、單片機(jī)監(jiān)控。其中，通過節(jié)能控制模塊，可以對(duì)關(guān)電源，實(shí)行節(jié)能化控制與操作。通過單片機(jī)監(jiān)控模塊，能夠提供數(shù)據(jù)顯示功能，對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)化監(jiān)控。

1.1 節(jié)能控制模塊設(shè)計(jì)

在節(jié)能控制模塊，主要涉及到變壓器、脈沖寬度調(diào)制電路、濾波器。模塊對(duì)單片機(jī)開關(guān)電源的初始直流電的控制效果高，可以采用低能耗直流電方式輸出。

電路節(jié)能模塊工作原理如下：開關(guān)電源獲得初始直流電，通過電路節(jié)能模塊，借助濾波器，能夠確保在獲得初始直流電時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)異常波形，以此確保節(jié)能控制模塊可以正?？刂崎_關(guān)電源。初始直流電經(jīng)過濾波器處理后，可以轉(zhuǎn)化為便于方形波，方便節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行管控，同時(shí)能夠輸出到變壓器。脈沖寬度調(diào)制電路的可靠性高，操作簡單。

脈沖寬度調(diào)制電路，能夠?qū)⒊跏贾绷麟娹D(zhuǎn)化為方形波，還可以針對(duì)初始直流電存在的故障電壓進(jìn)行采集，以免造成電路元件受損，使節(jié)能控制系統(tǒng)處于正常、穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。工作原理如下：利用脈沖寬度調(diào)制電路，促使初始電流進(jìn)入到控制器內(nèi)。利用控制器，可以實(shí)現(xiàn)初始直流電控制與檢測(cè)，自動(dòng)化水平非常高。同時(shí)可以對(duì)直流電誤差進(jìn)行檢測(cè)，借助PID控制法，能夠消除誤差。之后，利用節(jié)能控制模塊、脈沖寬度調(diào)制電路，將直流電轉(zhuǎn)化為方形波。在轉(zhuǎn)換操作中，如果直流電內(nèi)部出現(xiàn)故障電壓，則能夠自動(dòng)停止轉(zhuǎn)化操作，同時(shí)采集故障電壓序列，確保其恢復(fù)正常。將恢復(fù)信息發(fā)送到控制器，完成整個(gè)轉(zhuǎn)換操作。

變壓器運(yùn)行過程中，基本工作原理如下：通過物理簡諧振動(dòng)，能夠降低開關(guān)電源能源消耗，避免開關(guān)電源受到高耗能影響。在運(yùn)行過程中，變壓器不會(huì)出現(xiàn)電磁干擾，能夠確保節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用效果。通過脈沖寬度調(diào)制電路傳輸方形波，當(dāng)變壓器接收后，能夠?qū)⒎较虿ㄞD(zhuǎn)化為直流電，同時(shí)做好檢測(cè)與檢查工作。通過變壓器能夠減少高耗能因素，促使開關(guān)電流初始直流電，利用低能耗方式，逐漸傳輸?shù)奖O(jiān)控模塊。

1.2 單片機(jī)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

通過節(jié)能控制系統(tǒng)控制單片機(jī)開關(guān)電源時(shí)，能夠?qū)﹂_關(guān)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)化控制。在開關(guān)電源中，電路節(jié)點(diǎn)異常狀態(tài)約為25個(gè)，從而導(dǎo)致整個(gè)節(jié)點(diǎn)控制的難度加大。然而通過節(jié)能控制系統(tǒng)，能夠?qū)﹂_關(guān)電源電路進(jìn)行擴(kuò)展處理，達(dá)到8位，建立高效的監(jiān)控模塊。該模塊組成如下：顯示器、編譯器、存儲(chǔ)器。利用節(jié)能控制模塊，能夠在監(jiān)控模塊顯示器中，顯示出低能耗直流情況，以數(shù)據(jù)信息方式顯示。使用人員利用顯示器的數(shù)據(jù)，能夠明確節(jié)能控制系統(tǒng)的節(jié)能效果。通過節(jié)能控制模塊，也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控單片機(jī)開關(guān)電源。

單片機(jī)監(jiān)控模塊存儲(chǔ)器主要為靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器存儲(chǔ)芯片可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流電數(shù)據(jù)。在靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器內(nèi)，存儲(chǔ)效率非常高，通過內(nèi)置片選引腳、輸出使能引腳、三態(tài)輸出驅(qū)動(dòng)，可以對(duì)存儲(chǔ)器電路進(jìn)行擴(kuò)展。在應(yīng)用靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器時(shí)，還能夠減免電量。當(dāng)開關(guān)電源工作效率較低時(shí)，通過靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器，至少可以減少90%的電路能耗，全面滿足節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用需求。

對(duì)于開關(guān)電源來說，通過監(jiān)控模塊，能夠?qū)⒐?jié)點(diǎn)直流電轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)格式，利用靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，此時(shí)編譯器可以調(diào)用監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)做好編譯處理。編譯器的輸出數(shù)據(jù)占有率比較低，可以使系統(tǒng)存儲(chǔ)空間擴(kuò)展，確保工作效率與質(zhì)量的提升。通過編譯器，可以為開關(guān)電源提供節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行編碼處理后，能夠傳輸?shù)斤@示器，以數(shù)據(jù)信息方式顯示。顯示器為LED屏幕，互動(dòng)性強(qiáng)，畫質(zhì)清晰、便于安裝與移動(dòng)。在進(jìn)行屏幕擴(kuò)展，還可以實(shí)現(xiàn)無縫連接效果，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)的顯示功能。使用人員利用顯示器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，能夠?qū)纹瑱C(jī)開關(guān)電源運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。

2 節(jié)能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過軟件設(shè)施，可以對(duì)節(jié)能控制模塊運(yùn)行流程進(jìn)行控制。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)，節(jié)能控制系統(tǒng)軟件可以實(shí)行控制流程。

節(jié)能控制系統(tǒng)的控制流程如下：通過系統(tǒng)軟件，可以準(zhǔn)確計(jì)算節(jié)能控制節(jié)點(diǎn)數(shù)量、最大承載，利用顯示器，能夠?qū)崟r(shí)顯示出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載量。在開關(guān)電源中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)具有不同的實(shí)時(shí)負(fù)載值，所以節(jié)能控制系統(tǒng)在處理節(jié)點(diǎn)時(shí)，所用時(shí)間也不同，會(huì)使系統(tǒng)整體效率下降。為了提升系統(tǒng)處理效率，需要通過軟件方式，對(duì)不同節(jié)點(diǎn)處理時(shí)間進(jìn)行限制。如果節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)負(fù)載量占比50%，利用軟件能夠隨意調(diào)取節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)節(jié)點(diǎn)負(fù)載用時(shí)的超標(biāo)問題進(jìn)行分析處理。如果超出標(biāo)準(zhǔn)限制，則需要提升節(jié)能控制系統(tǒng)工作效率。當(dāng)未超出標(biāo)準(zhǔn)限制，則通過正常安裝流程，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能控制操作。節(jié)能控制系統(tǒng)工作之前，必須考慮單片機(jī)開關(guān)電源的節(jié)能控制問題。

3 實(shí)驗(yàn)分析

通過實(shí)驗(yàn)方式，檢驗(yàn)單片機(jī)開關(guān)電源節(jié)能控制系統(tǒng)的性能，具體如下：

3.1 可靠性驗(yàn)證

對(duì)于單片機(jī)開關(guān)電流來說，主要采用恒流電源，因此系統(tǒng)控制輸出值也具備恒流特點(diǎn)，且具備較高穩(wěn)定性。當(dāng)系統(tǒng)節(jié)能控制能力比較高時(shí)，則可以提升系統(tǒng)整體可靠性?；谝陨戏治觯軌驒z驗(yàn)和試驗(yàn)系統(tǒng)可靠性。

自變量為初始直流電輸出值，因變量為系統(tǒng)低耗輸出值。采用數(shù)顯萬用表、并聯(lián)滑動(dòng)電阻（5個(gè)）等實(shí)驗(yàn)元件。在操作過程中，對(duì)滑動(dòng)電阻并聯(lián)電阻值進(jìn)行更改，會(huì)改變初始直流電。利用數(shù)顯萬用表，能夠?qū)Τ跏贾绷麟娸敵鲋?、低耗輸出值進(jìn)行準(zhǔn)確化測(cè)量和計(jì)算。結(jié)果見表1。

表1 初始直流電輸出值、低耗輸出值統(tǒng)計(jì)表

通過表1數(shù)據(jù)，可以繪制系統(tǒng)低耗輸出值特性曲線。按照電流與電壓曲線，遵循歐姆定律公式：R=U/I（R—試驗(yàn)電路電阻值；U—低耗電壓值；I—電流值），對(duì)試驗(yàn)電路電阻值進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)與表1數(shù)據(jù)比較，結(jié)果顯示，本文系統(tǒng)恒流波動(dòng)率為92%，說明系統(tǒng)具備可靠性。

3.2 抗干擾能力檢驗(yàn)

為了對(duì)節(jié)能控制系統(tǒng)的抗干擾能力進(jìn)行檢驗(yàn)，在無環(huán)境干擾、有環(huán)境干擾下，分別針對(duì)單片機(jī)開關(guān)電源實(shí)施節(jié)能控制，同時(shí)輸出不同情況下，脈沖寬度調(diào)制電路波形。

在無環(huán)境干擾、有環(huán)境干擾條件下，脈沖寬度調(diào)制電路波形不存在明顯差異。在有環(huán)境干擾條件下，只是在10s～20s時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)微小波動(dòng)，仍然處于國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。從上述分析能夠看出，本文所提出的節(jié)能控制系統(tǒng)的抗干擾性能顯著。

結(jié)束語：綜上所述，在本文研究中，基于單片機(jī)開關(guān)電源，優(yōu)化設(shè)計(jì)節(jié)能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)涉及到單片機(jī)監(jiān)控、節(jié)能控制等模塊。其中，節(jié)能控制模塊包含變壓器、脈沖寬度調(diào)制電路、濾波器。通過濾波器，能夠?qū)⒊跏贾绷麟娭写嬖诘漠惓２ㄐ蜗蠼柚}沖寬度調(diào)制電路，可以轉(zhuǎn)化為方形波，同時(shí)輸出至變壓。利用低能耗直流電，將方形波傳輸?shù)奖O(jiān)控模塊。通過單片機(jī)監(jiān)控模塊，能夠提供低能耗直流電顯示功能，以數(shù)據(jù)信息方式顯示，對(duì)單片機(jī)開關(guān)電源進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化控制。通過軟件裝置，能夠科學(xué)控制節(jié)能控制模塊的運(yùn)行里程，同時(shí)對(duì)單片機(jī)開關(guān)電源、節(jié)能控制代碼進(jìn)行檢測(cè)。通過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，單片機(jī)開關(guān)電源的節(jié)能控制系統(tǒng)的可靠性能、抗干擾性能顯著。