李 敬，郭德順，葉世山 ，劉少文，李志軍

(1.新豐江中心地震臺(tái)，廣東 河源 517021； 2.廣東省地震局，廣州 510070)

地震臺(tái)站隔離式直流電源

李 敬1，郭德順2，葉世山2，劉少文1，李志軍1

(1.新豐江中心地震臺(tái)，廣東 河源 517021； 2.廣東省地震局，廣州 510070)

在“十一五”新豐江數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的臺(tái)站加密建設(shè)過程中，以AVR單片機(jī)為核心控制單元，設(shè)計(jì)了一套具有遠(yuǎn)程控制功能的隔離式直流電源，用于地震臺(tái)站的設(shè)備供電，介紹了隔離式直流電源的系統(tǒng)特性、主要功能、系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理，重點(diǎn)闡述了該直流電源的隔離原理和功能實(shí)現(xiàn)，解決了野外儀器易受雷擊的問題。

地震臺(tái)站；隔離；直流電源；單片機(jī)

0 引言

野外地震臺(tái)站的主要儀器設(shè)備包括拾震器、數(shù)據(jù)采集器、IP傳輸終端、路由器、交換機(jī)等，基本上都是直流+12V電源供電。直流電源的供電質(zhì)量直接影響地震臺(tái)站的數(shù)據(jù)產(chǎn)出質(zhì)量和設(shè)備安全。直接使用“交流—變壓器—直流—穩(wěn)壓”的方案給儀器供電雖然簡單經(jīng)濟(jì)，但存在在雷雨季節(jié)容易通過市電線路引入感應(yīng)雷電而損壞儀器的問題；采用太陽能供電系統(tǒng)雖然綠色環(huán)保，也不存在雷擊問題，但價(jià)格昂貴，且連續(xù)陰雨天常出現(xiàn)供電不足，影響數(shù)據(jù)的連續(xù)率。

“十一五”期間，新豐江數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)共新建了10個(gè)野外地震臺(tái)，從儀器防雷安全和性價(jià)比方面綜合考慮，設(shè)計(jì)了一套與市電完成物理隔離的直流電源，既解決了儀器設(shè)備的供電和防雷問題，同時(shí)保證了地震數(shù)據(jù)的連續(xù)率。

1 系統(tǒng)特性和主要功能

1.1 市電隔離功能

采用ATmgea8單片機(jī)作為邏輯控制單元，控制2組蓄電池輪流給設(shè)備供電，系統(tǒng)的交流(市電)輸入和直流輸出通過繼電器實(shí)現(xiàn)物理隔離，這樣避免了從市電線路竄入感應(yīng)雷擊壞儀器。

1.2 電池充放電和保護(hù)功能

系統(tǒng)對2個(gè)電池組的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而達(dá)到保護(hù)電池、延長電池使用壽命的目的。具體做法是，只有當(dāng)某個(gè)電池組滿電時(shí)才用該電池供電，否則繼續(xù)充電，當(dāng)某個(gè)電池組低壓時(shí)，無縫切換到另一電池組供電，同時(shí)對該電池組進(jìn)行充電。當(dāng)2個(gè)電池組均低壓時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息后自動(dòng)切斷供電開關(guān)，進(jìn)入電池保護(hù)模式，避免過度放電而損壞電池。

1.3 旁路功能

系統(tǒng)具有手動(dòng)旁路和自動(dòng)旁路2種功能，單片機(jī)能夠?qū)?種旁路狀態(tài)進(jìn)行判斷。在有市電情況下，當(dāng)判斷為手動(dòng)旁路供電時(shí)，為了提高工作效率，單片機(jī)內(nèi)部程序不再對電池電壓進(jìn)行檢測判斷；當(dāng)2電池組均未滿電時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)旁路狀態(tài)。無論啟動(dòng)何種旁路功能，直流電源都是使用AC/DC充電模塊對設(shè)備供電，同時(shí)對2電池組進(jìn)行充電，此時(shí)系統(tǒng)相當(dāng)于在線式的UPS電源，隔離防雷功能失效。

1.4 可靠的電壓輸出

由于正常情況下系統(tǒng)采用蓄電池組直接給設(shè)備供電，同時(shí)考慮到系統(tǒng)存在旁路工作的可能，電源輸出端加入了π型濾波電路，有效地減少高頻干擾及浪涌電壓對設(shè)備的損害，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

1.5 液晶顯示和監(jiān)控指示

系統(tǒng)帶有液晶顯示屏及監(jiān)控指示燈，顯示屏可直觀地顯示供電電壓、供電時(shí)間，市電接入、旁路情況，電源機(jī)箱內(nèi)溫度等數(shù)值，為了節(jié)能，液晶顯示屏可關(guān)閉。同時(shí)，通過不同占空比的指示燈能夠分別指示系統(tǒng)6種不同的工作狀態(tài)。

1.6 遠(yuǎn)程控制功能

系統(tǒng)預(yù)留了專用接口，用于連接獨(dú)立的遠(yuǎn)程控制模塊，該模塊可以形象地被當(dāng)作一個(gè)帶有遙控功能的“開關(guān)”，用戶可以利用手機(jī)進(jìn)行全國范圍的遠(yuǎn)程遙控，從而實(shí)現(xiàn)地震設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)功能[1]。維護(hù)人員不但可以通過手機(jī)短信控制野外臺(tái)站各種地震儀器的開關(guān)、重啟及旁路動(dòng)作，同時(shí)，遠(yuǎn)程控制模塊也能夠向維護(hù)人員發(fā)送市電通斷、2電池組低壓及電池壽命等報(bào)警信息。

2 系統(tǒng)架構(gòu)和工作原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

整個(gè)直流電源系統(tǒng)主要由4部分構(gòu)成，第一是檢測部分，包括市電檢測、電池組檢測和溫度檢測，市電及電池組的檢測信號(hào)通過TIL117光耦元件進(jìn)行光電隔離后送至中央處理器；第二是換能和隔離部分，通過控制3個(gè)大功率繼電器的通斷，實(shí)現(xiàn)A、B電池組的換能及設(shè)備與市電的物理隔離；第三是中央處理器部分，是整個(gè)電源系統(tǒng)的核心，核心元件采用工業(yè)級(jí)的ATmega8單片機(jī)，通過對單片機(jī)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對其他各部分的邏輯控制；第四是顯示和輸出控制部分，主要顯示電源系統(tǒng)不同的工作狀態(tài)，以及控制系統(tǒng)輸出直流+12V電壓給儀器設(shè)備供電，加裝遠(yuǎn)程控制模塊之后，可通過8路繼電器分別遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)采集器等8種用電設(shè)備[1]。系統(tǒng)構(gòu)成方框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成方框圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 邏輯控制

為了使中央處理器能夠高效的工作，按照圖2流程圖設(shè)計(jì)單片機(jī)內(nèi)部程序，進(jìn)行相關(guān)的邏輯判斷和控制。主要包括以下幾個(gè)方面：

第一，市電判斷。分為無市電和有市電2種狀態(tài)，根據(jù)判斷結(jié)果分別進(jìn)入無市電模式和有市電模式。當(dāng)從某種狀態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種狀態(tài)時(shí)，同時(shí)控制遠(yuǎn)程控制模塊發(fā)送“市電恢復(fù)”或“沒有市電”報(bào)警信息給維護(hù)人員。

第二，2電池組低壓判斷。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入無市電模式時(shí)，2電池組同時(shí)給設(shè)備供電，同時(shí)判斷2電池組是否低壓，未低壓則繼續(xù)供電；低壓則發(fā)出報(bào)警信息后斷開供電開關(guān)，進(jìn)行電池組保護(hù)模式，并等待市電恢復(fù)。

第三，手動(dòng)旁路判斷。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入有市電模式時(shí)，首先判斷是否手動(dòng)旁路。手動(dòng)旁路時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入非隔離的旁路供電模式，同時(shí)對2電池組充電。非手動(dòng)旁路時(shí)再進(jìn)行A、B電池組的電壓比較。

第四，電池組電壓比較。主要出于系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)考慮，即總是讓電壓高的電池組優(yōu)先供電。

第五，電池組滿電判斷。在有市電模式下只有當(dāng)電壓較高的電池組滿電的情況下才允許該電池組獨(dú)立給設(shè)備供電，否則進(jìn)入自動(dòng)旁路供電、2電池組充電模式。

第六，電池組低壓判斷。同樣在有市電模式下，當(dāng)某一電池組開始給設(shè)備供電后，只有當(dāng)該電池組放電至低壓時(shí)，才自動(dòng)切換至另一電池組進(jìn)行供電。通過電池組的滿電和低壓標(biāo)志進(jìn)行判斷控制，能夠使電池組充、放電都較為充分，保證了其良好的工作狀態(tài)。

圖2 軟件流程圖

2.2.2 數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

從2.2.1節(jié)的邏輯判斷可以看出，電池組的滿電和低壓是2個(gè)重要判據(jù)。為此，利用ATmega8單片機(jī)內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)設(shè)計(jì)了一個(gè)3路單端輸入數(shù)字電壓表，輸入端為單片機(jī)的PC0、PC1和PC2引腳，分別量取A電池組、B電池組和AB電池組(供電輸出)的電壓值。通過查閱ATmega8單片機(jī)的使用手冊，ADC輸入電壓范圍為0～Vcc，即數(shù)字電壓表的最大量取電壓不能超過DC5 V。由于要量取的電池組電壓為DC12 V左右，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通過高精度的10 kΩ電阻和5 kΩ電位器組成分壓電路(圖3)，分壓比設(shè)定為4.8，即待測量電池的電壓等于電位器中間抽頭端電壓的4.8倍，在直流電源系統(tǒng)出廠之前應(yīng)該嚴(yán)格調(diào)整電位器，以滿足這一倍數(shù)關(guān)系。

圖3 分壓電路原理圖

由手冊查得ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果公式為：

式中：VIN為被選中引腳的輸入電壓，也就是待測量電池電壓的分壓值。

VREF為參考電壓，設(shè)計(jì)時(shí)選定VREF=VCC=5 V。

n為ADC轉(zhuǎn)換精度，實(shí)際應(yīng)用中選用8位精度，即n=8。

ADC轉(zhuǎn)換的其他參數(shù)設(shè)定為：左對齊，單次轉(zhuǎn)換模式，128分頻。同時(shí)，設(shè)定電池組電壓高于12.5 V時(shí)為滿電，低于11.5 V時(shí)為低壓。程序設(shè)計(jì)時(shí)必須將電池組的滿電和低壓電壓按照上述公式轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的ADC值，才能作為單片機(jī)的邏輯判據(jù)。

滿電ADC值為：ADC=(12.5÷4.8)×256÷5≈133。

低壓ADC值為：ADC=(11.5÷4.8)×256÷5≈123。

即當(dāng)ATmega8單片機(jī)完成單次ADC轉(zhuǎn)換后，軟件讀取其某路ADC值≥133時(shí)，就可以判定該電池組已經(jīng)滿電，當(dāng)讀取的ADC值≤123時(shí)可以判定該電池組已經(jīng)低壓，軟件以此作為電池組換能和保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 主控電路原理

圖4給出了直流電源系統(tǒng)的主控電路示意圖，換能、旁路由3個(gè)多觸點(diǎn)繼電器通過邏輯控制完成，市電及電池組檢測通過光耦器隔離，圖中的二極管既起隔離作用，也可以防止AC/DC充電模塊及電池組因極性接反而燒壞主板及用電設(shè)備。

圖4 主控電路示意圖

圖5給出系統(tǒng)主控電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)圖，圖中的ULN2003 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陣列，用于驅(qū)動(dòng)繼電器；在線可編程(ISP)接口，用于對ATmega8單片機(jī)的邏輯軟件進(jìn)行更新和工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；狀態(tài)指示燈共4個(gè)，分別為，LED1：電池監(jiān)控指示燈，LED2：市電指示燈，LED3：旁路指示旁，LED4:系統(tǒng)供電指示燈。電池監(jiān)控指示燈LED1的占空比波形圖如圖6所示，從圖中可以看出LED1指示燈能夠顯示系統(tǒng)6種不同的工作狀態(tài)。

圖5 主控電路原理圖

圖6 監(jiān)控指示燈波形圖

2.5 轉(zhuǎn)換控制和檢測電路原理

圖7為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換及檢測電路原理圖，圖中轉(zhuǎn)換控制及旁路控制部分給出了繼電器的詳細(xì)接線方法[2]。圖中的K1為手動(dòng)旁路開關(guān)，K2為供電/保護(hù)開關(guān)，市電接入檢測、電池組接入檢測和手動(dòng)旁路檢測信號(hào)通過斯密特觸發(fā)器后再接到單片機(jī)的I/O引腳，防止誤觸發(fā)。圖中不同字母對應(yīng)的接入節(jié)點(diǎn)如圖4所示。

3 結(jié)語

地震臺(tái)站隔離式直流電源具有簡單實(shí)用的特點(diǎn)，其與市電完成物理隔離的功能可以最大限度地防止野外儀器設(shè)備遭受雷擊，保證了儀器的用電安全。通過加裝遠(yuǎn)程控制模塊，可以搭建多路遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)，利用手機(jī)短信就能完成大范圍的遠(yuǎn)程設(shè)備維護(hù)，既提高工作效率，也節(jié)省人力、物力，具有較好的推廣價(jià)值。

圖7 轉(zhuǎn)換及檢測電路原理圖

[1]游愛生，李敬，黃友明，等.數(shù)字地震臺(tái)站遠(yuǎn)程維護(hù)模塊開發(fā)[J].中國西部科技，2011,10(25)：24-25.

[2]何壽清，呂金水，謝劍波，等.數(shù)字地震臺(tái)站的配電單元系統(tǒng)[J].華南地震，2000,20(4)：44-49.

Isolated DC Power Supply for Seismic Station

LI Jing1, GUO De-shun2, YE Shi-shan2, LIU Shao-wen1, LI Zhi-jun1

(1. Xinfengjiang Center Seismic Station, Heyuan 517021, China;
2. Earthquake Administration of Guangdong Province, Guangzhou, 510070, China)

In this paper, using AVR microcontroller as the core control unit, a set of isolated DC power supply with remote control functions is designed for seismic station to solve the problem of field instruments vulnerable to lightning. The principle and function of the isolation of the DC power supply to achieve is introduced.

seismic station; isolation; DC power supply; single chip microcomputer

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.03.009

2014-06-13

廣東省地震局2011年地震觀測(臺(tái)站)科研專項(xiàng)

李 敬(1975—)，男，工程師，主要從事地震監(jiān)測管理和儀器維修工作.E-mail:lj6558@163.com

P315.78

A

1003-1375(2014)03-0039-06