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电脉冲围栏电源的设计论文

编号

本科生毕业设计（论文）

题目：

畜牧专用电脉冲围栏电源设计

物联网工程学院电气工程及其自动化专业

学号0701080227

学生姓名帅哥

指导教师方益民副教授

二〇一二年六月

摘要

畜牧专用电围栏电源的成功设计既可以提高我国草原质量也可以减少畜牧人力的投入，促进了畜牧业的发展.

畜牧专用电脉冲围栏电源的设计的原理是通过单片机来对控制MOS管的导通与关断间接控制变压器的导通与关断,进一步来控制变压器升压及电容的充电，在电容充电后再为输出变压器充电，进而为电围栏的正常工作提供稳定的所需电压.

由于工作状态分为黑夜和白昼，可以通过一个光敏电阻在黑夜和白昼的电阻值不同通过单片机来检测A/D转换后的采样电压进而对电脉冲的周期进行改变，电容的充放电电压时间和周期都是通过单片机编程来控制的，通过单片机的显示部分可以清晰的检测到完整的工作状态.

本次所设计的电源成本低、操作简单、体积小、安全性能高、适应性强等优点.

关键词：

升压；A/D转换；电压采样；

ABSTRACT

AnimalhusbandryandspecialelectricfencepowersuccessfuldesigncannotonlyimprovethequalityofChina'sgrasslandanimalhusbandryalsocanreducethemanpowerinvestment,promotethedevelopmentofanimalhusbandry.

AnimalhusbandryandspecialelectricpulsefencespowersupplydesignprinciplethroughtheMCUtocontroltheMOStubeturn-onandturn-offofindirectcontroltransformerturn-onandturn-off,furthertocontrolthetransformerandthechargingofthecapacitor,thecapacitorchargingafteroutputtransformercharging,andtoworktoprovideastableelectricfencethedesiredvoltage.

Thestateisdividedintothenightandtheday,canbeachievedbyaphotosensitiveresistanceinthenightandthedayofthedifferentresistancevaluesthroughthemicrocontrollertodetectA/Dafterconvertingthesamplingvoltageandelectricpulseonperiodicchange,thechargeanddischargeofthecapacitorvoltagetimeandcyclethroughtheMCUprogrammingtocontrol,throughthesingle-chipdisplaypartcanbeclearlydetectedcompleteworkingstate.

Thedesignofpowersupplyoflowcost,simpleoperation,smallvolume,highsafetyperformance,strongadaptabilityandsoon

Keywords:

Boost；ADconverter；Voltagesamplingandstorag

第1章绪论

随着工业的飞速发展，人类赖以生存的环境得到破坏，所以草原建设不可缺少，我国拥有天然草原和草山草坡50多亿亩,是世界上四个草原大国之一.我国早就有利用草原发展畜牧业的历史,但长期以来,草地的使用范围界线不分明,一直沿袭“靠天养畜”的习惯,逐水草而居,只管使用,不管建设,使草地生产力急剧下降.甚至造成严重的过牧、滥牧,引起草地的退化、沙化和碱化.目前我国这种“三化”草原的面积已占天然草原面积的1/5,并且还有发展的趋势.因此,在我国发展围栏,合理利用草地（固定草地的使用范围,实行分区轮牧制等）,不仅是发展畜牧业的当务之急,也是协调农、林、牧之间的关系以及保护生态环境的当务之急.

畜牧业电子围栏即不同于监狱看守所使用的传统高压电网，也不同于脉冲电子围栏报警器，是专门为畜牧业养殖业朋友研制的价格低廉实用的电围栏产品，随着中国经济的不断发展，传统的畜牧养殖业逐渐比较多的采用先进的设备技术，淘汰落后的畜牧养殖手段，来提高劳动效率和增加经济效益.

在大家印象中畜牧业可能还是大家经常在电视中看到那样几个人拿着鞭子去放牧，这样耗费的人力太大，随着劳动力的升值很不符合市场经济的发展，同时会使得畜牧行业发展遇到很大的障碍，传统的放牧方式同样影响牲畜的存活，在主要的畜牧地带还存在野生的狼等天敌，对人也有一定的威胁，大型圈养方式也存在很多问题，不仅所需大量的建筑成本，而且牲畜的食物来源也是一个大问题，随着生活水平的提高，人们对食用肉的质量越来越重视，圈养的肉的质量明显不能得到消费者的信赖和满意，但用电围栏就可以实行移动式圈养，这样既省了成本，同时也提高了产品的质量，畜牧专用电脉冲围栏的设计就在很大程度上解决了上面的问题，畜牧专用围栏工作原理简单，就是当有外来的动物或人碰到围栏时围栏就会用瞬间的高压电使得人或动物发生触电，但触电时间非常短对人或动物都不会造成伤害，可以起到警示的作用，同理对内部的动物也会有同样的作用，时间长了也会产生条件反射，只要圈内动物看到电围栏就会避开，电围栏在经济实惠方便携带的同时，最重要的是操作同样简单，一个高压脉冲发生装置，和一些所需导线，简单的链接就可以了，不需要很高的文化就可以，比起其他饲养方式在许多方面都有着很大的优势[1].

1.电围栏的构成.

电围栏系统由提供非致命高压电脉冲通路的金属线、防护网及产生非致命高压电脉冲和监控围栏状态的激励监控器组成.系统一般还应包括有防雷装置以保证设备及人员的安全.

当非法入侵者试图跨越电围栏或者试图短接、剪断电围栏时，监控系统将触发警报，从而告知巡逻的保安人员或业主.

根据不同的保安等级，围栏的线数、线距、分区长度、是否与现有的砖砌围墙进行整合等参数都可以进行个案调整.电围栏网可以垂直安装或以倾斜的角度进行安装以提供更宽的物理障碍使得非法入侵者非常难于用挖掘或攀爬的方式侵入.

2.电围栏的应用.

电围栏系统可用于机场、港口、军事基地、监狱、工厂、货仓、政府机关、居民小区、农场、私人住宅等一切需要周界防卫的场合.

3.电围栏的安装场所.

电围栏系统可以加装在现有的周界围栏上、周界围墙上，也可以单独新建整个电围栏系统.电围栏系统还可以与其他安访监控系统进行整合应用以提供更高的保安程度.

4.电围栏系统的优点.

高安全性.电围栏通过以下三个方面来保高安全性：

1）电围栏对非法入侵者而言是一道非常耗时间侵入的物理障碍物；

2）电围栏对非法入侵者而言是一道非常严重的心理障碍.虽然电围栏的高压打击电脉冲对动物和人都完全安全无害，但其高压打击将令非法入侵者感到非常痛苦.同时电围栏上悬挂的高压警示牌也将令非法入侵者产生心理障碍而放弃侵入行动.

3）电围栏对非法入侵行动进行可靠报警.当试图跨越电围栏或者试图短接、剪断电围栏时，监控系统将触发警报，告知巡逻的保安人员.同时系统的高分贝警报器和醒目的闪光灯将惊吓走非法入侵者.

低成本.

1）非常低的安装成本.电围栏系统可以方便地加装在现有的周界围栏/围墙上，也可单独新建整个电围栏系统来代替传统的围栏/围墙；

2）电围栏系统可以降低保安人员的数目从而降低人事费用；

3）极低的运营电费.所有雷霆系列周界防卫用电围栏激励器的正常耗电均不大于20瓦，每天电费小于0.5元人民币.

4）极低的维护成本.除了定期清除沿着围栏生长的杂草、杂物和每三年更换老化的后备蓄电池外，采用高质量材料和严格按照国际标准进行安装的电围栏加上高质量的雷霆系列激励器所组成的电围栏系统基本上不须维护.

5.脉冲电围栏系统的国内外应用情况.

由于种种原因，先进的脉冲电围栏系统在中国国内应用极小而鲜为人知.其实脉冲电围栏系统在美国、欧洲、澳大利亚、新西兰、南非、南美等地已有长达六十余年的应用历史，并不是一个全新的东西.目前在上述所提的先进国家和地区，采用先进固态电子技术的脉冲电围栏系统已普遍应用于安防业与农牧业上.在脉冲电围栏技术上较为领先的国家和地区主要有新西兰、南非、美国等.

在中国，人们所看到的电围栏系统绝大多数是应用在监狱等场所，并采用双卷变压器升压的，对人体有致命影响的非固有安全系统，因此该类电围栏系统的应用场合非常有限.现有的中国国家标准也是针对该类电围栏系统而设立的.目前中国没有相应的脉冲电围栏系统国家标准.

上世纪九十年代，国内内蒙古某单位曾仿制过新西兰Gallagher公司早期用于农牧业的脉冲电围栏激励器，但由于对技术内核并没有深入了解以及采用的电子元器件可靠性低等缘故，产品并不成功.

进入本世纪以来，上海、北京等地的一些公司开始代理并进口以色列、英国、法国某些公司的安防用周界防卫电围栏激励器.但这些代理公司本身并不了解技术内核和拥有自主知识产权，而且所代理的公司其技术水平在国际上并不占据领先地位，进入中国的这类产品也不是这些公司的最先进产品.由于没有进行长期科研投入，江浙、四川等地的个别公司在没有很好了解脉冲电围栏激励器技术内核情况下，仿制了一些国外产品，但其可靠性较低，在市场上口碑并不好.

无论如何，这些公司引入脉冲电围栏技术进入中国，对用户进行推广宣传，在该领域是作出了贡献的.

自从2004年以来，深圳市宙斯盾电子有限公司组织了一支由具有在该领域多年海内外工作学习经验的归国留学人员为核心骨干的专业团队，对电围栏激励器关键电路、关键软件控制算法、关键电子元器件进行了大量仿真计算和长期实际现场可靠性实验.所推出的雷霆系列周界防卫用电围栏激励器完全按照相关国际先进标准进行设计，拥有独立的自主知识产权，采用经过长期可靠性试验的关键电路和电子元器件，目前代表了该领域的国内最高水平，与国际同行相比，技术上的创新性、先进性、可靠性毫不逊色，而且得益于国内的低成本，产品和服务的性价比更高.

电围栏激励器通常要求24小时不间断工作，安装环境又千差万别，围栏线又有天然的引雷特性，可靠性问题特别突出.源于对自己产品品质的高度自信，宙斯盾电子对雷霆系列周界防卫用电围栏激励器提供三年质量保证，这是我们的国际、国内竞争对手所不敢也不能提供的.雷霆电围栏系统――无后顾之忧的选择.

第2章畜牧专用电脉冲电源的设计

2.1电脉冲电源的工作原理

电脉冲电源是为畜牧围栏提供一个稳定的脉冲电压峰值为6000V---12000V.如果直接将围栏接6000-12000V的电压非常危险，畜牧专用电脉冲围栏电源设计是将12V的低压电源通过两个升压电路和单片机的控制将电压变成6000---12000V的高压脉冲，工作方式有黑夜和白昼两种，可以根据光敏电阻在黑夜和白昼的阻值不同的特点，在光敏电阻两端进行电压采样，把电压值反馈到单片机，通过单片机的程序设定进一步来区分黑夜和白昼.

（1）夜间工作

在夜间动物的活动频率小，脉冲周期可设为2.5s，在夜间光敏电阻的的阻值很大由一个串联电路的分压采样可知道光敏电阻两端的电压值，由单片机程序设定电压值范围，当电压值与其中的一个设定值范围内时就会通过单片机对输出电压的频率进行控制.产生周期为2.5s的脉冲.

（2）白昼工作

在白天动物的活动频率大，脉冲周期可设为1.5s,在白天光敏电阻的值为已知，通过分压采样可知道光敏电阻两端电压值，由单片机程序设定的电压值范围，当电压值在其中的一个设定范围内，就会通过单片机对输出电压的频率进行控制.产生周期为1.5s的脉冲.

2.2电脉冲电源设计要求

（1）输入电源：

12V16A/h蓄电池储能

（2）输出脉冲：

对地电极：

单极式；

脉冲周期：

白：

1.5s黑：

2.5s;

脉冲持续时间：

≤0.1s；

脉冲最大能量：

≤5J

2.3总体设计方案论证

根据设计要求可得到以下3种方案：

方案一

1高压脉冲输出分为正负两路脉冲，正脉冲从“一路高压输出端”接到围栏上，然后接回“一路高压输入端”；负脉冲从“二路高压输出端”接到围栏上，然后接回“二路高压输入端”，从而在前端围栏上形成正、负两个脉冲回路.

2高压接地输出:

可与避雷器接地共用接地输出，与保护接地分开接地.

3电压切换开关:

用来切换主机工作在高低模式或者是自动工作模式.

4键盘输出:

可直接接入键盘或经RS485转RS232转换后接入计算机进行远程控制.每台主机间RS485连接需采用总线式连接方式，不允许星型连接方式.

5开关量输出：

输出常开/常闭两组信号，接需要接入其它需联动设备.

6警号输出：

报警时输出DC12V电压，可接入功率不大于10WDC12V报警设备.

7电源开关：

控制主机市电的接入与断开.

8电源输入：

接入AC220V电源.

下面是方案一的一个原理图

图2-1方案一原理图

方案二：

（1）电源是一个12V的便携式的蓄电池电源，电源经过一个三级稳压管将输入为12V变为5V输出，输出5V电压为单片机的工作提供电源，而由电源经过保险丝直接接到驱动变压器的一次侧，一次侧的另一端接在MOS管的管脚相连.

（2）当单片机发出高电平时驱动MOS导通，驱动变压器工作并为大电容充电，当电容完成一次充电时由单片机再次输出高电平输出变压器工作，输出变压器的二次侧为围栏的工作提供脉冲电压.

（3）单极式的输出输出电压只有两根导线.

（4）工作模式的切换根据光敏电阻值不同由单片机程序来控制.

（5）单片机的工作电源与升压电源为同一蓄电池电源工作统一.

（6）电源输入12V蓄电池电源.

方案比较结果：

根据本次课题的要求两种方案都基本符合要求，但我们所需要的是一个经济，简洁携带方便的电源，方案一的实物产品体积会很大，价格会很昂贵，在畜牧业当中应用不太合适，而且安装比较复杂所需的工作电源220V在很多地方不是很方便，而方案二的实物产品是一个简单经济体积小容易携带和安装的一个电源装置，所需的工作电源只要一个蓄电池就可以解决了，虽然在功能和外观上和方案一比起来有些逊色，但对于畜牧来说基本满足要求，从多个方面来考虑最终决定采用方案二.

2.4具体的设计方案

核心处理器的选型

核心处理器负责控制与协调其他各个模块工作，并进行简单的数字信号处理.在整个硬件电路中，主控器是系统的控制中心，其工作效率的高低关系到系统效率的高低以及系统运行的稳定性.设计过程中用单片机作为主控制器，控制MOS管的导通与关断，间接控制变压器和电容的充放电，在显示部分单片机要可以看出电源电压也可清晰的显示电容的充电情况，为了实现本次设计的功能，我首先对单片机进行选择.

方案一:

采用8位A/D转换器ADC0809[2]和51单片机[3]结合来实现A/D转换和CPU功能，ADC0809为CMOS型单芯片器件.其作用可根据地址译码信号来选择模拟输入而共用一个A/D转换器.但其占用端口多，转换频率低于1M.而且51单片机虽然符合所需要的基本功能，但实现起来程序复杂电路繁琐.

方案二：

采用ATTINY26芯片，它具有高性能、低功耗的8位RVR微处理器；RISC结构；118条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期；32个8位通用工作寄存器；全静态工作；工作于16MHz时性能高达16MIPS；非易失性程序和数据存储器；2KB的系统内可编程F1ash；擦写寿命：

10000次；128字节的系统内可编程EEPROM；擦写寿命：

10000次；128字节的片内SRAM；

可以对锁定位进行编程以及实现EEPROM数据的加密，外设特点：

具有独立预分频器的8位定时器/计数器，具有独立预分频器的高速8位定时器；

具有独立输出比较寄存器的高频率PWM；非重叠的反相PWM输出引脚；具有开始状态检测器的通用串行接口；10位模数转换器；11个单端通道；8个差分模数转换器通道；7对具有可编程增益（1倍，20倍）的差分通道；片内模拟比较器；外部中断；11个引脚电平变化可以触发中断；具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；特殊的处理器特点：

低功耗空闲模式、噪声抑制模式、省电模式；上电复位以及可编程的掉电检测；片内/片外中断源；通过SPI端口在系统内可编程；经过标定的片内RC振荡器；I/O和封装：

20引脚SOIC：

16个可编程I/O线；工作电压：

4.5～5.5V；速度等级：

0～16MHz；掉电模式：

<1μA[5].

外部中断；11个引脚电平变化可以触发中断；具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；特殊的处理器特点：

低功耗空闲模式、噪声抑制模式、省电模式；上电复位以及可编程的掉电检测；片内/片外中断源；通过SPI端口在系统内可编程；经过标定的片内RC振荡器；I/O和封装：

20引脚SOIC：

16个可编程I/O线；工作电压：

4.5～5.5V；速度等级：

0～16MHz；掉电模式：

<1μA.

结论：

相比两者ATTINY26系列器件性能优良、速度快、功耗低、精度高、可靠性好、接口简便，实用价值高,同时他们输出电压精度相同不会导致整体电路精度的降低，所以选择ATTINY26.

显示部分的设计

方案一：

采用数码管显示.数码管具有接线简单、成本低廉、配置简单灵活、编程容易、对外界环境要求较低、易于维护等特点.输出电压值可以用数码管，但数码管显示的信息量有限，只能显示简单的数字，其电路复杂，占用的系统I/O资源较多，显示信息少，不宜显示大量信息，对于比较复杂的数字显示更为复杂.

方案二：

考虑到本系统中显示的内容以及系统的实用性，可首选LED显示灯，它不但具有功耗低、体积小、质量轻、价格低廉、无辐射危害等优点.而且可以很好的完成本次设计所需要的基本功能.

结论：

在经过了多方面的考虑以后决定本次设计采用LED显示灯来作为显示部分的主体.

升压电路的设计

考虑到升压在所学过的知识里面我们大多学的是直流电压的升压，交流的升压只有变压器能实现，但是变压器还有一种特别的性质就是当直流电压的高电平时间特别短时，变压器也可以将直流升压，为此我不得不采取不同的设计方案，

看看哪种方法能够实现所需要的电压.

方案一：

利用升压斩波电路为电压升压，升压斩波电路（BoostChopper）[4]

的工作原理及工作波形如图所示.该电路中也是使用一个全控型器件.

升压斩波电路工作的工作原理可以假设电路中的电感L值很大，电容

值也很大.当V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本为恒定

，同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，基本保持输出电压为

恒值，记为

.设V处于通态的时间为

此阶段电感L上积蓄的能量为

.当V处于断态时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量.设V处于断态的时间为

则在此期间电感L释放的能量为

当电路工作于稳压时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即

（2-1）

化简得

（2-2）

上式中的

，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路.也可直接称之为Boost变换器.

式（3-2）

中表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压

的大小，.将升压比的倒数记作

，即

，则β和导通占空比ɑ有如下关系

（2-3）

升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：

一是

储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住.以上分析中，认为V处于通态期间因电容C的作用使得输出电压

不变，但实际上C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，

必然会有所下降，故实际输出电压会略低，不过在电容C足够大时，误差很小，基本可以忽略.

如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即

（2-4）

该式表明，与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可以看成直流变压器.

图2-2升压斩波电路图

图2-3升压斩波电压电流图

方案二：

用变压器来实现变压，但对直流的升压只有很短时间的直流脉冲才可以，这恰恰符合输出电压的要求，但直流电源并不能直接发出这样的脉冲，说以要通过单片机对直流电压进行控制，使得输出为一段的极短脉冲，虽然这种方法很难实现，但不妨设想可以用两个变压器来实现升压，由单片机来实现脉冲周期的变化，但如果两个变压器直接连接就没有意义了，试想可以在两个变压器之间加入某种器件可以使得升压变得更容易控制，而且还可以充当变压中间的储能作用，这个器件要储存能量大，而且具有提高电压功能，在学习过的电子元件中大电容最具备这种特性了，在变压器导通与关断的控制中，通过单片机无法直接实现，单片机只能输出脉冲（高低电平），在这种情况下有MOS管在之间进行控制的媒介，MOS管具有输入高电平就导通的特性.此次我们可以用两个MOS管分别通过单片机来对变压器控制.大电容在第一个变压器后面为电容充电，再由大电容放电提供输出变压器，有输出变压器输出，为围栏工作提供电压，而且单片机可以通过电压的采样来实现对变压器和电容各个部分电压情况进行检测，单片机相当于人类的大脑对下一步工作在进行调整.

结论：

上面两种方法都能够实现升压，但单片机的控制更加完美，容易控制而且其他的设计要求的功能都能够得到实现，而方案一只是理论上的一种可能实现难度太大，而且无法和其他的功能相符合，他只是能够实现升压，在实现的复杂程度方面方案一更难一些，所以在多方面考虑下选择方案二.

第3章脉冲电源硬件的设计

3.1具体的设计方案

电脉冲围栏电源是由软硬件共同构成，考虑到价格、工作速度、开发成本和可靠性等因素，合理地分配了硬件和软件资源，对于某些既可用硬件实现，又可用软件实现的功能，在进行设计时，充分考虑了硬件和软件的特点，高效地分配其资源，协调其功能.

脉冲电源的硬件包括以下几部分：

（1）控制电路中的单片机的选择与I/O的分配；

（2）显示模块的设计

（3）升压电路的设计

（4）电容的充放电及电压的二次升压

（5）A/D转换电压采样模块

软件设计部分：

单片机C语言编程，实现完全控制电路的升压放电工作状态还有显示等功能.

下图为总体设计框图：

图3-1总体设计框图

下面介绍下框图各个部分如何工作

单片机控制：

单片机作为整个电源工作的大脑，是软件与硬件沟通的桥梁，对整个电路实现完全控制.

电源：

由蓄电池提供12V电压经过稳压三极管输出5V直流电，为单片机提供工作电压，同时蓄电池直接为驱动变压器提供电压.

升压：

当单片机发出高电平时，与驱动变压器相连的MOS管导通，驱动变压器开始工作，为电容充电，时间由单片机程序控制.

蓄能：

一个容量很大的电容，将驱动变压器输入的能量储存起来，并有升压的作用，当电容充满，电压经过采样反馈给单片机，由单片机程序控制充放电.

升压：

当电容充满时，单片机发出高电平给与输出变压器