CAWS600B气象站电源控制系统应用解析

    随着大气监测自动化系统建设全面建设完成，越来越多的自动气象站投入了业务运行，目前气象系统业务用自动气象站，很大一部分是CAWS600B型自动气象站，该型自动气象站投入业务运行已近10年时间，运行比较稳定，出现的故障很大一部分是由它的电源控制系统造成的。因此本文结合多年来的实践经验介绍一下CAWS600B型自动气象站电源控制系统的工作原理及典型故障分析。

1 CAWS-DY01电路原理
    CAWS600B的电源供电系统为CAWS-DY01模块。它的主要组成部分是单片机PIC16C711-041／P模块，通过LM集成稳压器件和场效应管组成了一个智能控制电源。它的电路原理图如图1所示，由于CAWS600B型自动气象站采用市电220 V供电，通过电源系统供电模块DY01对变压后的交流电进行整流稳压，并对12 V蓄电池进行直流充电。该电源系统单片机PIC16C711-041／P模块的智能功能可以随时监测蓄电池的能量存储状况，并自动控制是否对蓄电池进行充电，这样可以解决蓄电池的电量虚满问题。同时也可以通过整流稳压电路直接对采集器DT50单元和传感器进行供电。它主要由整流滤波系统、智能控制系统、充放电系统和供电检测系统四部分组成。

    (1)整流滤波系统工作流程。CAWS600B自动气象站主要由CAWS-DY01模块供电，CAWS-DY01模块对交流220 V市电供进行转化。如图1左上端所示，CAWS-DY01模块对值班室来的220 V交流市电通过交流变压器T1变压可变换成(16～18 V)AC电压，然后经过电桥BD1和C5全波整流电路对18 V交流电进行整流和滤波，可将交流电变换成20 V左右的直流电。到此时，220 V交流市电变成有轻微脉动的不稳定直流电。通过用万用表直流电压档可测得此时电压在18～22 V直流之间浮动。此时的大容量电解电容C5起到储能稳压的作用，从C5出来的脉动直流电流经如图1所示的A点对直流输出电路单元、电池充电电路单元、中央控制电路单元供电。也可以说是直流电供电点。
    (2)智能控制系统电路原理。智能控制系统主要由单片机PIC16C711-041／P模块组成。智能控制系统供电主要由两部分电路构成：经由A点的20 V左右的脉动直流电经U6三端稳压集成电器LM7809稳压后输出9 V直流电，到如图1所示B点位置。第二部分智能控制系统供电电路是电池直接提供的12 V直流电，如图1中E点为蓄电池正极，蓄电池所供的直流电经二极管D7输出12 V左右直流电到B点；两路电路会合后由于电压差蓄电池的供电电压高于电路1部分的供电电压，此时根据二极管的单向导通法则，可以确定此时由蓄电池对单片机PIC16C711-041／P模块进行供电。所以正常情况下，采集器供电系统主要是由蓄电池对DT50采集单元供电。若蓄电池过度使用或者损坏导致蓄电池供电电压过低，低于10 V后，此时则由通过整流滤波系统将市电220 V整流变压后由A点对系统进行直流供电，此时到达B点的8 V直流电经三端稳压集成电路LM7805稳压和滤波电容C4滤波后输出稳定地5 V直流电对给控制单元单片机PIC16C711-041／P模块供电。    (3)充电及稳压输出电路
    单片机PIC16C711-041／P模块为带模／数转换器的8位微控制器。当输于电压在其门限值附近时，CMOS输入缓冲器将吸收电流，根据这个原理，蓄电池电压经通过电位调制器W1调控，到达单片机模块的第18脚，这时可以将其看作为控制电路充电的门限电压，当此时电压不大于2．2 V时，CMOS输入缓冲器将启动单片机内部程序对电池进行充电，直到电池电压升至3．8 V左右，此时充电电路关闭充电过程结束。同
理，当电池电压大于或等于3．8 V时，电池放电，则此时电压慢慢减小，直至2．2 V时，放电过程结束，此时充电电路则重新启动对电池进行充电。整个充电电路主要由如图1右下角的三极管Q2、场效应管Q4(原理同Q5，Q6)和可调节3端正电压稳压器U3，R20组成。可调节3端正电压稳压器U3(LM317)是输出电压可调的集成稳压器件。稳压电源的输出电压可用下式计算：Vo=1．25(1+R2／R1)。仅仅从公式本身看，R1，R2的电阻值可以随意设定，然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R1和R2的阻值是不能随意设定的，首先LM317稳压块的输出电压变化范围是1．25～37 V(高输出电压的LM317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是1．25～45 V)，所以R2／R1的比值范围只能是0～28．6。所以该电路组成恒流源电路，以恒定电流给电池充电，目的是延长电池的使用寿命，保持仪器运行的稳定性。
    (4)供电检测系统电路。通过单片机PIC16C711-041／P工作原理，单片机第1脚可以通过电阻R15过来的信号检测A点是否有电压，若有电压，通过模块内部的调节作用在第9脚输出4．8 V直流电压，经过图1右上角的两个电阻R21，R22分压，使三极管Q5导通，此时场效应管Q6源极电压Vs为A点直流电压22 V，经3个电阻R23，R24，R25分压产生9．8 VDC栅极电压Vg。综上所述，此时栅极电压Vg为9．8 VDC，场效应管Q6源极电压Vs为22 VDC，可以得出两级电压差Vgs为-12．2 VDC，则绝对电压值远大于P沟道MOS场效应管RF9530开启电压V1，所以场效应管Q6处于导通状态，且内阻极小远远趋近于零，此时场效应管Q6漏极电压应为22 VDC，经三端稳压器U7(7812)稳压和滤波电容C10(滤除噪声使输出更加平稳；提供储备电流，当需要突发大电流时可以弥补不足)滤波后输出12 V直流电压。当单片机PIC16C711-041／P模块1脚接受不到A点的电压时，此时三极管Q5处于截止状态，而此时场效应管Q6栅极电压Vg与源极电压Vs想同，都为22 VDC，则两级电压Vgs为0，不满足场效应管导通条件所以处于截止状态，此电路无电流通过对系统不供电。与此同时在单片机PIC16C711-041／P第7脚输出4．8 V直流电压，使三极管Q1、场效应管Q3导通(工作原理同Q5、Q6)，蓄电池输出直流电压经E点通过场效应管Q3、二极管D8提供12 V直流输出电压。输出的12 V直流电压经三端稳压集成器U4(7805)稳压、滤波电容C8滤波后输出提供5 V直流电压。此时系统通过发光二极管显示12 V直流输出电压是否正常，正常则亮。
    需要注意的是整个电源系统的输出都是经过右端的12 VDC输出，右端的所标5 V输出功能闲置，系统没有使用。

2 常见故障分析与处理
    常见故障分析可从交流输入部分、智能控制系统电路故障、充电及直流输出电路三部分着手：
    (1)交流输入部分故障，此部分故障排除比较简单，首先用万用表测量变压器T1输入端的交流220 V电压是否正常，然后再测量T1输出端是否正常，有时由于变压器故障容易出现电压衰减现象。接着可测量电源板交流输入端电压是否为18 V交流电，再测量A点直流电压是否为22 V，通过以上几点测量就可判断出故障部件。
    (2)智能控制系统电路故障。这部分电路出现故障一般有两种情况：单片机PIC16C711-041／P损坏或因供电故障不能工作，这种故障现象一般表现在电源系统无12 V直流电输出，不能给电池充电，造成采集器不能采集数据。依次测量单片机第4、14脚是否有5 V直流电压，B点是否有11 V左右直流电压，然后分两路一直测试到A、E点即可查出故障原因。曾经有一站点，雷电后采集器工作异常，经现场测量单片机第4脚电压为4．8 VDC，B点电压为零，此时可确定是单片机芯片损坏造成的，更换单片机芯片后采集器恢复正常工作。
    (3)充电及直流输出电路故障。由原理图可知，充放电电路包括3部分电路，此三部分电路主要部分是完全相同的，原理一样。可以以交流220 V供电电路为例，首先确定单片机第9脚电压是否为4．8 VDC，然后再量取场效应管Q6源极的源级电压Vs是否为直流22 V，栅极电压Vg是否为9．8 VDC，漏极电压是否应为22 VDC，否则场效应管Q6损坏，如果场效应管Q6栅极电压Vg与源极电压Vs基本相同，则三极管Q5不通，则可以判定三极管Q5损坏或相关电阻故障，如果场效应管Q6栅极电压Vg没有电压示值，则可以判断电阻R25故障。三端稳压集成电器U7和滤波电容的故障直接通过测量其端脚电压即可判断。

3 结语
    通过研究了解电路系统内部的工作原理可以很好地进行维护维修工作，当面对一些突发故障时能少走弯路，节约时间和成本。所以，当面对一些新生产品时，了解和掌握其内部的工作原理和运行机制，对未来的维护保障工作具有深远的意义。