基于單片機(jī)控制的智能化后備式UPS

1、基于單片機(jī)控制的智能化后備式UPS華明 邢巖 南京航空航天大學(xué)航空電源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇省 南京市 210016摘 要：本文研究了一種單片機(jī)控制的單相方波輸出后備式UPS，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在市電不同狀態(tài)下，系統(tǒng)逆變輸出與市電的同相切換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的不間斷供電；實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池的智能管理；可以與PC機(jī)進(jìn)行通訊，便于用戶(hù)監(jiān)控等功能。本文分析了該系統(tǒng)的工作原理，給出了電路的硬件實(shí)現(xiàn)及軟件算法框圖，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。敘 詞：不間斷電源；單片機(jī)；逆變器；數(shù)字控制；智能控制Digital Controlled Passive Standby UPSHua Ming Xing Yan Nanjing Univer

2、sity of Aeronautics & Astronautics (210016)Abstract: Square-wave passive standby UPS based on MCU is presented in this paper. There are some functions of the system: realizing the uninterruptible power supply according to following the track of grid and changing grid and inverter in phase when g

3、rid is abnormal; advanced battery management; communication and supervision with PC. The principle of the system is analyzed. The design of hardware and compiling of the software are given. Experimental results are presented to verify the analysis.Keywords: UPS; Microprocessor Control Unit; inverter

4、; digital control; intelligent control 1 引言隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，用電設(shè)備對(duì)供電質(zhì)量的要求越來(lái)越高，為了確保用電設(shè)備的安全，不間斷電源（UPS）受到高度的重視。其中的后備式方波輸出UPS電源體積小，重量輕，價(jià)格相對(duì)便宜，并且其運(yùn)行效率高，噪聲低，應(yīng)用非常廣泛。但是傳統(tǒng)的后備式方波UPS采用模擬電路控制，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，升級(jí)換代困難，很難實(shí)現(xiàn)一些先進(jìn)的控制算法，性能上也存在一些缺點(diǎn)，比如在大多數(shù)模擬控制中未實(shí)現(xiàn)同相切換功能，這樣在切換過(guò)程中會(huì)有交流瞬間短路的危險(xiǎn)；不便與計(jì)算機(jī)通信，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控等。本文介紹了以89C52單片機(jī)為控制核心的后備式UPS，分析了其

5、工作原理，并給出了相應(yīng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)。該機(jī)有體積小、實(shí)用、智能化等諸多優(yōu)點(diǎn)，有著很好的市場(chǎng)發(fā)展前景，尤其適合普通計(jì)算機(jī)用戶(hù)使用。2 數(shù)字控制的后備式方波UPS的原理及實(shí)現(xiàn)2.1 單片機(jī)控制的UPS的基本原理 圖1 基本原理框圖及功率電路原理圖當(dāng)市電正常時(shí)（即170V260V范圍內(nèi)），此時(shí)單片機(jī)控制逆變器不工作，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打在市電狀態(tài)，由市電為負(fù)載供電；并且此時(shí)市電通過(guò)充電電路向蓄電池充電。 當(dāng)市電不正常時(shí)（即市電中斷或市電低于160V），此時(shí)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打在逆變狀態(tài)，單片機(jī)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路，使其輸出兩路相位相差180°的50Hz矩形波去驅(qū)動(dòng)逆變器，使逆變器正常工作，為負(fù)載供電。同時(shí)，采樣電池

6、電壓，根據(jù)其大小，調(diào)整驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度，使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定；電池充電電路停止向蓄電池充電；啟動(dòng)告警電路，使紅燈以2秒的周期閃爍。當(dāng)電池電壓過(guò)低時(shí)，紅燈變成常亮。整個(gè)系統(tǒng)使用的輔助電源是由蓄電池經(jīng)過(guò)變換所得到的。功率電路采用推挽逆變器，控制電路控制兩開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通，并控制導(dǎo)通時(shí)間，經(jīng)過(guò)變壓器升壓，輸出穩(wěn)定的50Hz、220V方波交流電壓。在整個(gè)工作過(guò)程中，單片機(jī)通過(guò)MAX232實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。用戶(hù)可以通過(guò)PC機(jī)對(duì)UPS工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。2.2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的UPS系統(tǒng)的主要控制算法有：市電檢測(cè)控制；市電逆變同相切換控制；蓄電池充電控制；系統(tǒng)保護(hù)控制。其中市電逆變的同相切換控

7、制是很重要的，下面介紹這個(gè)核心控制方法。為了市電與逆變同相切換，我們就要知道市電的狀態(tài)，如果不正常，是在何幅值，何相位開(kāi)始的，這樣才能控制逆變?nèi)パa(bǔ)齊市電，為負(fù)載供電。市電信號(hào)通過(guò)過(guò)零脈沖產(chǎn)生電路，產(chǎn)生一個(gè)過(guò)零負(fù)窄脈沖，單片機(jī)以此作為市電一周計(jì)時(shí)器的起點(diǎn)，并以此作為市電的相位起點(diǎn)，作為同步切換的依據(jù)。在程序中定義了市電電壓所允許的最低電壓基準(zhǔn)，以市電正半波的起始點(diǎn)為起點(diǎn)，每個(gè)周期（周期以實(shí)際測(cè)量為準(zhǔn)）等分20份，取19個(gè)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，工作時(shí)對(duì)市電信號(hào)每1/20周期進(jìn)行一次中斷采樣，每個(gè)點(diǎn)連續(xù)采樣兩次并求取平均值，所得值與相應(yīng)的基準(zhǔn)值作比較，如果低于基準(zhǔn)值，說(shuō)明欠壓或者斷電，即可進(jìn)行切換。此時(shí)，根

8、據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)的相位和幅值就可以補(bǔ)齊市電，保證了同相轉(zhuǎn)換（如圖2（a）。在逆變工作時(shí)，若市電恢復(fù)正常，則不立即進(jìn)行切換，而是先調(diào)節(jié)逆變頻率，讓它去跟蹤市電頻率，達(dá)到同頻時(shí)，在逆變市電同時(shí)由負(fù)到正過(guò)零點(diǎn)處進(jìn)行切換（如圖2（b）。采用同步切換顯著提高了后備式方波UPS的可靠性。 （a）市電切換到逆變 （b）逆變切換到市電圖2 市電與逆變的同相切換系統(tǒng)的程序流程圖如下：圖3 系統(tǒng)程序流程圖2.3 通訊電路硬件及軟件實(shí)現(xiàn) 通訊電路硬件實(shí)現(xiàn)圖4 基于RS232的通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖PC機(jī)上帶有標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊接口RS232C接口，這種接口為了提高抗干擾能力，采用EIA電平邏輯，而MCS-52單片機(jī)的串行口其輸入/輸

9、出均為T(mén)TL電平，所以為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的串行通訊，本機(jī)采用了一個(gè)專(zhuān)門(mén)的電平轉(zhuǎn)換芯片，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，PC機(jī)從RS232C接口的串行發(fā)送端口TXD發(fā)出“狀態(tài)描述、測(cè)試”等命令，該命令通過(guò)MAX232電平轉(zhuǎn)換，在經(jīng)過(guò)隔離光耦到達(dá)單片機(jī)的串行接收端口RXD，單片機(jī)根據(jù)命令將相應(yīng)的回答由單片機(jī)的串行發(fā)送端口TXD發(fā)出，經(jīng)過(guò)光耦隔離，再經(jīng)過(guò)MAX232電平轉(zhuǎn)換，到達(dá)PC機(jī)的串行接收端口RXD。這樣就實(shí)現(xiàn)了通訊，可以讓用戶(hù)隨時(shí)了解UPS的狀態(tài)。 通訊電路軟件實(shí)現(xiàn)通訊電路的軟件實(shí)現(xiàn)分為下位機(jī)通訊的實(shí)現(xiàn)及上位機(jī)通訊的實(shí)現(xiàn)。（1）下位機(jī)通訊的軟件實(shí)現(xiàn)89C52單片機(jī)具有一個(gè)采用UART工作方式的全雙工

10、的串行通訊接口，可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)通訊，下位機(jī)就要先確定通訊的格式及波特率。本系統(tǒng)下位機(jī)串行口工作于異步通訊方式，數(shù)據(jù)格式為10位（8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，1位停止位）。89C52單片機(jī)具有三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，選T2做波特率發(fā)生器，因?yàn)樗幸环N工作模式就是作為波特率發(fā)生器。波特率設(shè)置為2400比特/秒。單片機(jī)在工作的開(kāi)始先設(shè)置好通訊模式和波特率，并且將一些相關(guān)的寄存器初值設(shè)定好。一旦收到PC機(jī)的命令隨即進(jìn)入中斷，接收數(shù)據(jù)，判斷是哪一種命令，并隨之發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)給PC機(jī)，發(fā)送完畢后，跳出中斷，等待PC機(jī)發(fā)出下一個(gè)命令。下位機(jī)的通訊流程圖如圖5（a）所示。 （a）下位機(jī)通訊流程圖 （b

11、）上位機(jī)通訊流程圖圖5 串行通訊流程圖（2）上位機(jī)通訊的軟件實(shí)現(xiàn)為了讓用戶(hù)使用更加方便，就要在上位機(jī)建立一個(gè)友好的監(jiān)控界面。在Visual Basic 6.0中提供了MSComm控件用于實(shí)現(xiàn)串口通訊的作用，并且調(diào)用也十分方便，因此本系統(tǒng)利用MSComm控件實(shí)現(xiàn)串行通訊。MSComm控件通過(guò)串行口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為應(yīng)用程序提供串行通訊功能。MSComm控件提供兩種處理通訊的方式：事件驅(qū)動(dòng)通訊和查詢(xún)方式。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)使用三線(xiàn)連接串口，只能實(shí)現(xiàn)最基本的數(shù)據(jù)傳輸，在接收端不能產(chǎn)生對(duì)應(yīng)MSComm控件OnComm事件的中斷信號(hào)，所以事件驅(qū)動(dòng)通訊方式就無(wú)法使用。并且由于本系統(tǒng)程序較小，使用查詢(xún)方式更方便，所

12、以采用查詢(xún)方式進(jìn)行通訊。程序流程圖如圖5（b）所示。上位機(jī)發(fā)送命令給單片機(jī)，讓單片機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)，用于判斷是市電供電還是逆變供電。上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，判斷返回?cái)?shù)據(jù)，若是市電供電，則處理并顯示市電正常工作時(shí)所需顯示的數(shù)據(jù)。若為逆變供電，則處理并顯示逆變工作時(shí)所需顯示的數(shù)據(jù)。上位機(jī)的監(jiān)控界面如右圖所示：當(dāng)選擇開(kāi)機(jī)選項(xiàng)時(shí)，點(diǎn)擊確定，上位機(jī)發(fā)送命令，下位機(jī)接收到命令后，判斷當(dāng)前狀態(tài)是市電狀態(tài)還是逆變狀態(tài)，然后根據(jù)上下位機(jī)的通信協(xié)議返回所需要的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理后，在各個(gè)窗口下就會(huì)顯示UPS的當(dāng)前的工作狀態(tài)，并且在界面上還可以很直觀的知道當(dāng)前是市電供電還是逆變供電；點(diǎn)擊關(guān)機(jī)并確定時(shí)，則會(huì)終止通訊、關(guān)閉UPS并且

13、關(guān)閉監(jiān)控界面。圖6 上位機(jī)監(jiān)控界面3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析以下給出了市電與逆變切換的關(guān)鍵信號(hào)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性與可行性。3.1 市電切換到逆變 （a）輕載情況下切換 （b）重載情況下切換圖7 市電切換到逆變其中通道1為市電信號(hào)，通道2為逆變波形。從圖中可以看出，當(dāng)市電斷電時(shí)，逆變瞬間跟上市電，完成了同相切換。3.2 逆變切換到市電 圖8 逆變切換到市電圖中通道1是市電經(jīng)過(guò)隔離探頭后的波形，通道2為逆變波形。右圖為左圖的局部展開(kāi)圖?？梢钥闯?，當(dāng)市電來(lái)時(shí)并不是瞬間切換到市電，而是逆變此時(shí)改變自己的頻率去跟蹤市電，當(dāng)市電與逆變同時(shí)過(guò)零，同相位的時(shí)候才進(jìn)行切換。4 結(jié)論本文研究的基于單片機(jī)控制的智能型后備式UPS系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了市電與逆變的同相轉(zhuǎn)換，提高了后備式UPS工作的可靠性；大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，極大的提高了整個(gè)系統(tǒng)的集成度；通過(guò)單片機(jī)的串口實(shí)現(xiàn)了UPS與PC機(jī)的通訊，使用戶(hù)使用更加方便；并且具有完善的報(bào)警和自我保護(hù)系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)1 李穎. 單片機(jī)控制的后備式方波UPS碩士論文. 南京航空航天大學(xué), 20