數(shù)字式直流不間斷電源的設(shè)計(jì)【畢業(yè)設(shè)計(jì)+開題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　數(shù)字式直流不間斷電源的設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 測(cè)控技術(shù)與儀器 </p>

2、;<p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨

3、著信息技術(shù)的發(fā)展，不間斷電源（通常指的是交流不間斷電源）已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各生產(chǎn)領(lǐng)域，但傳統(tǒng)的不間斷電源，為了提供交流輸出，不得不在設(shè)備中加入逆變器這一復(fù)雜器件，再加之大多采用模擬電路控制，導(dǎo)致設(shè)備體積龐大、電路復(fù)雜、元件易老化、故障頻繁等缺點(diǎn)。半導(dǎo)體器件的耐壓和開關(guān)性能的提高，DSP、ARM、單片機(jī)等高速處理芯片的出現(xiàn)，成為數(shù)字化控制直流不間斷電源新理念提出的重要前提。直流不間斷電源本身取消了大功率逆變電路及其相關(guān)電路，引入數(shù)字化控制技

4、術(shù)后可以進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，有效提高輸出電壓的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)UPS設(shè)備的低生產(chǎn)成本、低運(yùn)行成本、高效率和高可靠性。</p><p>　　本論文提出了一種基于AVR單片機(jī)的在線數(shù)字式直流不間斷電源。該直流不間斷電源旨在提供額定功率100W的穩(wěn)定24V直流輸出，能在電網(wǎng)供電停止后繼續(xù)為負(fù)載供電2小時(shí)以上，且斷電后蓄電池供電切換時(shí)間小于10ms。它可用于監(jiān)控、保安系統(tǒng)等領(lǐng)域，如可作為消防、軌道交通領(lǐng)域的備用電源。&l

5、t;/p><p>　　文章首先對(duì)當(dāng)前提出的不間斷電源設(shè)備的一般結(jié)構(gòu)、功能進(jìn)行分析、綜合，在其基礎(chǔ)上，選擇了一種基于AVR單片機(jī)的在線式UPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。隨后本文圍繞著如何合理控制不間斷電源蓄電池充、放電的問題，系統(tǒng)地分析設(shè)計(jì)了不間斷電源各模塊的功能以及軟、硬件實(shí)現(xiàn)方案。緊接著，文章還對(duì)設(shè)計(jì)過程中的一些重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步扼要的說明。最后通過電網(wǎng)不同供電情形的模擬對(duì)設(shè)計(jì)的不間斷電源輸出電壓進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)本設(shè)計(jì)不僅順利完成

6、了直流不間斷供電任務(wù)，還做到了對(duì)供電狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)與監(jiān)控工作。</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)字控制，不間斷電源，DC-UPS，蓄電池充電，AVR單片機(jī)</p><p>　　The design of digital DC-UPS</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the

7、 development of information technology, Uninterruptible Power Supply (usually refers to AC UPS) is widely used in productional areas. While the traditional AC UPS with the device of inverter gives a AC output and is most

8、ly controlled by simulation circuits, causing lots of shortcomings such as the complex circuit, the aging of components the frequent breakdowns etc. The improvement of semiconductor decive and the digital high-speed chip

9、s such as DSP, ARM and MCU, make it a new concept to</p><p>　　This thesis introduces the software and hardware design based on AVR MCU of a digital DC uninterrupted power supply. The uninterrupted power supp

10、ly with a rated power 100W mainly has an input about DC 12V, stable output of DC 24V, and it can go on working after losing peripherals power supply with a switching time below 10ms for at least 2 hours. This design is m

11、ainly used in most monitoring and security system, such as fire protection, rail traffic areas of emergency power supply. </p><p>　　Firstly, the thesis analyses the main structure of the current DC UPS compr

12、ehensively, basing on which, it chooses a based on AVR MCU on-line UPS system structure. Then the thesis systematically analyses and designs every uninterrupted power supply module’s function and the scheme to implement

13、them around the main point of the uninterruptible power battery voltage current detection and reasonable control of its charger, including hardware and software parts. then, the key point in the design pro</p><

14、;p>　　Keywords: Digital Control, Uninterrupted Power Supply, DC-UPS, Charge of Storage Battery, AVR MCU</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　

15、AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1課題的來源1</p><p>　　1.1.1 UPS概述1</p><p>　　1.1.2電網(wǎng)供電的缺點(diǎn)1</p><p>　　1.1.3 UPS的功能2</p><p&

16、gt;　　1.1.4 UPS的分類2</p><p>　　1.2不間斷電源在國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀5</p><p>　　1.2.1 不間斷電源總體研究現(xiàn)狀5</p><p>　　1.2.2 不間斷電源在國(guó)外的研究現(xiàn)狀6</p><p>　　1.2.3 不間斷電源在國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀6</p><p>　　1.3不間斷電

17、源的發(fā)展趨勢(shì)及課題研究方向7</p><p>　　1.3.1 不間斷電源的發(fā)展趨勢(shì)7</p><p>　　1.3.2 課題研究意義8</p><p>　　1.3.3 課題主要研究?jī)?nèi)容8</p><p>　　2總設(shè)計(jì)方案研究路線的設(shè)計(jì)與分析9</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)方案9</p>&l

18、t;p><b>　　2.2方案評(píng)價(jià)9</b></p><p>　　2.3研究路線10</p><p>　　3 數(shù)字式直流不間斷電源硬件部分的設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1電壓檢測(cè)11</p><p>　　3.1.1 蓄電池電壓檢測(cè)11</p><p>　　3.1.2 輸入電壓

19、采樣12</p><p>　　3.2蓄電池電流檢測(cè)12</p><p>　　3.3蓄電池充放電電路13</p><p>　　3.4數(shù)碼管顯示電壓電流14</p><p><b>　　3.5小結(jié)15</b></p><p>　　4 數(shù)字式直流不間斷電源軟件程序的設(shè)計(jì)16</p>

20、;<p>　　4.1軟件部分完成的任務(wù)16</p><p>　　4.2 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)17</p><p>　　4.2.1 主程序結(jié)構(gòu)18</p><p>　　4.2.2中斷服務(wù)子程序流程圖19</p><p><b>　　4.3 小結(jié)19</b></p><p><

21、b>　　5 設(shè)計(jì)說明20</b></p><p>　　5.1 蓄電池合理充電方案的說明20</p><p>　　5.1.1 蓄電池基本充電方法20</p><p>　　5.1.2 蓄電池充電方法選擇20</p><p>　　5.2 HCPL-7840芯片的說明20</p><p>　　5.3

22、 Boost升壓電路的說明21</p><p>　　5.4 ATmega48 ADC模塊的說明22</p><p>　　5.5芯片及單片機(jī)取電問題的說明23</p><p>　　6 設(shè)計(jì)成果與展望24</p><p>　　6.1 設(shè)計(jì)成果24</p><p><b>　　6.2 展望26</

23、b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　附錄30</b></p><p>　　附錄1 實(shí)物照片130</p><p>　　附錄2 實(shí)物照片231</p>&l

24、t;p>　　附錄3 軟件代碼（部分）32</p><p>　　附錄4 電路原理圖34</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1課題的來源</b></p><p>　　1.1.1 UPS概述</p><p>　　UPS(Unin

25、terruptible Power supply)，即不間斷電源，是指當(dāng)交流電網(wǎng)（市電）輸入發(fā)生異常時(shí)，可持續(xù)向負(fù)載供電，并能保證供電質(zhì)量，使負(fù)載供電不受影響的供電裝置[1]。不間斷電源依據(jù)其向負(fù)載提供的是交流電還是直流電可分為兩大類型，即交流不間斷電源和直流不間斷電源。由于直流不間斷電源(DC-UPS)的概念是近幾年才提出來的，所以通常我們說的UPS指的是交流不間斷電源(AC-UPS)。</p><p>　　U

26、PS一般由蓄電池、逆變器和控制電路組成，一端連接電網(wǎng)另一端連接電器負(fù)載。在電網(wǎng)電壓正常的情況下，不間斷電源利用電網(wǎng)電源為自身充電，在電網(wǎng)出現(xiàn)異常的時(shí)候，不間斷電源將存儲(chǔ)于電池中的電能釋放，供負(fù)載使用。不間斷電源的出現(xiàn)為改善電網(wǎng)質(zhì)量，提高電力電子設(shè)備運(yùn)行可靠性起了關(guān)鍵的作用。</p><p>　　不間斷電源基本結(jié)構(gòu)圖如圖1.1所示：</p><p>　　圖1.1 不間斷電源基本結(jié)構(gòu)圖<

27、/p><p>　　1.1.2電網(wǎng)供電的缺點(diǎn)</p><p>　　隨著電氣化技術(shù)的不斷發(fā)展，電器設(shè)備、電器產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，要求供電市電有更高的質(zhì)量。實(shí)際的市電電網(wǎng)其實(shí)本身是很不穩(wěn)的，這是因?yàn)樵斐呻娋W(wǎng)污染的因素，除了眾所周知的電壓波動(dòng)、頻率變化外，還有來自電網(wǎng)外部、內(nèi)部的各種噪聲和干擾。它們主要有以下幾種：浪涌（power surger），高壓尖脈沖（high voltage spikes），瞬態(tài)

28、高壓干擾（switching transients），電壓下陷（power sages），噪聲電壓，過壓，欠壓，諧波畸變，電源中斷等[1,2]。一些實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的重要系統(tǒng)、重要部門和重要的用電設(shè)備對(duì)供電質(zhì)量的要求和我國(guó)的電網(wǎng)實(shí)際狀況的矛盾日益尖銳。</p><p>　　1.1.3 UPS的功能</p><p>　　UPS的主要有以下功能[1,3]</p><p>　　

29、（1）雙電源之間的無(wú)間斷切換;</p><p>　　（2）頻率變換功能，可以將輸入電壓的頻率變成需要的頻率;</p><p>　　（3）電壓變換功能，可以將輸入電壓變換成需要的電壓;</p><p>　?。?）隔離功能，將瞬間間斷、諧波、電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)以及電壓噪聲等電網(wǎng)干擾阻擋在負(fù)載之前，既可使負(fù)載對(duì)電網(wǎng)不產(chǎn)生干擾，又可使電網(wǎng)中的干擾不影響負(fù)載;</p&g

30、t;<p>　?。?）后備功能，UPS帶有蓄電池，儲(chǔ)存一定的能量，在電網(wǎng)停電或發(fā)生故障時(shí)可繼續(xù)供電一段時(shí)間。</p><p>　　1.1.4 UPS的分類</p><p>　　目前市場(chǎng)上已經(jīng)有不同類型的UPS，按輸出波形可分為正弦型、近似正弦型（用階梯方波來擬合正弦波）等。</p><p>　　按UPS的工作方式可分為在線式（On-Line UPS）、

31、后備式（Off-Line UPS）和在線互動(dòng)式（Line-Interactive UPS）三大類，其中在線式又可分雙變換在線式和雙逆變電壓補(bǔ)償在線式兩種類型[1,2,10]。</p><p>　　（1）后備式UPS電源</p><p>　　它是靜止式UPS的最初形式，應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，一般只用小功率范圍，電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。這種UPS對(duì)電壓的頻率不穩(wěn)、波形畸變以及從電網(wǎng)侵入的干擾等不良影

32、響基本上沒有任何改善。</p><p>　　后備式UPS電源控制電路如圖1.2：</p><p>　　圖1.2 后備式UPS</p><p><b>　　其工作性能特點(diǎn)為：</b></p><p>　　市電利用率高，可達(dá)96%。</p><p>　　輸出能力強(qiáng)，對(duì)負(fù)載電流波峰因數(shù)、浪涌系數(shù)、輸出

33、功率因數(shù)、過載等沒有嚴(yán)格的限制。</p><p>　　輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)受切換電流能力和動(dòng)作時(shí)間限制。</p><p>　　輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波取決于負(fù)載性質(zhì)。</p><p>　?。?）在線互動(dòng)式UPS電源</p><p>　　“在線”的含義是逆變器工作，但不輸出功率，處于熱備份狀態(tài)，同時(shí)兼顧對(duì)電池充電，增大了UPS在市電正常時(shí)的功率容量，

34、并減少了在市電中斷時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間，提高了輸出電壓的濾波作用，屬于并聯(lián)功率調(diào)整方式，輸出功率多在5kVA以下。</p><p>　　在線互動(dòng)式UPS如圖1.3：</p><p>　　圖1.3 在線互動(dòng)式UPS</p><p><b>　　其工作性能特點(diǎn)：</b></p><p>　　市電利用率高，可達(dá)98%。</p&g

35、t;<p>　　輸出能力強(qiáng)，對(duì)負(fù)載電流波峰因數(shù)、浪涌系數(shù)、輸出功率因數(shù)、過載等沒有嚴(yán)格的限制。</p><p>　　輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波取決于負(fù)載性質(zhì)。</p><p>　　變換器直接接在輸出端，并處于熱備份狀態(tài)。對(duì)輸出電壓尖峰干擾有抑制作用。</p><p>　　輸入開關(guān)存在斷開時(shí)間，致使UPS輸出仍有轉(zhuǎn)換時(shí)間，但比后備式小得多。</p&

36、gt;<p>　　變換器同時(shí)具有充電功能，且其充電能力很強(qiáng)。</p><p>　　如在輸入開關(guān)與自動(dòng)穩(wěn)壓器之間串接一電感，當(dāng)市電掉電時(shí)，逆變器可立即向負(fù)載供電，可避免輸入開關(guān)未斷開時(shí)，逆變器反饋到電網(wǎng)而出現(xiàn)短路的危險(xiǎn)。</p><p>　?。?）雙變換在線式UPS電源</p><p>　　雙變換在線式UPS如圖1.4所示。它是屬于串聯(lián)功率傳輸方式。當(dāng)市

37、電存在時(shí)，實(shí)現(xiàn)AC→DC轉(zhuǎn)換功能，一方面向DC→AC逆變器提供能量，同時(shí)還向蓄電池充電。該整流器多為可控硅整流器，但也有IGBT－PWM－DSP高頻變換新一代整流器。當(dāng)逆變時(shí)，完成DC→AC轉(zhuǎn)換功能，向輸出端提供高質(zhì)量電能，無(wú)論由市電供電或轉(zhuǎn)向電池供電，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為零。當(dāng)逆變器過載或發(fā)生故障時(shí)，逆變器停止輸出，靜態(tài)開關(guān)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，由市電直接向負(fù)載供電。靜態(tài)開關(guān)為智能型大功率無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)。</p><p>　　圖1.4

38、 雙變換在線式UPS</p><p><b>　　其工作性能特點(diǎn)：</b></p><p>　　不管有無(wú)市電供應(yīng)，負(fù)載的全部功率都由逆變器提供，保證高質(zhì)量的電力輸出。</p><p>　　由于全部負(fù)載功率都由逆變器提供，因而UPS的輸出能力不理想，對(duì)負(fù)載提出限制條件，如負(fù)載流峰值因數(shù)，過載能力，輸出功率因數(shù)等。</p><p

39、>　　對(duì)可控整流器還存在輸入功率因數(shù)低，無(wú)功損耗大，輸入諧波電流對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生極大的，當(dāng)然，若使用IGBT－PWM－DSP整流技術(shù)成功率因數(shù)校正技術(shù)，可把輸入功率因數(shù)提高到接近1。</p><p>　　（4）雙逆變電壓補(bǔ)償在線式UPS電源</p><p>　　雙變換電壓補(bǔ)償在線式UPS如圖1.5所示。此項(xiàng)技術(shù)是近些年提出來的，主要是把交流穩(wěn)壓技術(shù)中的電壓補(bǔ)償原理(Delta變換)應(yīng)用到U

40、PS的主電路中，產(chǎn)生一種新的UPS電路結(jié)構(gòu)型式，它屬于串并聯(lián)功率傳輸。</p><p><b>　　其工作性能特點(diǎn)：</b></p><p>　　逆變器(II)監(jiān)視輸出端，并與逆變器(I)參與主電路電壓的調(diào)整，可向負(fù)載提供高質(zhì)量的電能。</p><p>　　市電掉電時(shí)，輸出電壓不受影響，沒有轉(zhuǎn)換時(shí)間；當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生畸變時(shí)，由逆變器(II)調(diào)整補(bǔ)

41、償，因而是在線工作方式。</p><p>　　當(dāng)市電存在時(shí)，逆變器(I)與(II)只對(duì)輸入電壓與輸出電壓的差值進(jìn)行調(diào)整與補(bǔ)償，逆變器只承擔(dān)最大輸出功率的20%，因而功率余最大。過載能力強(qiáng)。</p><p>　　圖1.5 雙變換補(bǔ)償在線式UPS</p><p>　　逆變器(I)同時(shí)完成對(duì)輸入端的功率因數(shù)校正功能。輸入功率因數(shù)可達(dá)到0.99，輸入諧波電流＜3%。<

42、/p><p>　　在市電存在時(shí)，由于兩個(gè)逆變器承擔(dān)的最大功率僅為輸出功率的1/5，因此整機(jī)效率可達(dá)到96%。</p><p>　　在市電存在時(shí)，逆變器(II)功率強(qiáng)度僅為額定值的1/5，因此功率器件的可靠性必然大大幅度提高。</p><p>　　由于具有輸入功率因數(shù)補(bǔ)償，因而有節(jié)能效果。</p><p>　　1.2不間斷電源在國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀<

43、;/p><p>　　1.2.1 不間斷電源總體研究現(xiàn)狀</p><p>　　在使用電池的時(shí)代之前，不間斷電源曾經(jīng)使用飛輪和內(nèi)燃機(jī)為負(fù)載提供電能供應(yīng)，這種不間斷電源被稱為飛輪式或旋轉(zhuǎn)式不間斷電源[4]。飛輪式不間斷電源由整流器、直流電動(dòng)機(jī)、飛輪、柴油機(jī)（或汽油機(jī)）及發(fā)電機(jī)等組成。在電網(wǎng)供電的情況下，由整流器提供的直流電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，并且?guī)Оl(fā)電機(jī)為負(fù)載供電。由于飛輪的慣性作用，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

44、可以保持均衡，此時(shí)不間斷電源起過濾電網(wǎng)干擾的作用。當(dāng)電網(wǎng)斷電后，飛輪繼續(xù)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，同時(shí)啟動(dòng)柴油機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，替代原有電網(wǎng)為負(fù)載供電。</p><p>　　市面上廣泛使用的不間斷電源產(chǎn)品，即傳統(tǒng)的交流不不間斷電源由電池組、逆變器和控制電路組成，一端連接電網(wǎng)另一端連接電器負(fù)載。在電網(wǎng)電壓正常的情況下，不間斷電源利用電網(wǎng)電源為自身充電，在電網(wǎng)出現(xiàn)異常的時(shí)候，不間斷電源將存儲(chǔ)于電池中的電能釋放，供負(fù)載使用

45、。</p><p>　　近幾年提出的不間斷電源新設(shè)計(jì)概念，直流不間斷電源省去了交流不間斷電源中的逆變器部分，使得UPS的整機(jī)成本、體積、重量、功耗和制作難度得到優(yōu)化，同時(shí)可以提高產(chǎn)品的可靠性[5-7,10]。</p><p>　　1.2.2 不間斷電源在國(guó)外的研究現(xiàn)狀</p><p>　　以電力電子學(xué)為核心技術(shù)的電源產(chǎn)業(yè)，隨著IT產(chǎn)業(yè)、CI產(chǎn)業(yè)、PC機(jī)廣泛應(yīng)用而得到

46、突飛猛進(jìn)的發(fā)展。電源產(chǎn)業(yè)是各類高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)工業(yè)，所有的高精尖科技設(shè)備都需要電力電子電源系統(tǒng)技術(shù)的配套和支持。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展與綜合利用，電源產(chǎn)業(yè)在航空、航天、宇航、艦船、自控自導(dǎo)、尖端武器，原子能、軍隊(duì)現(xiàn)代化以及醫(yī)學(xué)、通信、交通、運(yùn)輸、電力、電子、環(huán)保等領(lǐng)域得到空前的發(fā)展和應(yīng)用[4]。</p><p>　　境外主要的電源供應(yīng)商在UPS電源產(chǎn)品方面有山特、APC、愛克賽、梅蘭日蘭、三菱等；在通信開關(guān)電

47、源方面有愛立信、西門子、美國(guó)的Vicor、騰訊科技、朗訊、日本的新電元等。目前，跨國(guó)公司在國(guó)內(nèi)電源市場(chǎng)占有主導(dǎo)地位，如：艾默生(Emerson)、APC、梅蘭日蘭、伊頓愛克賽，新近進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的有：荷蘭海泰克、Active Power公司、施恩禧電氣（S&C）[4]。</p><p>　　1.2.3 不間斷電源在國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　我國(guó)UPS電源發(fā)展起步于上世紀(jì)80

48、年代后期，相距國(guó)外十幾年。國(guó)內(nèi)UPS行業(yè)經(jīng)過20年的發(fā)展，雖然在中國(guó)市場(chǎng)上的市場(chǎng)份額被國(guó)外知名品牌占據(jù)大部分，但是，少數(shù)國(guó)內(nèi)較大規(guī)模的廠家在市場(chǎng)份額、高端技術(shù)等方面已經(jīng)十分接近國(guó)際知名品牌。如：中興通訊、廈門科華、武漢洲際、煙臺(tái)東方電子信息集團(tuán)等，他們有較強(qiáng)的技術(shù)力量和開發(fā)能力。UPS電源技術(shù)也向著多功能、大功率、集成化的方向發(fā)展，其中UPS電源行業(yè)中的廈門科華、冠軍、科士達(dá)、易事特、捷益達(dá)等一批民營(yíng)企業(yè)領(lǐng)跑國(guó)內(nèi)UPS市場(chǎng)。</p

49、><p>　　國(guó)內(nèi)UPS電源市場(chǎng)總?cè)萘縖4,10]：根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，2006年國(guó)內(nèi)信息設(shè)備用UPS電源市場(chǎng)總銷售額達(dá)26.1億元人民幣，2007年總銷售額達(dá)到27.4億元人民幣。工業(yè)動(dòng)力UPS電源系統(tǒng)設(shè)備中大功率UPS年市場(chǎng)需求也達(dá)近30億元人民幣。我國(guó)UPS電源年市場(chǎng)需求總?cè)萘繎?yīng)該在50億～60億元人民幣，市場(chǎng)需求巨大。</p><p>　　國(guó)內(nèi)中大功率UPS電源市場(chǎng)容量：中大功率UPS是不間

50、斷電源行業(yè)中</p><p>　　的高端產(chǎn)品，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006年中國(guó)中大功率UPS電源市場(chǎng)銷售額為22.1億元人民幣，同比增長(zhǎng)7.3％。專家認(rèn)為，如果加上工業(yè)動(dòng)力設(shè)備用的大功率UPS電源需求，市場(chǎng)銷售額應(yīng)有相當(dāng)比例的上升。</p><p>　　隨著國(guó)內(nèi)不間斷電源技術(shù)的逐漸成熟，越來越多的不間斷電源產(chǎn)品出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外電源市場(chǎng)上，滿足不同客戶對(duì)不同電力環(huán)境的特殊要求。市場(chǎng)上的UPS產(chǎn)品，其容量規(guī)

51、格大致有0.25、0.4、0.6、1、2、3、4、5、10、15、20、40、60、80、100、120、160、200、300、400、500、600、800、1000kVA等，并已形成系列化產(chǎn)品。一般都經(jīng)IS0900l國(guó)際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證、UL安全標(biāo)準(zhǔn)及CE抗電磁干擾認(rèn)證和標(biāo)記。多數(shù)采用了PWM脈寬調(diào)頻技術(shù)、PIGBT高效功率器件、微處理器主/從控制技術(shù)等，可雙機(jī)或多機(jī)并聯(lián)。具備電池測(cè)試維護(hù)、微機(jī)監(jiān)控元人值守、可遠(yuǎn)程通信等功能;在機(jī)器構(gòu)

52、成上，元器件標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、互換性好;有寬電壓輸入、高效率輸出、過載能力強(qiáng)等優(yōu)良性能。</p><p>　　1.3不間斷電源的發(fā)展趨勢(shì)及課題研究方向</p><p>　　1.3.1 不間斷電源的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　?。?）直流不間斷電源：</p><p>　　早期的不間斷電源如飛輪式不間斷電源的缺點(diǎn)是顯而易見的，不僅機(jī)體笨重、噪聲大、

53、操作控制不靈活，而且工作效率低、輸出的電壓波形不平滑，同時(shí)由于存在著轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)，不能及時(shí)響應(yīng)，會(huì)中斷負(fù)載的供電等缺點(diǎn)。</p><p>　　傳統(tǒng)意義上的UPS即AC-UPS，主要目的是保持工頻交流不中斷，因此必須引入逆變器這一傳統(tǒng)UPS的核心器件。而其正是UPS設(shè)備中電路最復(fù)雜，工藝最繁瑣，元器件使用最多，且設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格，體積大，造價(jià)高的部件，占據(jù)了UPS設(shè)備成本、體積、功耗90%以上，并且逆變器部分也是提升UP

54、S故障率，降低產(chǎn)品可靠性的罪魁禍?zhǔn)住?lt;/p><p>　　UPS產(chǎn)生的背景是由于電子元器件耐壓能力不夠，早期的計(jì)算機(jī)設(shè)備內(nèi)置輸入電源必須經(jīng)過變壓器，這就決定了計(jì)算機(jī)必須由交流電供電，而如今隨著半導(dǎo)體器件的耐壓和開關(guān)性能的提高，計(jì)算機(jī)內(nèi)都采用了不帶工頻變壓器的開關(guān)電源。這也成為直流UPS新理念提出的一個(gè)重要前提。直流不間斷電源取消了交流逆變過程，大大減少了元器件的使用量。特別是取消了大功率逆變電路及其相關(guān)電路，并相

55、應(yīng)地減少了供電功耗，因此，采用直流不間斷供電具有較交流具有以下更好的性能：低生產(chǎn)成本、低運(yùn)行成本、高可靠性、高效率[4,7,10]。</p><p>　　（2）智能化，網(wǎng)絡(luò)化管理：</p><p>　　智能化，網(wǎng)絡(luò)化的UPS最基本的功能是在長(zhǎng)時(shí)間斷電情況下，能自動(dòng)安全地關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)、確保網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的安全性。此外，通過遠(yuǎn)程控制裝置，用戶也可以實(shí)時(shí)接收來自UPS的信息，便于管理。</p&

56、gt;<p><b>　?。?）綠色化：</b></p><p>　　各種用電設(shè)備和電源裝置產(chǎn)生的諧波電壓和諧波電流，對(duì)市電電源是一種污染。這就要求UPS做到使用戶負(fù)載既不受到已污染市電電源的影響，同時(shí)用戶負(fù)載產(chǎn)生的諧波電壓和諧波電流也不去污染市電。</p><p>　?。?）數(shù)字控制技術(shù)：</p><p>　　UPS的數(shù)字化并不

57、是簡(jiǎn)單的指在系統(tǒng)中應(yīng)用了數(shù)字器件，如單片機(jī)，DSP（Digital Signal Processor）及FPGA（Field Programmable Gata Array）等，而是指整個(gè)系統(tǒng)的控制應(yīng)用數(shù)字器件的計(jì)算能力和控制方法來完成[13]。采用數(shù)字PWM技術(shù)[3,6,8]，是數(shù)字控制技術(shù)的核心，用于保證UPS輸出電壓的質(zhì)量。數(shù)字控制的另一重要功能是實(shí)現(xiàn)UPS的初始自檢和運(yùn)行自檢，進(jìn)行故障保護(hù)和故障隔離。</p>&l

58、t;p>　　數(shù)字化技術(shù)的使用提高了UPS產(chǎn)品輸出電壓的穩(wěn)定性和純凈程度，同時(shí)也提高了UPS產(chǎn)品自身的可靠性。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，處理器計(jì)算速度的提高，數(shù)字控制技術(shù)必然成為UPS控制技術(shù)的發(fā)展主流。</p><p>　　1.3.2 課題研究意義</p><p>　　隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，一些應(yīng)用數(shù)字式控制的直流UPS產(chǎn)品開始出現(xiàn)在UPS市場(chǎng)上。由于數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用能使有效的提高UPS輸

59、出電壓的穩(wěn)定性和純凈程度，同時(shí)也提高了UPS產(chǎn)品自身的可靠性，加之直流供電模式的不間斷電源在設(shè)備體積，使用環(huán)境等條件上較交流不間斷電源又有了很大的選擇余地。因此一種數(shù)字式控制的直流不間斷電源極有可能對(duì)現(xiàn)有交流不間斷電源產(chǎn)生影響和沖擊，具有潛在的巨大市場(chǎng)。</p><p>　　從技術(shù)上而言，直流UPS較交流UPS有種種優(yōu)勢(shì)。交流UPS是將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，然后再轉(zhuǎn)化為交流電輸給終端設(shè)備。而直流UPS只需要將交流電

60、轉(zhuǎn)化為直流電，直接供給終端設(shè)備。由于節(jié)省了逆變器這個(gè)UPS中成本最高，最復(fù)雜的部件，交流UPS購(gòu)置成本和運(yùn)營(yíng)成本可降低20%-30%，總效率提高12-15%，可節(jié)電8%左右，而且更容易管理、維護(hù)[9]。</p><p>　　從可靠性方便講，用UPS是為了防止停電，而現(xiàn)在的UPS往往成為故障原因。由于交流UPS結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元器件眾多，很容易出現(xiàn)單點(diǎn)故障、還會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)諧波源，對(duì)電網(wǎng)和系統(tǒng)本身形成干擾，而引入數(shù)字式控制的

61、直流UPS則可保證穩(wěn)定性和可靠性。</p><p>　　1.3.3 課題主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　此次設(shè)計(jì)要研究的是一種應(yīng)用于消防，軌道交通等領(lǐng)域監(jiān)控、保安系統(tǒng)的在線數(shù)字式直流不間斷電源。它能提供穩(wěn)定的24V的直流輸出電壓，恒定功率為100W，能在市電斷電后持續(xù)工作2小時(shí)，切換時(shí)間小于10ms。</p><p>　　2總設(shè)計(jì)方案研究路線的設(shè)計(jì)與分析</

62、p><p><b>　　2.1 設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　圖2.1總體設(shè)計(jì)方案</p><p><b>　　2.2方案評(píng)價(jià)</b></p><p>　　該在線式不間斷電源設(shè)計(jì)方案通過ATmel公司生產(chǎn)的AVR單片機(jī)ATmega48實(shí)現(xiàn)蓄電池充放電電壓電流的檢測(cè)與控制：</p>

63、<p>　?。?）電壓檢測(cè)通過分壓電阻和單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換讀出電壓值換算而得，具有電路簡(jiǎn)單，精度高的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　?。?）蓄電池充、放電電流一般為毫安級(jí)，若用一般的測(cè)量方法，引入的測(cè)量電路會(huì)對(duì)所測(cè)電流產(chǎn)生不小的影響，使得測(cè)量誤差很大，故需由專門設(shè)計(jì)的電流采樣電路獲得。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的是由0.5歐的采樣電阻將電壓差分信號(hào)輸入HCPL-7840光耦隔離芯片，

64、經(jīng)差分放大電路后，再由單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算采樣電阻的輸入電壓，從而算得電流值。該測(cè)量方案對(duì)實(shí)際電流影響較小，測(cè)得的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高。</p><p>　?。?）蓄電池充電電壓反饋控制電路則采用Boost升壓電路實(shí)現(xiàn)，對(duì)輸入的直流電壓要求小，一般在12V左右。開關(guān)管開閉頻率則由單片機(jī)產(chǎn)生的pWm控制，而采樣的電壓電流值又對(duì)PWM的占空比形成閉環(huán)反饋，使得充電電壓或電流得到實(shí)時(shí)控制以完成蓄電池合理安全的充、放電。該充電方案

65、能有效提高蓄電池的使用壽命和設(shè)備整體可靠性。</p><p><b>　　2.3研究路線</b></p><p><b>　　圖2.2 研究路線</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)的研究路線如圖2.2，主要分為以下幾點(diǎn)：</p><p>　　設(shè)計(jì)在線式直流不間斷電源的基本電路</p>

66、<p>　　研究并解決市電正常時(shí)蓄電池過沖保護(hù)問題和市電斷電后蓄電池電壓輸出穩(wěn)壓和低壓保護(hù)</p><p>　　熟練并掌握AVR ATmega48單片機(jī)軟件開發(fā)</p><p>　　編輯軟件采樣蓄電池的輸出電壓和電流并予以直觀顯示；輸出一定占空比的PWM波形；對(duì)以上量做實(shí)時(shí)的控制</p><p>　　修改并完成設(shè)計(jì)，做到硬件大方得體，軟件運(yùn)行流暢<

67、/p><p>　　3 數(shù)字式直流不間斷電源硬件部分的設(shè)計(jì)</p><p>　　數(shù)字式直流不間斷電源硬件部分設(shè)計(jì)主要包括電壓電流采樣電路、蓄電池充放電切換電路、數(shù)碼管顯示電路三大塊電路的設(shè)計(jì)與整合。本章對(duì)其具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)作了詳細(xì)介紹。</p><p><b>　　3.1電壓檢測(cè)</b></p><p>　　電壓檢測(cè)采用單片機(jī)AT

68、mega48的8路(ADC0-ADC7)10位AD轉(zhuǎn)換器采樣計(jì)算而得。ADC的最大采樣值為1023(210-1)，通過采樣值與單片機(jī)設(shè)置參考電壓VREF(3.3V)做比較，可算得采樣電壓為</p><p>　　(V) (3-1)</p><p>　　3.1.1 蓄電池電壓檢測(cè)</p><p>　　由于采樣電壓值最高不能超過Vref值，故要對(duì)采樣目標(biāo)電壓進(jìn)

69、行分壓測(cè)量，如圖3.1。蓄電池電壓計(jì)算如式（3-2），硬件設(shè)計(jì)蓄電池采樣部分電阻R1為220K歐姆，R2為27K歐姆，蓄電池電壓計(jì)算如式（3-3）。經(jīng)測(cè)量，實(shí)際電壓誤差在±5mV。當(dāng)采樣值最大為1023時(shí)，實(shí)際電壓計(jì)算為Vmax，其測(cè)量范圍在0-30.3V之間。</p><p>　　(V)(3-2)</p><p>　　(V)(3-3)</p>

70、<p>　　(V)(3-4)</p><p>　　圖3.1 蓄電池電壓采樣電路</p><p>　　3.1.2 輸入電壓采樣</p><p>　　輸入電壓采樣類似蓄電池電壓采樣電路，由于輸入電壓選擇在12V左右，故選擇分壓電阻有所不同，R1為110K歐姆，R2為27K歐姆，采樣電壓計(jì)算如式（3-5），采樣最大值Vmax，其測(cè)量范圍在0-15.

71、5V之間。</p><p>　　(V)(3-5)</p><p>　　(V)(3-6)</p><p>　　3.2蓄電池電流檢測(cè)</p><p>　　由于蓄電池充電末期充電電流很小，用一般電流測(cè)量方法很難實(shí)時(shí)檢測(cè)出蓄電池在不同充、放電階段的電流值，故采用HCPL-7840光耦隔離差分放大芯片（該芯片說明見本文第五章第二節(jié)）以

72、及差分運(yùn)放電路來檢測(cè)采樣電阻兩側(cè)的電壓值，再通過單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換器ADC5讀出電壓值，經(jīng)過軟件換算求得電流值并顯示在數(shù)碼管上。</p><p>　　圖3.2 (A) 蓄電池電流采樣電路</p><p>　　圖3.2 (B) 蓄電池電流采樣</p><p>　　電流采樣電路如圖3.2所示，采樣電阻R20取0.5Ω，7840輸入電壓范圍在±200mV，故采樣電流

73、范圍為±400mA。7840自帶增益為8倍，差分放大電路中，R14=R17=4k，R19=8k放大倍數(shù)為</p><p>　　(倍)(3-7)</p><p>　　故最終放大的電壓型信號(hào)為檢測(cè)信號(hào)的16（2×8）倍。當(dāng)采樣電流最大400mA時(shí)，單片機(jī)讀得的電壓值為Vmax<3.3V如式3-8，符合單片機(jī)采樣要求。最終實(shí)際蓄電池充放電電流I充可由式3-9

74、求得</p><p>　　(V) (3-8)</p><p>　　(mA)(3-9)</p><p>　　3.3蓄電池充放電電路</p><p>　　蓄電池充放電電路要完成的任務(wù)就是完成蓄電池合理的充、放電方案。本設(shè)計(jì)的蓄電池充電過程采用恒流充電與恒壓充電相結(jié)合的方式（不同充電方案優(yōu)缺點(diǎn)見5.1說明），合理控制充電電

75、壓電流，減少對(duì)電路的沖擊，使得蓄電池充電充分又不會(huì)過沖(充電電壓大于蓄電池標(biāo)定電壓值的120%)。放電過程防止蓄電池深放電(放電末電壓小于蓄電池標(biāo)定電壓值的90%)，養(yǎng)成良好的電池保養(yǎng)習(xí)慣，延長(zhǎng)使用壽命。</p><p>　　圖3.3 蓄電池充放電電路</p><p>　　從原理上來說，要達(dá)到蓄電池充電電壓或者電流的實(shí)施控制，采用數(shù)字化閉環(huán)控制的Boost升壓電路是一種可行的方案。Boos

76、t升壓電路具有如下優(yōu)點(diǎn)：輸入電流連續(xù)，受干擾??；有輸入電感存在，可減少對(duì)輸入濾波的要求，并可防止電網(wǎng)對(duì)主電路高頻瞬態(tài)沖擊；輸出電壓大于輸入電壓峰值等。</p><p>　　經(jīng)調(diào)試得，單片機(jī)控制下的Boost升壓電路完全可以勝任蓄電池充、放電電流電壓的閉環(huán)控制任務(wù)。</p><p>　　蓄電池充放電硬件電路圖見圖3.3，外設(shè)電壓約12V從Vin口輸入，經(jīng)Boost升壓電路后一方面給負(fù)載供電，

77、另一方面作為蓄電池充電電壓。輸出口另設(shè)置一數(shù)碼管D6作為電源指示燈。</p><p>　　繼電器回路主要完成電池供電模式的切換，當(dāng)蓄電池長(zhǎng)時(shí)間充電（連續(xù)10天以上）對(duì)電池的壽命會(huì)產(chǎn)生影響，故考慮對(duì)電池進(jìn)行放電操作。放電操作可以通過軟件定時(shí)或硬件控制，及通過單片機(jī)拉低LED1口電壓或按鍵S1，此時(shí)放電指示燈亮，繼電器開關(guān)斷開（電路圖中置繼電器右腳），同時(shí)控制PWM輸出以降低Boost升壓電路輸出電壓使二極管D3截止

78、，至此蓄電池單獨(dú)對(duì)負(fù)載供電。當(dāng)放電電壓低于22V時(shí)，單片機(jī)通過軟件放出電壓過低預(yù)警（數(shù)碼管顯示LO_）。</p><p>　　3.4數(shù)碼管顯示電壓電流</p><p>　　圖3.4 四位8段數(shù)碼管</p><p>　　本設(shè)計(jì)使用的是4位8段共陽(yáng)極數(shù)碼管。ATmega48單片機(jī)PD6和PD7位選第1、2位，PB0和PB1位選第3、4位。八段數(shù)碼管接330歐電阻后分別連

79、至PD0-PD4，PC0-PC2口。</p><p>　　該方案的優(yōu)點(diǎn)是省去了外圍數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路，簡(jiǎn)化硬件部分的設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)也顯而易見，那就是占用了大部分單片機(jī)IO口資源，軟件對(duì)數(shù)碼管顯示必須采用掃面方式。由于Mega48單片機(jī)具有相當(dāng)豐富的I/O資源，通過軟件部分的合理布局后，使得該方案的缺點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)基本無(wú)影響。</p><p><b>　　3.5小結(jié)</b></

80、p><p>　　直流不間斷電源硬件部分的設(shè)計(jì)，不僅使我夯實(shí)了所學(xué)的電路知識(shí)，還對(duì)電路設(shè)計(jì)產(chǎn)生了濃厚的興趣。與以往的實(shí)驗(yàn)不同，設(shè)計(jì)過程中為滿足電路要求我第一次親手選擇和調(diào)試各種元器件，對(duì)多種不同型號(hào)規(guī)格的電阻，電容，三極管有了深刻的了解。通過參閱了大量的文獻(xiàn)資料，從電子技術(shù)的基本知識(shí)到各種集成芯片的特性和使用說明，我完全從書本知識(shí)中釋放出來，發(fā)現(xiàn)電子電路的另一篇天地。</p><p>　　4 數(shù)

81、字式直流不間斷電源軟件程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　表4-1 ATmega48單片機(jī)外設(shè)資源利用表</p><p>　　4.1軟件部分完成的任務(wù)</p><p>　　整個(gè)軟件設(shè)計(jì)部分是基于AVR單片機(jī)ATmega48開發(fā)環(huán)境下的，單片機(jī)資源的利用情況可見表4-1。由于未選擇外圍芯片驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，故數(shù)碼管顯示部分占用了單片機(jī)大量的端口資源（12個(gè)端口），但由于m

82、ega48單片機(jī)含有相對(duì)豐富的硬件資源并未對(duì)本設(shè)計(jì)產(chǎn)生明顯不良影響。</p><p>　　數(shù)字式直流不間斷電源軟件部分的設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)備能順利工作的技術(shù)保證，其要完成的任務(wù)主要分為兩塊：</p><p>　?。?）不間斷電源蓄電池的電壓和充放電電流，輸入電壓的采樣以及其在數(shù)碼管的顯示工作。</p><p>　　該部分由主程序完成。主程序首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，包括端口

83、的IO設(shè)置，定時(shí)器和初始PWM輸出的設(shè)置。進(jìn)入主程序循環(huán)后，定時(shí)器開始工作，并通過對(duì)輸入電壓的采樣判斷外電的正常供電與否，若外電電壓正常則采樣輸出電壓和充電電流予以顯示；若外電電壓處于掉電情況，切換蓄電池供電模式，關(guān)定時(shí)器不進(jìn)入蓄電池充電管理部分程序，繼而采樣蓄電池電壓值判斷是否低于低壓預(yù)警電壓。</p><p>　　四位八段數(shù)碼管對(duì)輸入電壓、充電電壓和充電電流的采樣采用輪流顯示的方式，且在第一管分別顯示一二三予

84、以區(qū)別，每個(gè)采樣值的顯示時(shí)間約為一秒。數(shù)碼管顯示樣例見表4-2。</p><p>　　表4-2 數(shù)碼管顯示樣例表</p><p>　?。?）蓄電池三段式充電方案的實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　該部分由定時(shí)器1中斷程序完成。主函數(shù)初始化后，定時(shí)器1開始計(jì)時(shí)，若檢測(cè)到外電供電異常時(shí)，則關(guān)閉計(jì)時(shí)器以防止進(jìn)入中斷程序。定時(shí)器中斷部分程序通過對(duì)當(dāng)前采樣的蓄電池電壓大小進(jìn)行判斷

85、，從而對(duì)輸出的PWM占空比進(jìn)行調(diào)整，間接地對(duì)輸入的電壓或者電流進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以此實(shí)現(xiàn)蓄電池的恒流或者恒壓充電。如檢測(cè)到當(dāng)前蓄電池電壓為23.8V，判斷應(yīng)該對(duì)蓄電池采用0.24A的恒流充電，再對(duì)當(dāng)前主程序檢測(cè)的充電電壓進(jìn)行判斷，若大于0.24A則減小PWM輸出，若小于0.24A則增大PWM輸出，對(duì)應(yīng)的輸入電壓放大倍數(shù)發(fā)生變化以改變充電電流大小。</p><p>　　此外，軟件部分還設(shè)置了系統(tǒng)看門狗，一旦程序出現(xiàn)死

86、機(jī)時(shí)則對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，減少不間斷電源因軟件原因產(chǎn)生的故障。</p><p>　　4.2 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)</p><p>　　4.2.1 主程序結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖4.1 主程序結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4.2.2中斷服務(wù)子程序流程圖</p><p>　　圖4.2 中斷服務(wù)子程序流程圖</p>&

87、lt;p><b>　　4.3 小結(jié)</b></p><p>　　軟件部分的設(shè)計(jì)是我在一定的單片機(jī)開發(fā)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，由于有一定的軟件編寫經(jīng)歷，使得軟件部分設(shè)計(jì)的進(jìn)度相較于硬件部分進(jìn)度快很多。但由于新問題的出現(xiàn)也曾使我一度悶在實(shí)驗(yàn)室對(duì)著板子無(wú)從下手，那就是數(shù)碼管顯示程序的位置選擇問題。由于硬件設(shè)計(jì)部分沒采用數(shù)碼管控制芯片而是將其直接連接單片機(jī)12個(gè)控制引腳，從而使數(shù)碼管的數(shù)字顯示是只能通過

88、掃描方式來實(shí)現(xiàn)，這就導(dǎo)致在數(shù)碼管顯示期間無(wú)法有別的程序引入。通過獨(dú)立的思考和冷靜的分析查閱各種數(shù)碼管顯示例子后，我選擇了由中斷服務(wù)子程序來完成蓄電池充電方案的控制，主程序主要負(fù)責(zé)數(shù)碼管三采樣數(shù)據(jù)的輪流顯示。當(dāng)這關(guān)鍵性的困難被克服后，軟件部分的設(shè)計(jì)就顯得比較順利了。</p><p><b>　　5 設(shè)計(jì)說明</b></p><p>　　5.1 蓄電池合理充電方案的說明&

89、lt;/p><p>　　5.1.1 蓄電池基本充電方法</p><p>　　蓄電池在循環(huán)使用過程中，可以使用不同的充電方法來對(duì)其進(jìn)行充電。在選擇最合適的充電方法時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮二次電池的使用頻率、放電頻率、用途等因素。</p><p>　?。?）恒流充電法。在充電過程中，充電電流始終保持恒定的方法，叫做恒流充電法[20,21]。當(dāng)I充保持恒定時(shí)，U充將隨著E的不斷上升而上升

90、。若電壓升至2.3V以上，則電池內(nèi)會(huì)有大量水發(fā)生分解。</p><p>　　采用恒流充電時(shí)，可使電池具有較高的充電效率，可以很方便地根據(jù)充電時(shí)間來決定充電是否中止，充電效率高。但恒流充電有充電過程需較多人工干預(yù)，充電時(shí)間長(zhǎng)，常常需要十幾個(gè)小時(shí)，充電末期因電壓太高而析氣嚴(yán)重等缺點(diǎn)。</p><p>　?。?）恒壓充電法。在充電過程中，電源加在電池兩端的電壓始終保持恒定的方法，叫做恒壓充電法[

91、20,21]。采用恒壓充電法充電初期電流較大，充電末期電流會(huì)變的很小。</p><p>　　電流隨蓄電池端電壓的升高而減小，最后自動(dòng)停充，故充電操作簡(jiǎn)單，無(wú)需人工調(diào)整電流。由于恒壓充電充電初期電流較大，因此充電速度快，但過大的電流有時(shí)會(huì)損壞充電設(shè)備，尤其是電池深放電后。恒壓充電末期電流過小，使極板深處活性物質(zhì)無(wú)法充分恢復(fù)，故不能保證蓄電池徹底充電。</p><p>　　5.1.2 蓄電池充

92、電方法選擇</p><p>　　故本設(shè)計(jì)結(jié)合蓄電池恒壓、恒流充電的優(yōu)缺點(diǎn)采用兩種充電方法相結(jié)合的蓄電池充電方案。蓄電池充電初期以一定的電流（5-10小時(shí)率）充電，充電中期采用恒壓充電方式當(dāng)單個(gè)電池達(dá)到2.3V左右時(shí)，采用涓充方式，以便時(shí)刻準(zhǔn)備切換成電池供電模式。</p><p>　　5.2 HCPL-7840芯片的說明</p><p>　　HCPL-7840是Agi

93、lent（安捷倫）公司專門為檢測(cè)電流設(shè)計(jì)的光電隔離放大器。其結(jié)構(gòu)框圖如圖5.1。管腳信號(hào)分別為原極電源輸出（1、4）、原極采樣信號(hào)輸入（2、3）、次級(jí)電源輸入（8、5）、次級(jí)差分信號(hào)輸出（7、6），實(shí)時(shí)電流通過一個(gè)外部采樣電阻得到模擬電壓，通過原極采樣信號(hào)輸入端進(jìn)入芯片，在次級(jí)得到一個(gè)差分的輸出電壓，該差分的輸出電壓正比于輸入電流。</p><p>　　HCPL-7840的推薦原極、次級(jí)電源電壓為4.5~5.5V

94、，電流為8.8mA，要求隔離供電；輸出信號(hào)電壓為-200~+200mV，額定增益8倍，5%容差，0.1%非線性，-0.2毫伏輸入偏移電壓，能抵抗至少10kV/us的共模干擾，絕緣耐壓2500Vac*1min。</p><p>　　圖5.1 HCPL-7840結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　5.3 Boost升壓電路的說明</p><p>　　Boost升壓電路，是一

95、種開關(guān)直流升壓電路，它可以使輸出電壓比輸入電壓高，其基本電路見圖5.2。</p><p>　　圖5.2 boost升壓電路基本模型</p><p>　　在充電過程中，開關(guān)閉合（三極管導(dǎo)通）。這時(shí)，輸入電壓流過電感。二極管防止電容對(duì)地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個(gè)比率跟電感大小有關(guān)。隨著電感電流增加，電感里儲(chǔ)存了一些能量。</p><p

96、>　　當(dāng)開關(guān)斷開（三極管截止）時(shí)，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會(huì)馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時(shí)的值變?yōu)?。而原來的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時(shí)電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。升壓完畢。說起來升壓過程就是一個(gè)電感的能量傳遞過程。充電時(shí)，電感吸收能量，放電時(shí)電感放出能量。如果電容量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過程中保持一個(gè)持續(xù)的電流。如果這個(gè)通斷的過程不斷重復(fù)，就可以

97、在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。</p><p>　　5.4 ATmega48 ADC模塊的說明</p><p>　　ATmega48有一個(gè)10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以0V (GND)為基準(zhǔn)。ADC包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC 的電壓保持恒定。ADC由AVCC引腳單獨(dú)提供

98、電源。</p><p>　　ADC 通過逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)10 位的數(shù)字量。最小值代表GND，最大值代表AREF引腳上的電壓再減去1 LSB。通過寫ADMUX寄存器的REFSn位可以把AVCC或內(nèi)部1.1V的參考電壓連接到AREF引腳。擬輸入通道可以通過寫ADMUX寄存器的MUX位來選擇。</p><p>　　表5-1 ADC多路復(fù)用選擇寄存器 ADMUX</

99、p><p>　　表5-2 ADC控制及狀態(tài)寄存器ADCSAR</p><p>　　任何ADC輸入引腳，像GND及固定能隙參考電壓，都可以作為ADC 的單端輸入。通過設(shè)置ADCSRA 寄存器的ADEN即可啟動(dòng)ADC。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果為10位，存放于ADC數(shù)據(jù)寄存器ADCH及ADCL中。默認(rèn)情況下轉(zhuǎn)換結(jié)果為右對(duì)齊，但可通過設(shè)置ADMUX 寄存器的ADLAR 變?yōu)樽髮?duì)齊。如果要求轉(zhuǎn)換結(jié)果左對(duì)齊，且最

100、高只需8 位的轉(zhuǎn)換精度，那么只要讀取ADCH就足夠了。否則要先讀ADCL，再讀ADCH，以保證數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容是同一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果。一旦讀出ADCL，ADC對(duì)數(shù)據(jù)寄存器的尋址就被阻止了。也就是說，讀取ADCL 之后，即使在讀ADCH之前又有一次ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)也不會(huì)更新，從而保證了轉(zhuǎn)換結(jié)果不丟失。ADCH 被讀出后，ADC即可再次訪問ADCH 及ADCL寄存器。</p><p>　　5.5芯片及

101、單片機(jī)取電問題的說明</p><p>　　由于光耦隔離放大器7840輸入端和輸出端需要兩個(gè)相互隔離的5V電壓源，單片機(jī)需要需要3.3V和5V電壓供能才能正常工作，故整個(gè)電路硬件部分需要一個(gè)合理的供電方案才能保證系統(tǒng)的順暢運(yùn)作。本設(shè)計(jì)采用了三端穩(wěn)壓集成電路7805從電池端取電來提供5V供電，低壓差電壓調(diào)節(jié)器AMS1117來提供單片機(jī)3.3V模數(shù)電壓。</p><p>　　為了解決7805電路

102、的散熱問題，選擇從一節(jié)蓄電池12V出取7805輸入電壓，為保持兩節(jié)電池電量的平衡，定期交換電池位置。對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行試驗(yàn)得，7840與單片機(jī)正常工作電流在50mA附近，選擇在7805前通過加一100歐電阻進(jìn)行分壓，7805上產(chǎn)生功率計(jì)算為P7805（1）=(12-100×50×10-3-5)×(50×10-3)=0.1W；單片機(jī)和運(yùn)放部分的最大工作電流在90mA左右，選擇在7805前通過加一50歐電

103、阻進(jìn)行分壓，7805上產(chǎn)生功率計(jì)算為P7805（2）=(12-50×90×10-3-5)×(90×10-3)=0.225W，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于需加散熱片限定電壓1W。</p><p>　　電源模塊設(shè)計(jì)總電路圖如圖5.3。</p><p>　　圖5.3 電源模塊設(shè)計(jì)</p><p><b>　　6 設(shè)計(jì)成果與展望</b&

104、gt;</p><p><b>　　6.1 設(shè)計(jì)成果</b></p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，從文獻(xiàn)檢索到初有設(shè)計(jì)成果，為期近三個(gè)多月。通過對(duì)在線數(shù)字式直流UPS的原理分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅讓我從課本中學(xué)習(xí)的電子電路知識(shí)得到了運(yùn)用和擴(kuò)展，還對(duì)電路設(shè)計(jì)產(chǎn)生了濃厚的興趣。盡管設(shè)計(jì)中運(yùn)用到的電路知識(shí)和一些元器件或集成芯片等也是極其有限的，但通過參閱大量的文獻(xiàn)資料，我了解并擴(kuò)

105、充了電子電路設(shè)計(jì)這一廣闊的研究領(lǐng)域，對(duì)一般的開關(guān)電源設(shè)計(jì)，元器件的合理選擇，電路的準(zhǔn)確布局等有了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為今后從事這一行業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。</p><p>　　設(shè)計(jì)比較順利地完成了課題研究目標(biāo)，主要體現(xiàn)在：</p><p>　?。?）穩(wěn)定的直流輸出</p><p>　　圖6.1 示波器顯示直流輸出</p><p>　　如圖6.1所示，

106、未經(jīng)后一級(jí)電路降壓，直接從蓄電池即boost升壓輸出端采的電壓值可以保持穩(wěn)定的直流輸出（該值為蓄電池當(dāng)前的電壓值，理論上在22V~27V之間，但在外電正常即蓄電池充電狀態(tài)下不會(huì)低于24V，再經(jīng)電位器和二極管降壓后可以控制在24V），右圖為其紋波值。</p><p>　?。?）不間斷電源蓄電池的三段充電方式的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　如表6-1。該充電方案一方面可以保證充電初期電流不會(huì)過大（

107、尤其當(dāng)蓄電池深放電后）從而防止對(duì)電路的沖擊；另一方面可以使蓄電池化學(xué)物質(zhì)充分反應(yīng)，解決恒壓充電方案充電不充分的缺點(diǎn)。本充電方案完成蓄電池充電時(shí)間約為8小時(shí)。（本設(shè)計(jì)選擇的蓄電池組為12V，1.2Ah兩個(gè)，具體數(shù)據(jù)因選擇蓄電池不同存在較大差異）</p><p>　　表6-1 蓄電池分段充電</p><p>　　（3）軟件或者手動(dòng)切換蓄電池、外網(wǎng)供電</p><p>　

108、　圖6.2 按鍵切換蓄電池供電</p><p>　　當(dāng)蓄電池連續(xù)充電一定時(shí)間后（10天以上），要對(duì)蓄電池進(jìn)行放點(diǎn)操作以保證其壽命。如圖6.2所示，通過按鍵S1，發(fā)光二極管D5亮，繼電器回路斷開，從而控制外電供電回路斷開，蓄電池供電。同樣的操作也可以通過軟件置底EN位實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　?。?）切換時(shí)間短</b></p><p>　

109、　為保證不間斷電源負(fù)載設(shè)備在外網(wǎng)斷電時(shí)信息不丟失，切換時(shí)間是不間斷電源設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一。本設(shè)計(jì)的蓄電池由于是以在線式結(jié)構(gòu)并入負(fù)載的，經(jīng)測(cè)試當(dāng)外網(wǎng)掉電時(shí)對(duì)負(fù)載供電無(wú)任何影響。圖6.3示波器檢測(cè)為繼電器回路切換時(shí)的掉電時(shí)間，該掉電情形出現(xiàn)在兩種情形：1）外網(wǎng)供電正常時(shí)切換蓄電池供電，繼電器的切換動(dòng)作 2）外電掉電蓄電池供電時(shí)，外網(wǎng)突然回復(fù)正常，繼電器的切換動(dòng)作。掉電峰值在11V，時(shí)間約為8ms。</p><p>&

110、lt;b>　　圖6.3 切換電壓</b></p><p>　?。?）實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備供電狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控</p><p>　　本設(shè)計(jì)的不間斷電源具有對(duì)當(dāng)前輸入電壓、輸出電壓、充電電流的輪流顯示功能，分別于數(shù)碼管第一管顯示一二三予以區(qū)別，通過四位數(shù)碼管可以直觀地反映當(dāng)前供電狀態(tài)的各項(xiàng)參數(shù)。圖6.3顯示的是模擬三種不同供電狀態(tài)下的采集數(shù)據(jù)，數(shù)碼管和電源指示燈結(jié)合起來可以很直觀地