基于AT89C51單片機的UPS電源軟件仿真模擬研究摘要UPS電源即為不間斷供電電源，是一種以逆變電路為主，變壓、整流、濾波等電路為輔的含有儲能裝置的電源設(shè)備，主要用于給醫(yī)療、航空和芯片制造等行業(yè)的高精尖設(shè)備或銀行、通信和計算機等產(chǎn)業(yè)的服務(wù)器系統(tǒng)提供不間斷的優(yōu)質(zhì)電源?，F(xiàn)今，UPS技術(shù)已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并且隨著數(shù)字控制技術(shù)和電子元器件的飛速發(fā)展，新型號的UPS電源更加智能、環(huán)保，同時，集成度和交互感進一步提升。本次設(shè)計是基于AT89C51單片機對不間斷電源進行軟件仿真模擬，本次仿真的不間斷電源屬于在線式。本文先對AT89C51單片機的結(jié)構(gòu)和工作電路做了簡要概述；然后對UPS電源的概念、發(fā)展前景以及分類進行了簡要概述；緊接著詳細研究了UPS電源的基本組成電路：整流濾波電路（交流變直流電路）、蓄電池充電電路（降壓穩(wěn)壓電路）、逆變電路（直流變交流電路）及升壓斬波電路；然后又深入介紹了脈寬調(diào)制技術(shù)和單相橋式PWM逆變電路；最后進行了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計：市電及蓄電池的數(shù)據(jù)采集和繼電器的驅(qū)動電路等的硬件和軟件設(shè)計。本次仿真達到了預(yù)期目的，完成了電源的自動切換任務(wù)。最后對本次設(shè)計做了總結(jié)，闡述了完成的任務(wù)，指出了本次設(shè)計沒有實現(xiàn)的功能和未來的改進方向。關(guān)鍵字：不間斷電源；AT89C51單片機；逆變電路；脈寬調(diào)制技術(shù)；采樣電路目錄摘要 IABSTRACT II前言 1第1章緒論 21.1UPS電源產(chǎn)生的背景及發(fā)展趨勢 21.2AT89C51單片機介紹 21.3本課題主要研究的內(nèi)容 5第2章UPS電源的基礎(chǔ)知識 52.1UPS電源的功能 62.2UPS電源的分類 6第3章UPS電源中常用的電路 83.1整流濾波電路 83.2逆變電路 143.3蓄電池充電電路 173.4升壓斬波電路 19第4章脈寬調(diào)制技術(shù) 204.1脈寬調(diào)制控制的基本原理 204.2PWM逆變電路的控制方法 21第5章系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計 225.1系統(tǒng)概述 235.2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 255.3系統(tǒng)軟件設(shè)計 29第6章系統(tǒng)測試及結(jié)果分析 33第7章工作總結(jié) 347.1全文總結(jié) 347.2未來展望 35前言電源作為一切電器設(shè)備的能量之源，在設(shè)備的運作中起著至關(guān)重要的作用。而隨著社會的快速發(fā)展和技術(shù)的更新?lián)Q代，電器設(shè)備隨處可見，高精尖設(shè)備同樣也是不斷涌現(xiàn)，如計算機設(shè)備和服務(wù)器設(shè)備，這就更加突出了電源對現(xiàn)今社會的影響。為了滿足電氣設(shè)備正常運作的供電需求以及高精尖設(shè)備的不間斷供電需求，社會對不間斷電源的投資比重不斷增加，致使UPS電源技術(shù)突飛猛進?，F(xiàn)如今，UPS電源已經(jīng)邁入了數(shù)字化的時代，在企業(yè)和商店等場合得到了廣泛應(yīng)用。本次設(shè)計的具體方向是在線式不間斷電源，通過對UPS電源原理的理解，深入研究了UPS電源基本構(gòu)成電路的工作原理，通過電子設(shè)計仿真軟件Proteus8Professional、電力電子仿真軟件PLECS和程序編譯軟件KeiluVision4，設(shè)計了一款在線式UPS電源，其控制器件是51單片機。UPS電源的基本構(gòu)成電路有交流變直流電路、降壓穩(wěn)壓電路、升壓斬波電路、直流變交流電路、波形發(fā)生電路、市電和蓄電池數(shù)據(jù)采樣電路和市電-蓄電池切換電路。通過程序設(shè)計使各電路模塊間的聯(lián)系更加緊密，使本次的UPS設(shè)計成型。本次設(shè)計實現(xiàn)了對市電及蓄電池的數(shù)據(jù)采集、蓄電池的降壓穩(wěn)壓充電及兩電源間快速切換的仿真模擬。本文采用單片機為UPS電源的控制核心，其本意是設(shè)計一款簡便的小型UPS電源，與商用UPS電源在性能上的差異還是比較大的：采樣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集不夠全面，精度也不足，沒有聯(lián)網(wǎng)功能等。從選題到初稿再到論文完稿，全程查閱了諸多文獻，同時也得到了譚中原老師的耐心指導，特別是設(shè)計仿真的過程，譚老師給出了寶貴建議，使仿真順利完成。在此，衷心感謝譚老師的指導。第1章緒論1.1UPS電源產(chǎn)生的背景及發(fā)展趨勢在很多重要的用電部門有著許多特殊的用電設(shè)備，這些設(shè)備如果突然斷電將會造成很大的損失甚至造成人生傷害，例如：在醫(yī)療，航空和芯片制造等行業(yè)，一些高精尖的生產(chǎn)設(shè)備對電源品質(zhì)的要求十分苛刻，而進口的高科技設(shè)備都是按照國際標準設(shè)計的，只有在指定的電網(wǎng)環(huán)境中才可能長壽命工作；銀行、通信和計算機等產(chǎn)業(yè)的重要數(shù)據(jù)都是通過計算機進行數(shù)據(jù)存儲和處理的，而計算機的隨機存儲器RAM斷電后，其內(nèi)的數(shù)據(jù)會瞬間丟失，這將會給國家經(jīng)濟和國民生活造成難以估計的損失。此外，我們國家的電網(wǎng)系統(tǒng)目前還存在著諸多不穩(wěn)定因素，如電網(wǎng)電壓波動、浪涌、諧波畸變、欠壓和過壓等，設(shè)備運行在低品質(zhì)的電網(wǎng)環(huán)境中會極大地降低使用壽命和增加故障發(fā)生率。UPS電源的出現(xiàn)是為了解決電網(wǎng)電力供應(yīng)質(zhì)量差的問題。經(jīng)過幾十年不斷地研發(fā)，UPS電源的控制部件從原先的模擬電路發(fā)展到現(xiàn)今的數(shù)字電路，其控制技術(shù)已經(jīng)越發(fā)成熟?，F(xiàn)如今的UPS電源不僅可以充當電源以保證后續(xù)負載不會突然斷電，還可以改善市電的輸出品質(zhì)，使輸出電壓更為穩(wěn)定。初代UPS電源的控制電路是以模擬電路為主，他的特點是體積大、效率低、設(shè)計簡單。隨著電子元器件的更新?lián)Q代和集成電子技術(shù)的快速發(fā)展，以數(shù)字電路作為控制電路的UPS在各行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用，它的特點是體積小、性能可靠、控制方式便捷等。隨著分布式發(fā)電并網(wǎng)需求的出現(xiàn)，對UPS電源的性能提出了更高的要求，這致使UPS電源將在數(shù)字化和高頻化的逆變控制方面進一步突破，同時智能化和大容量單機冗余化等方向也將得到大幅提升，安全性和穩(wěn)定性會更加優(yōu)異[1]。1.2AT89C51單片機介紹AT89C51單片機在后續(xù)章節(jié)中有時會簡稱為51單片機，它的五大功能部件分別為微型處理器、數(shù)據(jù)存儲器又稱隨機存儲器（RandomAccessMemory,縮寫為RAM）、快閃存儲器又稱可擦只讀存儲器（FlashRead-OnlyMemory,縮寫為FlashROM）、并行輸入輸出接口電路（ParallelInput/OutputportCircuit）和定時計數(shù)電路（Timer/CounterCircuit）。89C51單片機內(nèi)部的基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示：圖1.189C51單片機的基本結(jié)構(gòu)圖4KB大小的快閃存儲器（FlashRead-OnlyMemory）作為51單片機內(nèi)部集成的存儲器，可以用來存放各種固定的指令代碼和各種常量數(shù)據(jù)和變量數(shù)據(jù)。256字節(jié)的隨機存取存儲器（RAM）作為51單片機內(nèi)部集成的存儲器，其功能為存放一些臨時數(shù)據(jù)信息和指令代碼。4個8位可編程I/O口用作數(shù)據(jù)的輸入輸出。定時/計數(shù)器有三大功能：首先可以用來對外部事件進行計數(shù)，其次可以和內(nèi)部晶振一起實現(xiàn)計時功能，最后還可作為串行接口的波特率發(fā)生器。51單片機的五個中斷源可以分為三大類。一個串行通信口，用來與單片機或個人計算機進行通信。DBUS為片內(nèi)8位數(shù)據(jù)總線。80C51型微處理器作為51單片機的中央處理單元，由多種寄存器組成，其中運算器和控制器為核心寄存器。震蕩器和時序OSC是51單片機內(nèi)部集成的震蕩電路和時鐘產(chǎn)生電路（ClockCircuit），在外部引腳上接入晶體振蕩器和頻率微調(diào)的電解電容后就形成了自激多諧振蕩電路，就能產(chǎn)生讓51單片機正常工作的脈沖信號。51單片機的引腳名稱及結(jié)構(gòu)布局如圖1.2所示：圖1.251單片機在Proteus8Professional仿真軟件中的引腳圖AT89C51單片機引腳簡介：40腳為Vcc引腳，即電源端，接+5V。20腳為Vss引腳，即接地端。19腳為XTAL1引腳，18腳為XTAL2引腳，當51單片機使用自己內(nèi)部的時鐘電路時，該引腳和18引腳的外部接入晶振和頻率微調(diào)電容，然后一起構(gòu)成自激多諧振蕩電路；當使用外部接入的時鐘脈沖信號時，外部的時鐘脈沖信號從19引腳輸入,18引腳懸空，即不外接任何器件。9腳為RST引腳，即復(fù)位端，想要完成所有內(nèi)部元器件的復(fù)位操作，就需要在該引腳保持二十四個震蕩周期以上的高電平。29腳為程序存儲允許輸出端。30腳為AddressLatchEnable/Programming引腳，即將端口鎖存為地址信號允許輸入端口。當51單片機接入外部所需電路而正常工作時，該端口會持續(xù)向外輸出周期為六倍單片機節(jié)拍周期的正脈沖信號，因而ALE引腳可用作對外輸出時鐘引腳。31腳為存取外部程序代碼引腳，即始能端（EA），當始能端接高電平時，微處理器先訪問單片機內(nèi)部的快閃存儲器并執(zhí)行其內(nèi)部的指令代碼，但當PC指針的值超過內(nèi)部快閃存儲器的容量時，會自動去執(zhí)行單片機外部快閃存儲器中的指令代碼；當始能端接低電平時，微處理器只會訪問單片機外部的快閃存儲器并執(zhí)行其內(nèi)部的程序。P0口包括P0.0~P0.7八個引腳（即39~32腳）：P0口是一個內(nèi)部場效應(yīng)管的漏極為開路狀態(tài)的既能輸入又能輸出的端口,內(nèi)部場效應(yīng)管沒有接上拉電阻，因此這八個端口外部接入負載時都需要外接上拉電阻，否則容易出現(xiàn)大電流燒毀引腳內(nèi)部的場效應(yīng)管。在微處理器訪問外部的程序存儲器時，P0口可作為低8位地址總線或8位數(shù)據(jù)總線。在微處理器訪問外部的數(shù)據(jù)存儲器時，P0口可作為低8位數(shù)據(jù)總線。P1口包括P1.0~P1.7八個引腳（即1~8腳）：P1口內(nèi)部場效應(yīng)管的漏極帶有上拉電阻,是8位既能作為輸入又能作為輸出的端口，因此該端口接入負載時不需要外接上拉電阻。P2口包括P2.0~P2.7八個引腳（即21~28腳）：P2口內(nèi)部場效應(yīng)管的漏極帶有上拉電阻,是8位既能作為輸入又能作為輸出的端口；在微處理器訪問外部的程序存儲器時，P2口可作為低8位地址總線或8位數(shù)據(jù)總線。在微處理器訪問外部的數(shù)據(jù)存儲器時，P2口可作為低8位數(shù)據(jù)總線。P3口包括P3.0~P3.7八個引腳（即10~17腳）：P3口內(nèi)部場效應(yīng)管的漏極帶有上拉電阻,是8位既能作為輸入又能作為輸出的端口。此外，P3口還有復(fù)用功能，其復(fù)用功能如表1-1所示：表1-1P3口引腳與第二功能表[2]端口引腳復(fù)用功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸入口）P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0（定時器0的外部輸入）P3.5T1（定時器1的外部輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）51單片機是一片經(jīng)濟實惠的控制芯片，它操作簡單，容易上手的特點使他應(yīng)用廣泛，同時考慮到該芯片可靠性高和功耗低，所以讓它充當本次設(shè)計的控制單元。1.3本課題主要研究的內(nèi)容本文通過研究UPS電源的工作機理和關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了一款以AT89C51單片機為基本控制單元的在線式UPS電源。本文的正文內(nèi)容可分為七個章節(jié)，其各個章節(jié)的核心內(nèi)容如下所示：第1章緒論對UPS電源產(chǎn)生的背景及發(fā)展趨勢、AT89C51單片機做了簡單介紹。第2章UPS電源的基礎(chǔ)知識對UPS電源的相關(guān)知識做了詳細的介紹。本章主要介紹了UPS電源的功能和分類。UPS電源有五大功能，分別為對電網(wǎng)具有較強的適應(yīng)能力、能輸出高質(zhì)量的電能、運行中對電網(wǎng)不會產(chǎn)生污染、具有高度的智能化控制和高效率。UPS電源工作原理可細分為后備式不間斷電源、在線式不間斷電源、在線互動式不間斷電源三類。第3章UPS電源中的常用電路介紹了四種基本電路：交流變直流電路、降壓穩(wěn)壓電路、直流變交流及升壓斬波電路。第4章脈寬調(diào)制技術(shù)對基于PWM技術(shù)的逆變電路的設(shè)計思想和原理做了詳細的介紹并且詳細的介紹了PWM控制技術(shù)的原理。第5章系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計從硬件方面詳細介紹了本次設(shè)計的控制電路：波形發(fā)生電路、市電和蓄電池數(shù)據(jù)采樣電路和市電-蓄電池切換電路；從軟件方面介紹了控制電路實現(xiàn)的程序。第6章系統(tǒng)測試及結(jié)果分析主要介紹了電路仿真系統(tǒng)的測試結(jié)果。第7章工作總結(jié)。總結(jié)了本次設(shè)計所做的主要工作。第2章UPS電源的基礎(chǔ)知識 UPS電源研發(fā)起初是為了給特殊的用電設(shè)備提供電力供應(yīng)保障。而隨著計算機和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，UPS電源更多用來充當計算機信息的保護神。在進入信息時代后，UPS電源更是朝著智能化和數(shù)字化飛速發(fā)展。2.1UPS電源的功能在電網(wǎng)正常供電時，后備式不間斷電源是不起作用的，處于等待狀態(tài)，負載電能由220V市電直接提供；在線式的UPS電源是先將市電進行整流濾波處理，然后通過逆變升壓電路給負載供電。當電網(wǎng)發(fā)生故障時，單片機進行電源切換，不間斷電源立即啟動逆變，將蓄電池中儲藏的電能經(jīng)逆變升壓電路傳遞給負載。下面將對UPS電源的功能做詳細的介紹：不間斷電源對市電必須有較高的適應(yīng)性實際的供電電網(wǎng)中存在著許多干擾和噪聲，如電壓波動、頻率變化、電涌、噪聲電壓和諧波畸變等，這些噪聲和干擾會對UPS電源的正常工作產(chǎn)生不同程度的影響。因此，UPS電源必須能適應(yīng)電網(wǎng)中的這些擾動和噪聲，同時保證輸出電能的穩(wěn)定性，使負載正常穩(wěn)定的運行。不間斷電源必須能輸出高質(zhì)量的電能UPS電源的引進使因為用電設(shè)備對電能的穩(wěn)定性和可靠性有較高的要求，如果UPS電源無法給用電設(shè)備提供穩(wěn)定的電能，那UPS電源的引進將變得毫無意義。因此，UPS電源必須能為高性能設(shè)備提供高質(zhì)量的電能，使其正常工作。不間斷電源應(yīng)盡量減少對電網(wǎng)的干擾隨著電子元器件的更新?lián)Q代，越來越豐富的電子產(chǎn)品對電網(wǎng)的干擾也越來越嚴重。UPS電源中的降壓、整流、濾波和逆變等電路中包含有大量的電感和電容等儲能元器件，會對電網(wǎng)的正常工作產(chǎn)生嚴重的影響，容易造成電網(wǎng)的電壓與電流不同步，從而引發(fā)高于基波頻率的諧波。因此，在設(shè)計UPS電源時，應(yīng)盡量減少對電網(wǎng)的干擾，保證UPS電源接入電網(wǎng)后對電網(wǎng)電能沒有影響。不間斷電源應(yīng)具有高度的智能化系統(tǒng)隨著科學力量的增長和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，不間斷電源的更新?lián)Q代也越來越頻繁?，F(xiàn)如今的UPS電源擁有著高度的智能化，其控制系統(tǒng)具有市電狀態(tài)監(jiān)測功能，對市電的欠壓和斷電等不同的狀態(tài)做出相對應(yīng)的動作，以保證負載的正常工作?，F(xiàn)如今的UPS電源還具有運行狀態(tài)記錄等實用功能，使用戶能實時了解不間斷電源的狀態(tài)。不間斷電源應(yīng)具有較高的效率與市電相比，UPS電源的供電效率是比較低的，嚴格限制了所帶負載的性質(zhì)和數(shù)量。因此，高效率成為了衡量UPS電源性能的一個重要指標。提高效率就是提高UPS電源的供電能力，增強UPS電源對負載的適應(yīng)性[3]。2.2UPS電源的分類不間斷電源根據(jù)工作機理可以分為被動后備式、在線式、在線互動式三類。2.2.1被動后備式UPS被動后備式不間斷電源又稱為后備式不間斷電源，逆變器和蓄電池組成的不間斷電源支路和市電所組成的支路為并聯(lián)關(guān)系，同一時間只能有一條支路給負載供電。市電正常工作時，逆變器和電池電路僅作為備用電源，其原理框圖如圖2.1所示圖2.1后備式UPS的原理框圖后備式UPS的工作原理：市電為正常供電狀態(tài)時，市電經(jīng)變壓器向后續(xù)負載提供改良電壓，蓄電池和逆變電路不工作，同時蓄電池經(jīng)市電進行充電；市電為斷電狀態(tài)時，由蓄電池經(jīng)逆變電路向后續(xù)負載提供穩(wěn)定的220v電壓。2.2.2在線式UPS在線式不管市電是否能正常工作，負載兩端的電壓都是經(jīng)過逆變器逆變輸出的電壓，即逆變器在市電供電和蓄電池供電中都處于工作狀態(tài)，采用這種工作模式可以減小由于市電波動給負載帶來的損害，其原理框圖如圖2.2所示。圖2.2在線式UPS的原理框圖在線式UPS的工作原理：當市電能正常給負載供電時，市電一方面經(jīng)整流電路、逆變電路將穩(wěn)定后的電壓輸送給負載，另一方面經(jīng)充電電路給蓄電池充電；市電為斷電狀態(tài)時，由蓄電池通過逆變電路向后續(xù)負載提供穩(wěn)定的220V電壓。2.2.3在線互動式UPS在線互動式就是調(diào)整了在線式的電路結(jié)構(gòu)，增加了穩(wěn)壓器，同時是逆變器的工作量加大，由逆變器承當蓄電池的充電電路，其原理框圖如圖2.3所示。圖2.3在線互動式UPS的原理框圖在線互動式UPS的工作原理是：市電處于正常工作狀態(tài)時，市電經(jīng)穩(wěn)壓器給后續(xù)負載供電，同時逆變電路給蓄電池充電。市電處于斷電狀態(tài)時，蓄電池經(jīng)逆變電路向后續(xù)負載供電[4]。上面所講述的三類不間斷電源由于結(jié)構(gòu)和原理的不同，其性能也略有不同：就其輸出電壓質(zhì)量來說，在線式無論市電是否處于正常狀態(tài)，都需要經(jīng)過逆變電路，因而在市電正常供電時輸出的電壓質(zhì)量比另外兩種不間斷電源的輸出電壓質(zhì)量都要好；就高效性而言，在線式由于存在兩級變換電路，變換電路消耗的能量大幅增加，因此系統(tǒng)效率較另外兩類UPS電源低；就功率因數(shù)來說，在線式由于整流電路的原因，系統(tǒng)中增加了電容元器件，使功率因數(shù)降低，對電網(wǎng)的干擾變大；就性價比來說，后備式UPS簡單可靠、價格便宜。第3章UPS電源中的常用電路3.1整流濾波電路 整流濾波電路在不間斷電源中扮演了至關(guān)重要的角色，其中整流電路是利用半導體的特性使交流電變?yōu)橹绷麟?；濾波電路是利用電容的特性使輸出的電壓波形變得更為平滑。整流電路的分類方法有很多，其中按電路的元器件的特性可分成三類：全控式、半控式、不可控式；按電路的結(jié)構(gòu)框架可分為橋式和零式；按元器件的控制方式又可分為相位控制和斬波控制。3.1.1單相半波可控整流電路圖3.1所示為單相半波可控整流電路，其中變壓器T有兩個作用：一是變換電壓，二是對負載起隔離保護。圖中變壓器一次側(cè)的電壓瞬時值用u1表示，由電壓表Vm2測量，二次側(cè)的電壓瞬時值用u2，由電壓表Vm1測量，一次側(cè)的電壓有效值用U1表示，二次側(cè)的電壓有效值用U2表示，ud是直流輸出電壓，UU其中，α為晶體管的觸發(fā)延遲角；當α為零時，直流輸出電壓的平均值達到最大，Ud圖3.1單相半波可控整流電路圖3.2單相半波可控整流電路的工作波形圖在脈沖信號為高電平時，晶體管IGBT1處于導通狀態(tài)，電路導通，負載電阻兩端的電壓就是變壓器T輸出側(cè)的端電壓，即u2=ud；在脈沖信號為低電平時，晶體管IGBT1處于斷路狀態(tài)，電路中沒有電流，負載電阻兩端沒有電壓，變壓器T輸出側(cè)的端電壓全部施加在IGBT1兩端。由于其輸出電壓波形只在圖3.3所示為單相半波可控整流濾波電路，在單相半波可控整流電路的基礎(chǔ)上加上電容后可以輸出的電壓波形變得更加平穩(wěn)；圖3.4所示為單相半波可控整流濾波電路的工作波形圖。圖3.3單相半波可控整流濾波電路圖3.4單相半波可控整流濾波電路的工作波形圖3.1.2單相橋式全控整流電路圖3.5所示為單相橋式全控整流電路，圖3.6所示為單相橋式全控整流電路的工作波形圖。圖3.5單相橋式全控整流電路圖3.6單相橋式全控整流電路的工作波形圖在此電路中，Vm1測量的是變壓器一次側(cè)兩端的電壓，即u1的值；Vm2測量的是負載兩端的電壓，V在圖3-1-5中，晶體管IGBT1和IGBT4構(gòu)成一組橋臂，由脈沖信號作為這組晶體管橋臂的控制信號；晶體管IGBT2和IGBT3構(gòu)成另一組橋臂，對脈沖信號進行取反操作，所得到的信號作為這組晶體管橋臂的控制信號。當晶體管IGBT1和IGBT4導通時，電流從變壓器二次側(cè)a端經(jīng)晶體管IGBT1、負載電阻R、晶體管IGBT4流回變壓器二次側(cè)b端，輸出電壓ud=u2；當晶體管IGBT2和IGBT3導通時，電流從變壓器二次側(cè)b端經(jīng)晶體管IGBT3、負載電阻R、晶體管IGBT2流回變壓器二次側(cè)a端，輸出電壓udU其中，α為晶體管的觸發(fā)延遲角；當α為零時，直流輸出電壓的平均值達到最大，Ud圖3.7所示為單相橋式全控整流濾波電路，在單相橋式全控整流電路的基礎(chǔ)上加上電容C1后可以輸出的電壓波形變得更加平穩(wěn)；圖3.8所示為單相橋式全控整流濾波電路的工作波形圖。圖3.7單相橋式全控整流濾波電路圖3.8單相橋式全控整流濾波電路的工作波形圖3.1.3電容濾波的單相二極管整流電路生產(chǎn)商在設(shè)計不間斷電源時，大多采用二極管整流電路通過電容濾波后給負載和逆變器提供波動較小的直流電，有利于增加負載和逆變器的使用壽命。因此，本文將著重介紹帶有電容濾波的單相二極管整流電路，以便后續(xù)的設(shè)計。以下就是對帶有電容濾波的單相二極管整流電路的工作原理進行仿真分析和總結(jié)。圖3.9所示為電容濾波的單相二極管整流電路，圖3.10所示為電容濾波的單相二極管整流電路的工作波形圖。圖3.9電容濾波的單相二極管整流電路圖3.10電容濾波的單相二極管整流電路的工作波形圖電容濾波的單相二極管整流電路的基本工作過程為：當u1為正弦波的上半周時，經(jīng)變壓器T得到u2，當u2大于ud時，二極管VD1和VD4導通，電源V_ac給電容充電的同時也給負載電阻供電，當u2小于ud時，二極管VD1和VD4截止，電容給負載電阻提供所需電能，使負載兩端的電壓波動變小，此時電容起到續(xù)流的作用；當u1為正弦波的下半周且?u2大于ud時，二極管VDR1電阻的作用為防止短路。當電路剛接通時，由于電容中所存儲的電能為零，此時電容直接接在交流電路中相當于是導線，而二極導通時的阻值可以忽略不計，故電容相當于直接接在變壓器二次側(cè)兩端，會使變壓器二次側(cè)發(fā)生短路，故在變壓器二次側(cè)和電容間接入電阻R1可以防止短路。電容的充放電公式為：U式中：Uc為電容某一時刻的電壓瞬時值；U0為電容初始時刻的電壓值；Us為換路后電路的等效電源； τ為電容的時間常數(shù)，τ=RC，本次設(shè)計為了便于計算，認為經(jīng)過5τ的時間電容的過度過程結(jié)束。 t為電容的充放電時間；3.2逆變電路3.2.1逆變的概念逆變電路作為不間斷電源中最為重要的環(huán)節(jié)，有相當高的研究價值，下面先介紹逆變的概念。逆變就是把恒流電變換成交流電的過程，因為與整流操作完全相反，是整流操作的逆向操作，故此稱之為逆變。3.2.2逆變電路的分類逆變的分類方法有很多，按逆變電路的輸出端是否并入電網(wǎng)可以分為有源逆變電路和無源逆變電路，不間斷電源就屬于無源逆變；按直流電源的性質(zhì)可以分為電壓型逆變和電流型逆變，在實際的不間斷電源設(shè)計中常常選用電壓型；按輸出的交流波形可以將逆變分成正弦波逆變和方波逆變，不間斷電源中用到的逆變就屬于正弦波逆變，在多數(shù)小功率的逆變場合，對出處波形的質(zhì)量要求比較低，故適合使用方波逆變。3.2.3逆變電路的基本工作原理圖3.11所示為逆變電路，通過該圖來介紹逆變電路的基本工作原理。圖中IGBT1和IGBT4構(gòu)成一組橋臂，IGBT2和IGBT3構(gòu)成另一組橋臂。通過脈沖信號控制IGBT的通斷，通過示波器記錄脈沖信號的波形變化和負載電阻兩端的電壓波形變化。當晶體管IGBT1和晶體管IGBT4處于導通狀態(tài)，晶體管IGBT2和晶體管IGBT3處于截止狀態(tài)時，負載電阻兩端的電壓為正；當晶體管IGBT2和晶體管IGBT3處于導通狀態(tài)，晶體管IGBT1和晶體管IGBT4處于截止狀態(tài)時，負載電阻兩端的電壓為負。讓這兩組橋臂交替導通就完成了直流電到交流電的逆變，調(diào)整這兩組橋臂的交替導通頻率就可以改變輸出交流電的頻率。圖3.12所示為逆變電路的工作波形圖。圖3.11逆變電路圖3.12逆變電路的工作波形圖3.2.4單相半橋式逆變電路圖3.13所示為單相半橋式逆變電路，它由限流電阻R2、負載電阻R1、電容、晶體管和續(xù)流二極管組成，其中晶體管IGBT1和反并聯(lián)二極管D2組成一組橋臂，晶體管IGBT2和反并聯(lián)二極管D1組成另一組橋臂。電路正常工作時，晶體管IGBT1和IGBT2在一個脈沖周期內(nèi)交替導通,即在任意時刻IGBT1和IGBT2只能有一個導通，可以使負載電阻兩端的電壓波形成為矩形波，其工作波形如圖3.14所示。圖3-2-3中所示電路使用的元器件少，同時電路結(jié)構(gòu)也簡單，但輸出的電壓的幅值只有直流電壓的一半。圖3.13單相半橋式逆變電路圖3.14單相半橋式逆變電路的工作波形圖3.2.5單相全橋式逆變電路圖3.15所示為單相全橋式逆變電路，其由四個晶體管IGBT、四個二極管D、一個穩(wěn)壓電容、一個電阻負載、一個限流電阻、兩個電壓表、兩個脈沖發(fā)生器、一個非邏輯器件和一個示波器組成。晶體管IGBT1和晶體管IGBT4構(gòu)成一組橋臂，晶體管IGBT2和晶體管IGBT3構(gòu)成另一組橋臂，一個組的兩個晶體管IGBT同時導通，兩組晶體管IGBT輪流導通，每組導通180°其輸出電壓波形如圖3.16所示[5]。圖3.15單相全橋式逆變電路圖3.16單相全橋式逆變電路的工作波形圖3.3蓄電池充電電路LM317是一款應(yīng)用比較普遍的可調(diào)穩(wěn)壓電源芯片，它的三個端腳分別為電壓輸入端、電壓輸出端和電壓調(diào)節(jié)端。其中，電壓輸入端和電壓輸出端都需要接濾波電容來穩(wěn)定電壓，電壓調(diào)節(jié)端和電壓輸出端之間需要接一個200歐左右的電阻，電壓調(diào)節(jié)端和地之間需要接入一個幾千歐的可變電阻。LM317的優(yōu)點有輸出電壓的可調(diào)性強、噪聲低和電壓的穩(wěn)壓性能好。其內(nèi)部原理如下圖3.17所示。圖3.17LM317內(nèi)部原理圖LM317芯片的輸出電壓可以在1.25V~37V之間連續(xù)調(diào)節(jié)。LM317正常工作時要求輸入端的電壓和輸出端的電壓壓差不低于3V，兩端壓差低于3V時該芯片將失去穩(wěn)壓作用，因此LM317正常使用時要保證輸入端電壓的最低值要比輸出端電壓的最高值高3V。本次設(shè)計的蓄電池充電電路如下圖3.18所示。圖3.18蓄電池充電電路LM317的輸出電壓Vout由電阻R1和可變電阻R2的比值決定，其中Vout=1.25?（1+R2/R1），當R1為240歐時，R2的阻值為5520歐，故此選擇10千歐的滑動變阻器。LM317芯片的電壓輸出端和電壓調(diào)節(jié)端之間為固定電壓，其值為1.25V。在電路元器件已經(jīng)確定的情況下，電阻R1就是定值，因此流經(jīng)R1的電流就是定值，又因R1和R2是串聯(lián)，因此通過改變滑動變阻器R2的阻值就可以改變輸出端的輸出電壓V圖3.18中的二極管D5和D6是續(xù)流二極管，對LM317芯片起保護作用。在芯片輸出端發(fā)生短路故障時，電容C3上電能將通過二極管D6釋放，從而使芯片內(nèi)部三極管的發(fā)射結(jié)不因過電流而擊穿。在LM317芯片正常工作時，不允許輸出引腳的電壓高于輸入引腳的電壓，否則容易燒壞芯片內(nèi)的三極管。在使用LM317設(shè)計蓄電池充電電路時，由于誤操作可能使輸出端電壓高于輸入端電壓，這時二極管D5會使電壓差鉗位在0.7V左右，從而對LM317起到保護作用。電路中的電容C1、C2為濾波電容，C3、C4為穩(wěn)壓電容。電解電容的電容量很大但高頻濾波性能很差；瓷片電容的電容量很小但穩(wěn)定性很好、損耗低。由于上述兩類電容的優(yōu)缺點，因此選擇讓兩類電容的并聯(lián)電路做整流后的濾波電路，這樣既可以消除高頻干擾又可以得到穩(wěn)定的電壓輸出。圖3.18中所示的蓄電池充電電路為浮充方式，即對蓄電池進行恒壓充電。本次設(shè)計采用的蓄電池的額定電壓為24V，浮充電路的輸出電壓Vout=24V*1.25=27V,當蓄電池電量還剩20%時，充電所耗時間為十小時[6]。3.4升壓斬波電路一般而言，蓄電池的電壓只有24V，直接逆變后不能供給負載使用，只有先將蓄電池的電壓升至220v后再進行逆變處理才能供給負載使用。因此，本節(jié)將介紹升壓斬波電路，其電路如圖圖3.19所示，其輸出波形如圖圖3.20所示。圖3.19所示電路的工作原理為：當電感和電容分別為理想電感和理想電容時，可認為電路的儲能很大，能為負載連續(xù)提供能量。當晶體管IGBT1導通時，蓄電池、電感和晶體管構(gòu)成回路，蓄電池給電感L1充能（將蓄電池的化學能轉(zhuǎn)化為電感的磁場能），充電電流i1基本保持恒定；同時電容和負載電阻構(gòu)成回路，電容向負載電阻提供電能，且由于電容的儲能足夠大，因此輸出電壓基本保持穩(wěn)定。當晶體管IGBT1處于截止狀態(tài)時，蓄電池和電感同時為電容充電并向負載電阻供電。輸出電壓和蓄電池電壓的關(guān)系如下式所示：U其中，tontoffT為晶體管IGBT1的導通時間和斷態(tài)時間之和；圖3.19升壓斬波電路圖3.20升壓斬波電路輸出波形第4章脈寬調(diào)制技術(shù)現(xiàn)如今廣泛應(yīng)用的多種逆變電路以及測量、通信中，絕大多數(shù)都十分依賴脈寬調(diào)制技術(shù)，即人們常說的PWM控制技術(shù)。前面章節(jié)中介紹到了逆變電路，而本章將會著重介紹PWM控制技術(shù)。脈寬調(diào)制技術(shù)就是通過數(shù)字處理器來調(diào)控輸出脈沖的寬度進而達到期望波形的技術(shù)。4.1脈寬調(diào)制控制的基本原理4.1.1面積等效原理經(jīng)典控制理論中的面積等效原理簡要說明即是在低頻段時形狀不同但面積相等的窄脈沖信號加載到具有慣性的電氣環(huán)節(jié)上時，其慣性環(huán)節(jié)在示波器上顯示的輸出響應(yīng)波形基本上是相同的。由高等數(shù)學中的傅里葉變換可知，慣性環(huán)節(jié)在示波器上顯示的輸出響應(yīng)波形僅僅是在波形頻率較高的階段有差異，在波形頻率較低的階段其輸出波形是相當接近的。上述所說的慣性環(huán)節(jié)是指當輸入信號發(fā)生突變時，其輸出波形不能發(fā)生突變，只能按指數(shù)的變化規(guī)律而逐漸變化的環(huán)節(jié)。上述原理是脈寬調(diào)制技術(shù)的重中之重。4.1.2用PWM波代替正弦波根據(jù)經(jīng)典控制理論中所涉及到的面積等效原理可知，當被控制的環(huán)節(jié)為慣性環(huán)節(jié)時，可以用諸多相同脈沖幅值相等但脈沖寬度不相等的脈沖來等效出一個正弦波，而慣性環(huán)節(jié)在示波器上顯示的輸出響應(yīng)波形只在很小的范圍內(nèi)發(fā)生變化。將任意半個周期的正弦波波形設(shè)想成是由N個相互聯(lián)貫的脈沖寬度為πN，但脈沖絕對值的大小是按正弦波的規(guī)律變化的一系列組合脈沖組成的波形。根據(jù)經(jīng)典控制理論中所涉及到面積等效原理把上述正弦式的一系列組合脈沖利用等量的脈沖絕對值相等而脈沖寬度不相等的矩形波脈沖代替，使矩形波脈沖和相對應(yīng)的正弦波脈沖的面積相等且中點重合，上述中的一系列矩形組合脈沖就是PWM波形。SPWM波形是PWM波形的升級版，是一系列矩形組合脈沖的寬度按正弦波規(guī)律變化且矩形波脈沖在一小段的時間間隔內(nèi)所包含的能量和正弦波在相對應(yīng)的時間間隔內(nèi)所包含的能量是相等的PWM波形。4.2PWM逆變電路的控制方法4.2.1PWM的控制方法生成PWM波形的電路所采用的控制方法有兩種。第一種控制方法是計算法：計算法相當于是一個倒推的過程，是通過最后需要的正弦波頻率、幅值、和一個周期內(nèi)一系列矩形組合脈沖的個數(shù)來推算出PWM波的各脈沖寬度和時間間隔。當所需的正弦波發(fā)生改變時，其PWM波也需要改變，因此用計算法來求解PWM波是很繁瑣的。第二種控制方法是調(diào)制法：調(diào)制法是把想要得到的正弦波信號作為調(diào)制信號并且把參與調(diào)制的三角波信號作為載波，通過調(diào)制三角波信號的輸出周期和輸出幅值來得到所想要的PWM波形的方法。調(diào)制法根據(jù)三角波信號的極性在信號波正半個周期或負半個周期的變化情況可分為單極性和雙極性，其中，單極性的控制方式是在同一時間段內(nèi)載波信號的極性和信號波的極性是相同的，所輸出的PWM波形也和信號波的極性相同，其控制方式波形如圖4.1所示；雙極性的控制方式是在信號波的一個極性中載波信號有兩種極性，既有正又有負。同理，所輸出的PWM波形也是有正負兩種極性的控制方式，其控制方式波形如圖4.2所示[7]。 圖4.1單極性PWM控制方式波形 圖4.2雙極性PWM控制方式波形4.2.2單相橋式PWM直接變交流電路圖4.3中所示的直流變交流電路的電路結(jié)構(gòu)為單相橋式，其控制器件是晶體管IGBT，控制波形為PWM波。電路正常工作時，V1管和V2管交替導通，其導通和截止狀態(tài)互補，V3管和V4管也是輪流導通。電路的輸出電壓為正半周期時，V1管是處于導通狀態(tài)，V2管處于截止狀態(tài)，V3管和V4管是交替導通；電路的輸出電壓為負半周期時，圖4.3單相橋式PWM直流變交流電路第5章系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計5.1系統(tǒng)概述隨著人們對數(shù)字控制領(lǐng)域的逐步探索，UPS電源的控制方式由起初的模擬量控制逐漸步入了數(shù)字量控制時代。本次的UPS電源設(shè)計是基于單片機，其控制方式是屬于數(shù)字控制，其特點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、穩(wěn)定性強和功耗低。5.1.1UPS電源系統(tǒng)框圖本次基于AT89C51單片機設(shè)計的UPS電源的總體框圖如下圖5.1所示。51單片機的輸出功率有限，無法直接控制繼電器等器件，故需要驅(qū)動電路來增加輸出功率。單片機所需的工作電壓有蓄電池經(jīng)降壓處理后供給。圖5.1基于AT89C51單片機的UPS電源系統(tǒng)框圖5.1.2市電采樣電路在UPS電源的設(shè)計中，控制器必須時刻關(guān)注電網(wǎng)電壓相位的變化情況。想要實現(xiàn)市電和備用電源的正常切換，就必須了解換路時電網(wǎng)電壓的相位情況，就必須保持UPS電源中逆變電路輸出交流電的相位與電網(wǎng)中交流電的相位相同。因此，為了保證逆變電和市電的同相位，本次設(shè)計通過采樣點路來確定市電的零相位點。市電采樣電路系統(tǒng)框圖如下圖5.2所示。圖5.2市電采樣電路系統(tǒng)框圖220v市電(波形如圖5.3（a）所示)經(jīng)降壓電路降至5v后，由穩(wěn)壓電路使市電的正弦波波峰被削平，穩(wěn)壓后的波形如圖5.3（b）所示，記作采樣信號V2。將V2信號與整流濾波后的平均值信號進行比較，然后通過反相器（74LS04）取反產(chǎn)生負極性窄脈沖V3（如圖5.3（c）所示）。負極性窄脈沖正好在電網(wǎng)正半周期的初始點出現(xiàn)，因此可以將采樣電路產(chǎn)生的負極性窄脈沖輸入到單片機的一個輸入輸出端口上作為市電零相位點信號。圖5.3市電采樣波形圖5.1.3電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本系統(tǒng)采用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC0808，將電池電壓通過電位器分壓電路后通過該模塊將信息傳給單片機;電流同樣使用電位器分壓電路得到，之后將該電流與電流傳感器ACS712相連，ACS712輸出一個與相應(yīng)大小的電壓,具體關(guān)系式為：I=（V-2500）*5。電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如下圖5.4所示[8]。圖5.4電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖5.1.4電源切換電路市電經(jīng)過降壓處理后，接到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC0808的模擬量輸入通道，將該模塊產(chǎn)生的數(shù)字信號輸入到51單片機的一個I/O口，51單片機通過該I/O口來判斷市電是否正常。當該I/O口為高電平時，表示市電供電正常；當該I/O口為低電平時，表示市電為斷電狀態(tài)。通過程序控制繼電器動作，完成負載的電源切換。電源切換電路系統(tǒng)框圖如下圖5.5所示。圖5.5電源切換電路系統(tǒng)框圖5.2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計硬件電路是通過Proteus8Professional和PLECS兩種軟件來設(shè)計的，這兩種軟件都有仿真功能。其中PLECS軟件更多的是用于介紹UPS電源中常用的電路，并仿真出輸入輸出波形圖。Proteus8Professional是用來實現(xiàn)本次設(shè)計的整體電路，包括降壓穩(wěn)壓電路、方波和PWM波發(fā)生電路、直流變交流電路、市電-蓄電池切換電路等[5]。5.2.1PWM的硬件實現(xiàn)PWM是逆變電路的核心，因此對PWM波形發(fā)生電路的設(shè)計至關(guān)重要。51單片機要想正常使用，就必須先搭建使其正常工作的基本應(yīng)用電路。單片機的最基本應(yīng)用電路包括三種電路，分別是電源電路、時鐘電路和復(fù)位電路。單片機電路的實質(zhì)是同步時序電路，因此，單片機只有在同一時鐘信號下才能保證同步工作方式的實現(xiàn)。AT89C51單片機的XTAL1引腳和XTAL2引腳內(nèi)部有一個放大倍數(shù)很大的反相放大器，因此，只要在這兩個引腳間接入一個很小的信號就可以形成自激震蕩，本次設(shè)計跨接了一個晶體振蕩器和兩個微調(diào)電容構(gòu)成了一個頻率很高的自激振蕩器。如圖5.6中C1、C2和X1構(gòu)成的電路就是單片機的時鐘電路。復(fù)位電路能使單片機中的CPU和其他元器件恢復(fù)到初始的默認狀態(tài)，根據(jù)復(fù)位電路的工作方式可分為上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種，圖5-2-1中所示的復(fù)位電路為上電復(fù)位電路。要想使單片機正常執(zhí)行完復(fù)位動作，就必須在復(fù)位引腳RST即第九引腳上持續(xù)施加24個震蕩周期以上的高電平。上電復(fù)位的機制是利用電容充電來實現(xiàn)單片機復(fù)位的，其工作原理為：電容在充電的瞬間相當于導線，此時，RST端相當于直接與電源端銜接，電容充電周期遠大于24個震蕩周期，24個震蕩周期過后單片機完成復(fù)位操作。按鍵復(fù)位是通過按下控制按鈕，使復(fù)位電路的導通，RST端接入高電平，由于按下按鍵的時間遠大于毫秒級時間，故單片機能完成復(fù)位工作。圖5-2-1中示波器所顯示的就是占空比為百分之五十的PWM波，該波形是通過軟件程序生成的，圖中兩個按鈕可以控制PWM波形的占空比。圖5.6PWM硬件發(fā)生電路5.2.2市電采樣電路市電是模擬量，而單片機所處理的信號只能為數(shù)字量，因此單片機不能直接對市電信號進行采樣處理，需要借助模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，即ADC模塊。ADC模塊處理的步驟一般是先選通道，然后啟動AD轉(zhuǎn)換，接下來就是等待AD轉(zhuǎn)換完成，最后是讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。本文采用的ADC模塊為ADC0808，下圖5.7為ADC0808芯片的接口圖。圖5.7ADC0808芯片的接口圖該芯片的主要引腳及功能介紹如下：IN0~IN7為該芯片的模擬量輸入通道，連接市電和電池等采樣點。OUT1~OUT8為該芯片的數(shù)字量輸出通道，與單片機連接。VREF(+)為該芯片的參考電壓正端，接入+5V電壓，VREF(-)為該芯片的參考電壓負端，接入地。START為第6引腳，該引腳為模擬量向數(shù)字量轉(zhuǎn)換的啟動信號端，高電平有效。ALE引腳為地址鎖存允許信號端。EOC引腳為模擬量向數(shù)字量轉(zhuǎn)換結(jié)束信號端，該引腳在模擬量向數(shù)字量轉(zhuǎn)換前輸出低電平，在模擬量向數(shù)字量轉(zhuǎn)換結(jié)束后輸出高電平。OE引腳為模擬量向數(shù)字量轉(zhuǎn)換完成后，數(shù)字量輸出端口允許數(shù)字量輸出的控制信號端，高電平有效。CLOCK引腳為時鐘信號端。ADDA和ADDB、ADDC三個引腳為地址選擇端，單片機控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器的過程如圖5.8為ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換時序圖5.8ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換時序 模擬量輸入通道選擇表如下表5-1所示：表5-1ADC0808模擬量輸入通道選擇表模擬量輸入通道地址選擇通道CBAIN0LLLIN1LLHIN2LHLIN3LHHIN4HLLIN5HLHIN6HHLIN7HHH圖5.9中所示電路用滑動變阻器來代替經(jīng)降壓處理后的市電，通過改變滑動變阻器的阻值來模擬市電變化。ADC0808采用線選的方式來選擇當下的模擬量輸入通道，其時鐘由51單片機的計時器產(chǎn)生。51單片機的P1口用作ADC0808芯片的信號控制，P3口用作數(shù)字量數(shù)據(jù)的輸入。圖5.9市電采樣電路5.2.3電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電池數(shù)據(jù)采集同樣是使用ADC0808芯片，51單片機通過選擇模擬量輸入通道來實現(xiàn)電池數(shù)據(jù)的采集。在市電采樣電路的基礎(chǔ)上接入電池電壓和電流信號就構(gòu)成了三路模擬信號的AD轉(zhuǎn)換。圖5.10中蓄電池經(jīng)分壓處理后，輸出5V電壓連接到ADC0808芯片的模擬量輸入通道IN0口。ACS712是一個將電流量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)大小的電壓量的芯片，蓄電池經(jīng)過分壓電路后，連接ACS712芯片的IP+接口，這樣就可以測量到蓄電池的電流數(shù)據(jù)。圖5.10電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5.2.4電源切換電路電源切換電路是依靠電磁繼電器來完成電路的切換的。由于單片機的輸出口輸出功率很小，無法提供繼電器動作所需的最小功率，因此需要接入驅(qū)動放大電路。一般可用三極管或晶體管做放大原件來構(gòu)建驅(qū)動放大電路，單片機的I/O口可作為三極管或晶體管的控制信號，從而間接控制繼電器。圖5.11所示電路是晶體管為控制其器的驅(qū)動放大電路。圖5.11電源切換電路5.3系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計采用KeiluVision4，通過該軟件編寫程序，然后生成.hex文件，加載到Proteus8Professional中，實現(xiàn)電路的仿真和程序的驗證。本次設(shè)計的軟件部分可分為三大模塊：方波和pwm波的生成、電壓測量和電源切換控制。5.3.1PWM的軟件實現(xiàn)本次程序設(shè)計用到了中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序是沒有返回值的函數(shù)且沒有參數(shù)，中斷服務(wù)程序的函數(shù)名后面必須跟關(guān)鍵字interrupt。本次設(shè)計借助80C51的定時/計數(shù)器來產(chǎn)生PWM信號，其軟件實現(xiàn)如下程序所示：#include"reg52.h" typedefunsignedintu16; typedefunsignedcharu8;sbitk1=P1^3; //P1.3口接加按鍵 sbitk2=P1^2; //P1.2口接減按鍵sbitgn=P1^7; //接地即可sbitPWM_out=P2^2; //P2.2口輸出PWM信號u8D=50,D1=50; //占空比為50%u16THHL=65536-1000/100*50;//每隔0.5ms溢出u8f=0;voiddelay(u16i){ while(i--); }voidkeys(){ if(k1==0|k2==0) //檢測按鍵是否按下 { if(k1==0) { if(D<80)D+=5; //占空比上限80% } elseif(k2==0) { if(D>20)D-=5;//占空比下限20% } while(!k1|!k2); //松開按鍵 delay(1000); //消除抖動， } }voidmain(){ TMOD=0x01; //通過設(shè)置TMOD中的控制位來設(shè)置定時器工作方式為方式一TH0=THHL/256; //設(shè)置高四位定時初始值TL0=THHL%256; //設(shè)置低四位定時初始值EA=1; //開總中斷ET0=1; //T0開時定時器溢出TR0=1; //開啟定時器 gn=0; PWM_out=1; while(1) { keys(); //按鍵處理函數(shù) } }voidtime_intt1(void)interrupt1//中斷服務(wù)函數(shù)名后跟關(guān)鍵字interrupt{ if(f) {D1=D;f=0;} else {D1=100-D;f=1;} THHL=65536-1000/100*D1; TH0=THHL/256;TL0=THHL%256; PWM_out=!PWM_out;}[9]5.3.2電壓測量的軟件實現(xiàn)ADC常用的三種軟件控制方式有程序查詢方式、延時等待方式和中斷方式。本次設(shè)計采用了程序查詢方式來讀取ADC0808芯片數(shù)字輸出端口的信號。程序查詢方式的一般步驟為：先由單片機向ADC芯片的START引腳發(fā)出轉(zhuǎn)換啟動信號，然后讀取EOC引腳的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，查詢轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，若轉(zhuǎn)換結(jié)束則讀取輸出引腳的數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)查詢，直至成功讀取數(shù)據(jù)。其軟件實現(xiàn)如下程序所示：#include<reg51.h>#defineAD_DATAP3voidTimer0Init(void);//定時計數(shù)器0的聲明voidTimer1Init(void);//定時計數(shù)器1的聲明unsignedcharADC_Conv();//AD轉(zhuǎn)換函數(shù)聲明sbitADDR_A=P1^0;sbitADDR_B=P1^1;sbitADDR_C=P1^2;sbitCLK=P1^3;sbitST=P1^4;sbitEOC=P1^5;sbitOE=P1^6;unsignedcharad_result=123;/*八位ADC采集的結(jié)果范圍為0~255，十六進制為00H~FFH*/voidmain(){Timer1Init();EA=1;//中斷總開關(guān)while(1){ad_result=ADC_Conv();}}voidTimer1Init(void)//1毫秒@12.000MHZ{TMOD&=0x0F;TMOD|=0x20;TL1=0xFF;TH1=0xFF;TF1=0;//清除TF1標志ET1=1; //定時器1的中斷開關(guān)TR1=1; //定時器1開始計時}voidtimer1_ISR(void)interrupt3{CLK=!CLK;}unsignedcharADC_Conv()//AD轉(zhuǎn)換函數(shù){OE=0;ST=0;//選通道ADDR_A=1;ADDR_B=1;ADDR_C=0;ST=1; //鎖存通道地址通道3模擬量輸入ST=0; //啟動A/D轉(zhuǎn)換while(EOC==0);/*查詢ADC0808模塊的EOC端口是否為高電平，高電平代表轉(zhuǎn)換結(jié)束，程序繼續(xù)向下執(zhí)行，低電平代表正在轉(zhuǎn)換，繼續(xù)循環(huán)檢測該引腳信號*/OE=1; //OE輸出始能打開內(nèi)部三態(tài)門電路ad_result=AD_DATA;//單片機讀取結(jié)果OE=0;returnad_result;}5.3.3電源切換控制的軟件實現(xiàn)單片機控制的電源切換軟件實現(xiàn)如下程序所示，改程序僅為對應(yīng)的繼電器部分程序，其中ad_result為上一小節(jié)市電的采樣結(jié)果。#include<reg51.h>sbitRELAY1=P2^0;//定義控制繼電器的端口voidmain(){RELAY1=0;while(ad_result==0)//判斷市電電壓是否為零，若為零則繼電器動作，完成電源切換。{RELAY1=1;}}5.3.4蓄電池的充電流程額定電壓為24V的蓄電池當電壓下降到21.6V時就處于欠壓狀態(tài)，按照轉(zhuǎn)換比例可知，當51單片機檢測到的信號為4.5V時，蓄電池就處于欠壓狀態(tài)了。圖5.12所示為蓄電池的充電流程。首先通過電位器分壓電路，將0~24V電壓降為0~5V電壓，然后通過ADC0808芯片將模擬量的電壓信號通過模擬量數(shù)字量轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電壓信號傳遞給51單片機。CPU檢測當前ADC傳出的數(shù)字信號，將數(shù)字信號進行運算后與4.5V進行比較，若低于4.5V就停止逆變輸出，并發(fā)出警報提示充電。但CPU檢測到蓄電池開始充電后進行計時，接著判斷充電時間是否滿足，若不滿足則繼續(xù)充電，若已經(jīng)滿足則檢測當前蓄電池電壓，并準備開始逆變。圖5.12蓄電池充電流程圖第6章系統(tǒng)測試及結(jié)果分析經(jīng)過前面章節(jié)的研究及設(shè)計，將所有電路模塊連接到一起，UPS電源系統(tǒng)就成型了。本次仿真設(shè)計達到了預(yù)期目的，成功仿真出了整流濾波電路、蓄電池充電電路、信號采樣電路、直流變交流電路、升壓斬波電路和市電-蓄電池切換電路，實現(xiàn)了當市電停電時，UPS電源自動進行電源切換，將蓄電池的電壓逆變升壓處理成交流電供給負載，保證了負載的連續(xù)正常工作。下圖6.1所示為單片機控制電路,包括了市電采樣電路、市電起點負窄脈沖電路、電池數(shù)據(jù)采集電路和市電-蓄電池切換電路。圖6.2所示電路包含了降壓穩(wěn)壓電路、蓄電池充電控制電路、直流變交流電路和升壓斬波電路。兩圖中直流電源V2、V4和V5代表了蓄電池，V1和V3代表了市電，由于仿真圖紙的限制，故將兩電路分開處理。51單片機通過對市電的信號采集來控制繼電器RL1的動作，達到市電與蓄電池切換的效果；通過對電池數(shù)據(jù)的采集來控制繼電器RL2的動作，來控制蓄電池的充電和斷電。圖6.1單片機控制電路圖6.2蓄電池充電逆變升壓電路第7章工作總結(jié)