基于单片机控制的智能化后备式UPS

基于单片机控制的智能化后备式UPS华明邢岩南京航空航天大学航空电源重点实验室江苏省南京市210016摘要：本文研究了一种单片机控制的单相方波输出后备式UPS，该系统实现了在市电不同状态下，系统逆变输出与市电的同相切换，实现了对设备的不间断供电；实现了对蓄电池的智能管理；可以与PC机进行通讯，便于用户监控等功能。本文分析了该系统的工作原理，给出了电路的硬件实现及软件算法框图，并给出了实验结果。叙词：不间断电源；单片机；逆变器；数字控制；智能控制DigitalControlledPassiveStandbyUPSHuaMingXingYanNanjingUniversityofAeronautics&Astronautics(210016)Abstract:Square-wavepassivestandbyUPSbasedonMCUispresentedinthispaper.Therearesomefunctionsofthesystem:realizingtheuninterruptiblepowersupplyaccordingtofollowingthetrackofgridandchanginggridandinverterinphasewhengridisabnormal;advancedbatterymanagement;communicationandsupervisionwithPC.Theprincipleofthesystemisanalyzed.Thedesignofhardwareandcompilingofthesoftwarearegiven.Experimentalresultsarepresentedtoverifytheanalysis.Keywords:UPS;MicroprocessorControlUnit;inverter;digitalcontrol;intelligentcontrol1引言随着社会的不断发展，用电设备对供电质量的要求越来越高，为了确保用电设备的安全，不间断电源（UPS）受到高度的重视。其中的后备式方波输出UPS电源体积小，重量轻，价格相对便宜，并且其运行效率高，噪声低，应用非常广泛。但是传统的后备式方波UPS采用模拟电路控制，结构复杂，升级换代困难，很难实现一些先进的控制算法，性能上也存在一些缺点，比如在大多数模拟控制中未实现同相切换功能，这样在切换过程中会有交流瞬间短路的危险；不便与计算机通信，无法实现实时监控等。本文介绍了以89C52单片机为控制核心的后备式UPS，分析了其工作原理，并给出了相应的硬件及软件设计。该机有体积小、实用、智能化等诸多优点，有着很好的市场发展前景，尤其适合普通计算机用户使用。2数字控制的后备式方波UPS的原理及实现2.1单片机控制的UPS的基本原理ADC市电转换开关负载充电电路蓄电池逆变主电路变压器辅助电源驱动电路采样电路切换控制电路单片机RS232通讯接口PC机T1T2+-E**NOUTKAG1G2ABRS++充电电源通讯电源吸收电路至负载市电输入整流滤波整流滤波图1基本原理框图及功率电路原理图当市电正常时（即170V～260V范围内），此时单片机控制逆变器不工作，转换开关打在市电状态，由市电为负载供电；并且此时市电通过充电电路向蓄电池充电。当市电不正常时（即市电中断或市电低于160V），此时转换开关打在逆变状态，单片机启动驱动电路，使其输出两路相位相差180°的50Hz矩形波去驱动逆变器，使逆变器正常工作，为负载供电。同时，采样电池电压，根据其大小，调整驱动脉冲的宽度，使输出电压达到稳定；电池充电电路停止向蓄电池充电；启动告警电路，使红灯以2秒的周期闪烁。当电池电压过低时，红灯变成常亮。整个系统使用的辅助电源是由蓄电池经过变换所得到的。功率电路采用推挽逆变器，控制电路控制两开关管交替导通，并控制导通时间，经过变压器升压，输出稳定的50Hz、220V方波交流电压。在整个工作过程中，单片机通过MAX232实现电平转换，与PC机实现通讯。用户可以通过PC机对UPS工作状态进行监控。2.2系统软件实现数字控制的UPS系统的主要控制算法有：市电检测控制；市电逆变同相切换控制；蓄电池充电控制；系统保护控制。其中市电逆变的同相切换控制是很重要的，下面介绍这个核心控制方法。为了市电与逆变同相切换，我们就要知道市电的状态，如果不正常，是在何幅值，何相位开始的，这样才能控制逆变去补齐市电，为负载供电。市电信号通过过零脉冲产生电路，产生一个过零负窄脉冲，单片机以此作为市电一周计时器的起点，并以此作为市电的相位起点，作为同步切换的依据。在程序中定义了市电电压所允许的最低电压基准，以市电正半波的起始点为起点，每个周期（周期以实际测量为准）等分20份，取19个点作为基准点，工作时对市电信号每1/20周期进行一次中断采样，每个点连续采样两次并求取平均值，所得值与相应的基准值作比较，如果低于基准值，说明欠压或者断电，即可进行切换。此时，根据基准点的相位和幅值就可以补齐市电，保证了同相转换（如图2（a））。在逆变工作时，若市电恢复正常，则不立即进行切换，而是先调节逆变频率，让它去跟踪市电频率，达到同频时，在逆变市电同时由负到正过零点处进行切换（如图2（b））。采用同步切换显著提高了后备式方波UPS的可靠性。V1V20tt0市电采样信号逆变信号V1tV2t市电采样信号逆变信号（a）市电切换到逆变（b）逆变切换到市电图2市电与逆变的同相切换系统的程序流程图如下：市电周期起始点吗?T0开始计市电周期T1开始计数开中断每中断一次连续采样两次求取平均值并与约定值比较（共中断19次）欠压吗?市电周期起始点吗?T0记下的数(周期)除以20并换算成T1的初值NYNYYN允许逆变保证相位初始方波市电好吗？电池电压过低吗？根据电池电压调节脉冲宽度停止逆变并报警周期过长吗?YNYNNY开始初始设置,不允许逆变输出,T0准备计时市电周期,T1设1ms为初始采样时间根据电池电压的大小充电图3系统程序流程图2.3通讯电路硬件及软件实现2.3.1通讯电路硬件实现10RXD11TXDMAX2322RXD3TXD5GNDRS-232CMCS-52PC光耦光耦图4基于RS232的通讯系统结构框图PC机上带有标准的串行通讯接口—RS232C接口，这种接口为了提高抗干扰能力，采用EIA电平逻辑，而MCS-52单片机的串行口其输入/输出均为TTL电平，所以为了实现单片机与PC机的串行通讯，本机采用了一个专门的电平转换芯片，系统结构如图4所示，PC机从RS232C接口的串行发送端口TXD发出“状态描述、测试”等命令，该命令通过MAX232电平转换，在经过隔离光耦到达单片机的串行接收端口RXD，单片机根据命令将相应的回答由单片机的串行发送端口TXD发出，经过光耦隔离，再经过MAX232电平转换，到达PC机的串行接收端口RXD。这样就实现了通讯，可以让用户随时了解UPS的状态。2.3.2通讯电路软件实现通讯电路的软件实现分为下位机通讯的实现及上位机通讯的实现。（1）下位机通讯的软件实现89C52单片机具有一个采用UART工作方式的全双工的串行通讯接口，可以同时发送和接收数据。为了实现通讯，下位机就要先确定通讯的格式及波特率。本系统下位机串行口工作于异步通讯方式，数据格式为10位（8位数据位，1位起始位，1位停止位）。89C52单片机具有三个定时/计数器，选T2做波特率发生器，因为它有一种工作模式就是作为波特率发生器。波特率设置为2400比特/秒。单片机在工作的开始先设置好通讯模式和波特率，并且将一些相关的寄存器初值设定好。一旦收到PC机的命令随即进入中断，接收数据，判断是哪一种命令，并随之发送相应的数据给PC机，发送完毕后，跳出中断，等待PC机发出下一个命令。下位机的通讯流程图如图5（a）所示。NY通讯开始设置串性通讯模式1，设置波特率为2400等待中断中断开始接收数据是哪一种命令发出相应的数据错误命令中断结束YN开始打开串口发送数据（命令）延时数据是否收到？数据处理及显示关闭串口结束显示超时信息（a）下位机通讯流程图（b）上位机通讯流程图图5串行通讯流程图（2）上位机通讯的软件实现为了让用户使用更加方便，就要在上位机建立一个友好的监控界面。在VisualBasic6.0中提供了MSComm控件用于实现串口通讯的作用，并且调用也十分方便，因此本系统利用MSComm控件实现串行通讯。MSComm控件通过串行口传输和接收数据，为应用程序提供串行通讯功能。MSComm控件提供两种处理通讯的方式：事件驱动通讯和查询方式。因为本系统使用三线连接串口，只能实现最基本的数据传输，在接收端不能产生对应MSComm控件OnComm事件的中断信号，所以事件驱动通讯方式就无法使用。并且由于本系统程序较小，使用查询方式更方便，所以采用查询方式进行通讯。程序流程图如图5（b）所示。上位机发送命令给单片机，让单片机返回数据，用于判断是市电供电还是逆变供电。上位机接收到数据后，判断返回数据，若是市电供电，则处理并显示市电正常工作时所需显示的数据。若为逆变供电，则处理并显示逆变工作时所需显示的数据。上位机的监控界面如右图所示：当选择开机选项时，点击确定，上位机发送命令，下位机接收到命令后，判断当前状态是市电状态还是逆变状态，然后根据上下位机的通信协议返回所需要的数据，经过处理后，在各个窗口下就会显示UPS的当前的工作状态，并且在界面上还可以很直观的知道当前是市电供电还是逆变供电；点击关机并确定时，则会终止通讯、关闭UPS并且关闭监控界面。图6上位机监控界面3、实验结果及分析以下给出了市电与逆变切换的关键信号，验证了设计的合理性与可行性。3.1市电切换到逆变（a）轻载情况下切换（b）重载情况下切换图7市电切换到逆变其中通道1为市电信号，通道2为逆变波形。从图中可以看出，当市电断电时，逆变瞬间跟上市电，完成了同相切换。3.2逆变切换到市电图8逆变切换到市电图中通道1是市电经过隔离探头后的波形，通道2为逆变波形。右图为左图的局部展开图。可以看出，当市电来时并不是瞬间切换到市电，而是逆变此时改变自己的频率去跟踪市电，当市电与逆变同时过零，同相位的时候才进行切换。4结论本文研究的基于单片机控制的智能型后备式UPS系统,实现了市电与逆变的同相转换，提高了后备式UPS工作的可靠性；大大简化了结构，极大的提高了整个系统的集成度；通过单片机的串口实现了UPS与PC机的通讯，使用户使用更加方便；并且具有完善的报警和自我保护系统。参考文献[1]李颖.单片机控制的后备式方波UPS[硕士论文].南京航空航天大学,2006.[2]钱希森.小型UPS原理及应用,科学出版社,2000.[3]肖化,潘建,裴向东.普通型UPS的智能化实现方法.电力系统通信,2000,(4):52-54[4]陈静，何湘宁.智能UPS的研究和发展,中国电力,2002年3月，第35卷第3期，77-80作者简介华明：(1985-)，男，硕士研究生，研究方向：电力电子与电力传动；邢岩：(1964-)，女，教授，博导，研究方向：电力电子与电力传动。