一种电源切换装置的设计∗

（91550部队 大连 116023）

1 引言

在靶场，依靠各种测控装备来对飞行器实施跟踪、测量、遥控、数据计算、监控等的系统模式已经形成，较好地解决了飞行器发射系统的误差和系数分离问题，保障了系统的稳定性和安全性［1］。整个测控网由各个测控链路组成，链路的完整性对系统存在很大的影响。靶场测控装备种类繁多，分布广泛，为便于观测，很多测控装备分布在了高山、海岛、无人区。特别是一些单人作业、便携式的测控装备，如GPS、北斗等，均配备铅酸电池或锂电池。由于测量时间有一定的机动性，某些时候需要突破单电源供电的极限，再加上电池随着使用频率的增加，稳定性下降，就可能出现突发供电问题，造成测控网断链，给整个行动带来不利影响。为保证测量任务的顺利完成，需对某些测量设备需要配备合适、易于携带的后备电源。基于此，本文设计了该电源切换装置。

2 装置的主要功能及原理

图1 系统功能框图

如图1所示，该装置由51单片机控制，且使用同样的两块电池作为电源来进行切换。首先由常用电源1给测控设备供电，采样电源电压信号并由ADC（模数转换器）送入单片机，电压信号一路经单片处理送LED进行实时显示，另一路送比较切换电路与预先设定的电压阈值相比较，当得到的电压信号达到设定的阈值时即可使常用电源1切换到后备电源2上。在切换时，软件设置了一定的延时，在后备电源2供电电路达到稳定时才断开电源1供电电路，故保持了供电的持续不间断性，不会对用电设备产生影响。

3 硬件电路设计

3.1 复位电路

单片机几乎都需要复位电路，其作用是使单片机上电时能可靠复位，下电时防止程序跑飞修改EEPROM中的数据［2］；另外，由于各种干扰因素的影响，单片机系统可能出现死机无法正常工作，为了克服这一现象，最佳方法是外加一个看门狗电路。芯片可选择MAXIM公司的MAX813L。MAX813L的6脚与单片机的P2.6相连，设计软件时，P2.6不断输出脉冲信号，如果单片机因某种原因进入死循环，则P2.6无脉冲输出。于是1.6s后在MAX813L的看门狗输出引脚（第8脚）输出低电平，加到第1脚（低电平有效），使MAX813L产生复位输出，单片机有效复位，摆脱死循环的困境［3］。

图2 复位电路

3.2 电源电路

电源电路选择的好坏，对于一个嵌入式的控制系统影响很大。很多设计者习惯采用78XX系列三端稳压器件来调节较高直流电压转为控制单元需要的工作电压。这种线性稳压电源的线性调整工作方式在工作中会产生值为V压降×I负荷的“热损失”，其工作效率仅为30%～50%［4］。LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，具有转换效率高、输出电压可调、保护电路完善、振荡器频率固定（52KHz）等特点［5］。该器件利用4个或6外围器件便可构成高效稳压电路，由于期间含1.23V的基准稳压器，可将输出电压与之作比较，若电压有偏差，则控制内部振荡器输出的占空比，从而输出电压保持稳定。电路如图3所示。

3.3 其它部分接口电路

为了实现该装置的功能，还需要设计时钟电路、A/D转换电路，LED显示电路、电压钳位电路。

3.4 电压调理电路

8位AD转换器（规定VRef0～5V或0～2.5V）当输入信号等于参考电压时，输出满量程为255，根据AD转换器的原理，VRef/255=VIN/Vout，那么得出Vout=VIN*255/VRef，在本装置设计中VIN为12V～13V电池VIN＞VRef，对输出超过满量程的值，均输出为FF，这样采集的信号就发生了错误，所以需要对输入电压信号值VIN进行调整。图中经R1和R2电阻进行分压后记得到合理的信号值，由于电路中存在信号噪声，引起信号波动［6］，也会影响信号采集结果，所以采用电容进行滤波和消除纹波。LM358构成的电压跟随器在这里起阻抗变换作用［7］。一方面将输入阻抗变得很高，输出阻抗变得很低，这样对输入信号的影响就可以忽略不计了。信号经过上述调理过程，就被优化了。

图3 电源电路

图4 电压调理电路

3.5 切换电路

如图3所示，切换电路由主电源（电源1）、后备电源（电源2）两路供电电路组成。装置使用I/O端口驱动继电器，初始时P2.3电平为高、P2.4电平为低，该状态下三极管Q1截止、Q2饱和导通，U6、U7这两个继电器吸合，电路稳定后断开U6，形成稳定回路给负载供电。当满足切换条件时，Q2饱和导通，U6立即吸合，延时一定的时间后P2.4被置为了高电平，电源1断开，换为电源2给负载供电。继电器线圈上并联的IN4004二极管为蓄流二极管，其起作用是在8050截止瞬间，形成释放继电器线圈中能量的回路，以避免造成反峰电压击穿三极管［8～9］。

4 软件设计

该装置运行程序采用C语言编写。C语言程序可以灵活设置各种运行方式及时间参数［10］（双电源切换装置）。软件流程图如图6所示。

软件采用模块化的形式，每一个模块实现一个功能。模块化有利于提高程序的可靠性和可修改性，也便于后期的测试和调试［11～12］。系统首先进行上电或复位，待电源稳定后对各模块进行初始化，初始化完成之后依据条件进行判断，再根据判断的结果进行相应的处理。

图5 切换电路

图6 软件流程图

5 结语

电源，作为用电设备唯一的动力来源，有着不可或缺的重要地位。而对于某些不允许断电重要的场合，就需要配备两路电源。通常情况下，电池供电的设备本身会配备有后备电池，那么要保持持续不间断供电，就需要一种可靠的电源切换装置在两路电源间进行切换。本文设计的基于51单片控制的电源切换装置，结构简单、经济高效，极大地提高了某些测量设备的可靠性。装置切换过程零延时，保障了测量数据的完整性和可用性。