【《基于AT89C51单片机的UPS电源软件仿真模拟探究》17000字】

基于AT89C51单片机的UPS电源软件仿真模拟研究摘要UPS电源即为不间断供电电源，是一种以逆变电路为主，变压、整流、滤波等电路为辅的含有储能装置的电源设备，主要用于给医疗、航空和芯片制造等行业的高精尖设备或银行、通信和计算机等产业的服务器系统提供不间断的优质电源。现今，UPS技术已经在诸多领域得到了广泛的应用，并且随着数字控制技术和电子元器件的飞速发展，新型号的UPS电源更加智能、环保，同时，集成度和交互感进一步提升。本次设计是基于AT89C51单片机对不间断电源进行软件仿真模拟，本次仿真的不间断电源属于在线式。本文先对AT89C51单片机的结构和工作电路做了简要概述；然后对UPS电源的概念、发展前景以及分类进行了简要概述；紧接着详细研究了UPS电源的基本组成电路：整流滤波电路（交流变直流电路）、蓄电池充电电路（降压稳压电路）、逆变电路（直流变交流电路）及升压斩波电路；然后又深入介绍了脉宽调制技术和单相桥式PWM逆变电路；最后进行了系统的软硬件设计：市电及蓄电池的数据采集和继电器的驱动电路等的硬件和软件设计。本次仿真达到了预期目的，完成了电源的自动切换任务。最后对本次设计做了总结，阐述了完成的任务，指出了本次设计没有实现的功能和未来的改进方向。关键字：不间断电源；AT89C51单片机；逆变电路；脉宽调制技术；采样电路目录摘要 IABSTRACT II前言 1第1章绪论 21.1UPS电源产生的背景及发展趋势 21.2AT89C51单片机介绍 21.3本课题主要研究的内容 5第2章UPS电源的基础知识 52.1UPS电源的功能 62.2UPS电源的分类 6第3章UPS电源中常用的电路 83.1整流滤波电路 83.2逆变电路 143.3蓄电池充电电路 173.4升压斩波电路 19第4章脉宽调制技术 204.1脉宽调制控制的基本原理 204.2PWM逆变电路的控制方法 21第5章系统的软硬件设计 225.1系统概述 235.2系统硬件电路设计 255.3系统软件设计 29第6章系统测试及结果分析 33第7章工作总结 347.1全文总结 347.2未来展望 35前言电源作为一切电器设备的能量之源，在设备的运作中起着至关重要的作用。而随着社会的快速发展和技术的更新换代，电器设备随处可见，高精尖设备同样也是不断涌现，如计算机设备和服务器设备，这就更加突出了电源对现今社会的影响。为了满足电气设备正常运作的供电需求以及高精尖设备的不间断供电需求，社会对不间断电源的投资比重不断增加，致使UPS电源技术突飞猛进。现如今，UPS电源已经迈入了数字化的时代，在企业和商店等场合得到了广泛应用。本次设计的具体方向是在线式不间断电源，通过对UPS电源原理的理解，深入研究了UPS电源基本构成电路的工作原理，通过电子设计仿真软件Proteus8Professional、电力电子仿真软件PLECS和程序编译软件KeiluVision4，设计了一款在线式UPS电源，其控制器件是51单片机。UPS电源的基本构成电路有交流变直流电路、降压稳压电路、升压斩波电路、直流变交流电路、波形发生电路、市电和蓄电池数据采样电路和市电-蓄电池切换电路。通过程序设计使各电路模块间的联系更加紧密，使本次的UPS设计成型。本次设计实现了对市电及蓄电池的数据采集、蓄电池的降压稳压充电及两电源间快速切换的仿真模拟。本文采用单片机为UPS电源的控制核心，其本意是设计一款简便的小型UPS电源，与商用UPS电源在性能上的差异还是比较大的：采样系统的数据采集不够全面，精度也不足，没有联网功能等。从选题到初稿再到论文完稿，全程查阅了诸多文献，同时也得到了谭中原老师的耐心指导，特别是设计仿真的过程，谭老师给出了宝贵建议，使仿真顺利完成。在此，衷心感谢谭老师的指导。第1章绪论1.1UPS电源产生的背景及发展趋势在很多重要的用电部门有着许多特殊的用电设备，这些设备如果突然断电将会造成很大的损失甚至造成人生伤害，例如：在医疗，航空和芯片制造等行业，一些高精尖的生产设备对电源品质的要求十分苛刻，而进口的高科技设备都是按照国际标准设计的，只有在指定的电网环境中才可能长寿命工作；银行、通信和计算机等产业的重要数据都是通过计算机进行数据存储和处理的，而计算机的随机存储器RAM断电后，其内的数据会瞬间丢失，这将会给国家经济和国民生活造成难以估计的损失。此外，我们国家的电网系统目前还存在着诸多不稳定因素，如电网电压波动、浪涌、谐波畸变、欠压和过压等，设备运行在低品质的电网环境中会极大地降低使用寿命和增加故障发生率。UPS电源的出现是为了解决电网电力供应质量差的问题。经过几十年不断地研发，UPS电源的控制部件从原先的模拟电路发展到现今的数字电路，其控制技术已经越发成熟。现如今的UPS电源不仅可以充当电源以保证后续负载不会突然断电，还可以改善市电的输出品质，使输出电压更为稳定。初代UPS电源的控制电路是以模拟电路为主，他的特点是体积大、效率低、设计简单。随着电子元器件的更新换代和集成电子技术的快速发展，以数字电路作为控制电路的UPS在各行业都得到了广泛的应用，它的特点是体积小、性能可靠、控制方式便捷等。随着分布式发电并网需求的出现，对UPS电源的性能提出了更高的要求，这致使UPS电源将在数字化和高频化的逆变控制方面进一步突破，同时智能化和大容量单机冗余化等方向也将得到大幅提升，安全性和稳定性会更加优异[1]。1.2AT89C51单片机介绍AT89C51单片机在后续章节中有时会简称为51单片机，它的五大功能部件分别为微型处理器、数据存储器又称随机存储器（RandomAccessMemory,缩写为RAM）、快闪存储器又称可擦只读存储器（FlashRead-OnlyMemory,缩写为FlashROM）、并行输入输出接口电路（ParallelInput/OutputportCircuit）和定时计数电路（Timer/CounterCircuit）。89C51单片机内部的基本结构如图1.1所示：图1.189C51单片机的基本结构图4KB大小的快闪存储器（FlashRead-OnlyMemory）作为51单片机内部集成的存储器，可以用来存放各种固定的指令代码和各种常量数据和变量数据。256字节的随机存取存储器（RAM）作为51单片机内部集成的存储器，其功能为存放一些临时数据信息和指令代码。4个8位可编程I/O口用作数据的输入输出。定时/计数器有三大功能：首先可以用来对外部事件进行计数，其次可以和内部晶振一起实现计时功能，最后还可作为串行接口的波特率发生器。51单片机的五个中断源可以分为三大类。一个串行通信口，用来与单片机或个人计算机进行通信。DBUS为片内8位数据总线。80C51型微处理器作为51单片机的中央处理单元，由多种寄存器组成，其中运算器和控制器为核心寄存器。震荡器和时序OSC是51单片机内部集成的震荡电路和时钟产生电路（ClockCircuit），在外部引脚上接入晶体振荡器和频率微调的电解电容后就形成了自激多谐振荡电路，就能产生让51单片机正常工作的脉冲信号。51单片机的引脚名称及结构布局如图1.2所示：图1.251单片机在Proteus8Professional仿真软件中的引脚图AT89C51单片机引脚简介：40脚为Vcc引脚，即电源端，接+5V。20脚为Vss引脚，即接地端。19脚为XTAL1引脚，18脚为XTAL2引脚，当51单片机使用自己内部的时钟电路时，该引脚和18引脚的外部接入晶振和频率微调电容，然后一起构成自激多谐振荡电路；当使用外部接入的时钟脉冲信号时，外部的时钟脉冲信号从19引脚输入,18引脚悬空，即不外接任何器件。9脚为RST引脚，即复位端，想要完成所有内部元器件的复位操作，就需要在该引脚保持二十四个震荡周期以上的高电平。29脚为程序存储允许输出端。30脚为AddressLatchEnable/Programming引脚，即将端口锁存为地址信号允许输入端口。当51单片机接入外部所需电路而正常工作时，该端口会持续向外输出周期为六倍单片机节拍周期的正脉冲信号，因而ALE引脚可用作对外输出时钟引脚。31脚为存取外部程序代码引脚，即始能端（EA），当始能端接高电平时，微处理器先访问单片机内部的快闪存储器并执行其内部的指令代码，但当PC指针的值超过内部快闪存储器的容量时，会自动去执行单片机外部快闪存储器中的指令代码；当始能端接低电平时，微处理器只会访问单片机外部的快闪存储器并执行其内部的程序。P0口包括P0.0~P0.7八个引脚（即39~32脚）：P0口是一个内部场效应管的漏极为开路状态的既能输入又能输出的端口,内部场效应管没有接上拉电阻，因此这八个端口外部接入负载时都需要外接上拉电阻，否则容易出现大电流烧毁引脚内部的场效应管。在微处理器访问外部的程序存储器时，P0口可作为低8位地址总线或8位数据总线。在微处理器访问外部的数据存储器时，P0口可作为低8位数据总线。P1口包括P1.0~P1.7八个引脚（即1~8脚）：P1口内部场效应管的漏极带有上拉电阻,是8位既能作为输入又能作为输出的端口，因此该端口接入负载时不需要外接上拉电阻。P2口包括P2.0~P2.7八个引脚（即21~28脚）：P2口内部场效应管的漏极带有上拉电阻,是8位既能作为输入又能作为输出的端口；在微处理器访问外部的程序存储器时，P2口可作为低8位地址总线或8位数据总线。在微处理器访问外部的数据存储器时，P2口可作为低8位数据总线。P3口包括P3.0~P3.7八个引脚（即10~17脚）：P3口内部场效应管的漏极带有上拉电阻,是8位既能作为输入又能作为输出的端口。此外，P3口还有复用功能，其复用功能如表1-1所示：表1-1P3口引脚与第二功能表[2]端口引脚复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输入口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器0的外部输入）P3.5T1（定时器1的外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）51单片机是一片经济实惠的控制芯片，它操作简单，容易上手的特点使他应用广泛，同时考虑到该芯片可靠性高和功耗低，所以让它充当本次设计的控制单元。1.3本课题主要研究的内容本文通过研究UPS电源的工作机理和关键技术，设计了一款以AT89C51单片机为基本控制单元的在线式UPS电源。本文的正文内容可分为七个章节，其各个章节的核心内容如下所示：第1章绪论对UPS电源产生的背景及发展趋势、AT89C51单片机做了简单介绍。第2章UPS电源的基础知识对UPS电源的相关知识做了详细的介绍。本章主要介绍了UPS电源的功能和分类。UPS电源有五大功能，分别为对电网具有较强的适应能力、能输出高质量的电能、运行中对电网不会产生污染、具有高度的智能化控制和高效率。UPS电源工作原理可细分为后备式不间断电源、在线式不间断电源、在线互动式不间断电源三类。第3章UPS电源中的常用电路介绍了四种基本电路：交流变直流电路、降压稳压电路、直流变交流及升压斩波电路。第4章脉宽调制技术对基于PWM技术的逆变电路的设计思想和原理做了详细的介绍并且详细的介绍了PWM控制技术的原理。第5章系统的软硬件设计从硬件方面详细介绍了本次设计的控制电路：波形发生电路、市电和蓄电池数据采样电路和市电-蓄电池切换电路；从软件方面介绍了控制电路实现的程序。第6章系统测试及结果分析主要介绍了电路仿真系统的测试结果。第7章工作总结。总结了本次设计所做的主要工作。第2章UPS电源的基础知识 UPS电源研发起初是为了给特殊的用电设备提供电力供应保障。而随着计算机和互联网的发展，UPS电源更多用来充当计算机信息的保护神。在进入信息时代后，UPS电源更是朝着智能化和数字化飞速发展。2.1UPS电源的功能在电网正常供电时，后备式不间断电源是不起作用的，处于等待状态，负载电能由220V市电直接提供；在线式的UPS电源是先将市电进行整流滤波处理，然后通过逆变升压电路给负载供电。当电网发生故障时，单片机进行电源切换，不间断电源立即启动逆变，将蓄电池中储藏的电能经逆变升压电路传递给负载。下面将对UPS电源的功能做详细的介绍：不间断电源对市电必须有较高的适应性实际的供电电网中存在着许多干扰和噪声，如电压波动、频率变化、电涌、噪声电压和谐波畸变等，这些噪声和干扰会对UPS电源的正常工作产生不同程度的影响。因此，UPS电源必须能适应电网中的这些扰动和噪声，同时保证输出电能的稳定性，使负载正常稳定的运行。不间断电源必须能输出高质量的电能UPS电源的引进使因为用电设备对电能的稳定性和可靠性有较高的要求，如果UPS电源无法给用电设备提供稳定的电能，那UPS电源的引进将变得毫无意义。因此，UPS电源必须能为高性能设备提供高质量的电能，使其正常工作。不间断电源应尽量减少对电网的干扰随着电子元器件的更新换代，越来越丰富的电子产品对电网的干扰也越来越严重。UPS电源中的降压、整流、滤波和逆变等电路中包含有大量的电感和电容等储能元器件，会对电网的正常工作产生严重的影响，容易造成电网的电压与电流不同步，从而引发高于基波频率的谐波。因此，在设计UPS电源时，应尽量减少对电网的干扰，保证UPS电源接入电网后对电网电能没有影响。不间断电源应具有高度的智能化系统随着科学力量的增长和新技术的不断涌现，不间断电源的更新换代也越来越频繁。现如今的UPS电源拥有着高度的智能化，其控制系统具有市电状态监测功能，对市电的欠压和断电等不同的状态做出相对应的动作，以保证负载的正常工作。现如今的UPS电源还具有运行状态记录等实用功能，使用户能实时了解不间断电源的状态。不间断电源应具有较高的效率与市电相比，UPS电源的供电效率是比较低的，严格限制了所带负载的性质和数量。因此，高效率成为了衡量UPS电源性能的一个重要指标。提高效率就是提高UPS电源的供电能力，增强UPS电源对负载的适应性[3]。2.2UPS电源的分类不间断电源根据工作机理可以分为被动后备式、在线式、在线互动式三类。2.2.1被动后备式UPS被动后备式不间断电源又称为后备式不间断电源，逆变器和蓄电池组成的不间断电源支路和市电所组成的支路为并联关系，同一时间只能有一条支路给负载供电。市电正常工作时，逆变器和电池电路仅作为备用电源，其原理框图如图2.1所示图2.1后备式UPS的原理框图后备式UPS的工作原理：市电为正常供电状态时，市电经变压器向后续负载提供改良电压，蓄电池和逆变电路不工作，同时蓄电池经市电进行充电；市电为断电状态时，由蓄电池经逆变电路向后续负载提供稳定的220v电压。2.2.2在线式UPS在线式不管市电是否能正常工作，负载两端的电压都是经过逆变器逆变输出的电压，即逆变器在市电供电和蓄电池供电中都处于工作状态，采用这种工作模式可以减小由于市电波动给负载带来的损害，其原理框图如图2.2所示。图2.2在线式UPS的原理框图在线式UPS的工作原理：当市电能正常给负载供电时，市电一方面经整流电路、逆变电路将稳定后的电压输送给负载，另一方面经充电电路给蓄电池充电；市电为断电状态时，由蓄电池通过逆变电路向后续负载提供稳定的220V电压。2.2.3在线互动式UPS在线互动式就是调整了在线式的电路结构，增加了稳压器，同时是逆变器的工作量加大，由逆变器承当蓄电池的充电电路，其原理框图如图2.3所示。图2.3在线互动式UPS的原理框图在线互动式UPS的工作原理是：市电处于正常工作状态时，市电经稳压器给后续负载供电，同时逆变电路给蓄电池充电。市电处于断电状态时，蓄电池经逆变电路向后续负载供电[4]。上面所讲述的三类不间断电源由于结构和原理的不同，其性能也略有不同：就其输出电压质量来说，在线式无论市电是否处于正常状态，都需要经过逆变电路，因而在市电正常供电时输出的电压质量比另外两种不间断电源的输出电压质量都要好；就高效性而言，在线式由于存在两级变换电路，变换电路消耗的能量大幅增加，因此系统效率较另外两类UPS电源低；就功率因数来说，在线式由于整流电路的原因，系统中增加了电容元器件，使功率因数降低，对电网的干扰变大；就性价比来说，后备式UPS简单可靠、价格便宜。第3章UPS电源中的常用电路3.1整流滤波电路 整流滤波电路在不间断电源中扮演了至关重要的角色，其中整流电路是利用半导体的特性使交流电变为直流电；滤波电路是利用电容的特性使输出的电压波形变得更为平滑。整流电路的分类方法有很多，其中按电路的元器件的特性可分成三类：全控式、半控式、不可控式；按电路的结构框架可分为桥式和零式；按元器件的控制方式又可分为相位控制和斩波控制。3.1.1单相半波可控整流电路图3.1所示为单相半波可控整流电路，其中变压器T有两个作用：一是变换电压，二是对负载起隔离保护。图中变压器一次侧的电压瞬时值用u1表示，由电压表Vm2测量，二次侧的电压瞬时值用u2，由电压表Vm1测量，一次侧的电压有效值用U1表示，二次侧的电压有效值用U2表示，ud是直流输出电压，UU其中，α为晶体管的触发延迟角；当α为零时，直流输出电压的平均值达到最大，Ud图3.1单相半波可控整流电路图3.2单相半波可控整流电路的工作波形图在脉冲信号为高电平时，晶体管IGBT1处于导通状态，电路导通，负载电阻两端的电压就是变压器T输出侧的端电压，即u2=ud；在脉冲信号为低电平时，晶体管IGBT1处于断路状态，电路中没有电流，负载电阻两端没有电压，变压器T输出侧的端电压全部施加在IGBT1两端。由于其输出电压波形只在图3.3所示为单相半波可控整流滤波电路，在单相半波可控整流电路的基础上加上电容后可以输出的电压波形变得更加平稳；图3.4所示为单相半波可控整流滤波电路的工作波形图。图3.3单相半波可控整流滤波电路图3.4单相半波可控整流滤波电路的工作波形图3.1.2单相桥式全控整流电路图3.5所示为单相桥式全控整流电路，图3.6所示为单相桥式全控整流电路的工作波形图。图3.5单相桥式全控整流电路图3.6单相桥式全控整流电路的工作波形图在此电路中，Vm1测量的是变压器一次侧两端的电压，即u1的值；Vm2测量的是负载两端的电压，V在图3-1-5中，晶体管IGBT1和IGBT4构成一组桥臂，由脉冲信号作为这组晶体管桥臂的控制信号；晶体管IGBT2和IGBT3构成另一组桥臂，对脉冲信号进行取反操作，所得到的信号作为这组晶体管桥臂的控制信号。当晶体管IGBT1和IGBT4导通时，电流从变压器二次侧a端经晶体管IGBT1、负载电阻R、晶体管IGBT4流回变压器二次侧b端，输出电压ud=u2；当晶体管IGBT2和IGBT3导通时，电流从变压器二次侧b端经晶体管IGBT3、负载电阻R、晶体管IGBT2流回变压器二次侧a端，输出电压udU其中，α为晶体管的触发延迟角；当α为零时，直流输出电压的平均值达到最大，Ud图3.7所示为单相桥式全控整流滤波电路，在单相桥式全控整流电路的基础上加上电容C1后可以输出的电压波形变得更加平稳；图3.8所示为单相桥式全控整流滤波电路的工作波形图。图3.7单相桥式全控整流滤波电路图3.8单相桥式全控整流滤波电路的工作波形图3.1.3电容滤波的单相二极管整流电路生产商在设计不间断电源时，大多采用二极管整流电路通过电容滤波后给负载和逆变器提供波动较小的直流电，有利于增加负载和逆变器的使用寿命。因此，本文将着重介绍带有电容滤波的单相二极管整流电路，以便后续的设计。以下就是对带有电容滤波的单相二极管整流电路的工作原理进行仿真分析和总结。图3.9所示为电容滤波的单相二极管整流电路，图3.10所示为电容滤波的单相二极管整流电路的工作波形图。图3.9电容滤波的单相二极管整流电路图3.10电容滤波的单相二极管整流电路的工作波形图电容滤波的单相二极管整流电路的基本工作过程为：当u1为正弦波的上半周时，经变压器T得到u2，当u2大于ud时，二极管VD1和VD4导通，电源V_ac给电容充电的同时也给负载电阻供电，当u2小于ud时，二极管VD1和VD4截止，电容给负载电阻提供所需电能，使负载两端的电压波动变小，此时电容起到续流的作用；当u1为正弦波的下半周且−u2大于ud时，二极管VDR1电阻的作用为防止短路。当电路刚接通时，由于电容中所存储的电能为零，此时电容直接接在交流电路中相当于是导线，而二极导通时的阻值可以忽略不计，故电容相当于直接接在变压器二次侧两端，会使变压器二次侧发生短路，故在变压器二次侧和电容间接入电阻R1可以防止短路。电容的充放电公式为：U式中：Uc为电容某一时刻的电压瞬时值；U0为电容初始时刻的电压值；Us为换路后电路的等效电源； τ为电容的时间常数，τ=RC，本次设计为了便于计算，认为经过5τ的时间电容的过度过程结束。 t为电容的充放电时间；3.2逆变电路3.2.1逆变的概念逆变电路作为不间断电源中最为重要的环节，有相当高的研究价值，下面先介绍逆变的概念。逆变就是把恒流电变换成交流电的过程，因为与整流操作完全相反，是整流操作的逆向操作，故此称之为逆变。3.2.2逆变电路的分类逆变的分类方法有很多，按逆变电路的输出端是否并入电网可以分为有源逆变电路和无源逆变电路，不间断电源就属于无源逆变；按直流电源的性质可以分为电压型逆变和电流型逆变，在实际的不间断电源设计中常常选用电压型；按输出的交流波形可以将逆变分成正弦波逆变和方波逆变，不间断电源中用到的逆变就属于正弦波逆变，在多数小功率的逆变场合，对出处波形的质量要求比较低，故适合使用方波逆变。3.2.3逆变电路的基本工作原理图3.11所示为逆变电路，通过该图来介绍逆变电路的基本工作原理。图中IGBT1和IGBT4构成一组桥臂，IGBT2和IGBT3构成另一组桥臂。通过脉冲信号控制IGBT的通断，通过示波器记录脉冲信号的波形变化和负载电阻两端的电压波形变化。当晶体管IGBT1和晶体管IGBT4处于导通状态，晶体管IGBT2和晶体管IGBT3处于截止状态时，负载电阻两端的电压为正；当晶体管IGBT2和晶体管IGBT3处于导通状态，晶体管IGBT1和晶体管IGBT4处于截止状态时，负载电阻两端的电压为负。让这两组桥臂交替导通就完成了直流电到交流电的逆变，调整这两组桥臂的交替导通频率就可以改变输出交流电的频率。图3.12所示为逆变电路的工作波形图。图3.11逆变电路图3.12逆变电路的工作波形图3.2.4单相半桥式逆变电路图3.13所示为单相半桥式逆变电路，它由限流电阻R2、负载电阻R1、电容、晶体管和续流二极管组成，其中晶体管IGBT1和反并联二极管D2组成一组桥臂，晶体管IGBT2和反并联二极管D1组成另一组桥臂。电路正常工作时，晶体管IGBT1和IGBT2在一个脉冲周期内交替导通,即在任意时刻IGBT1和IGBT2只能有一个导通，可以使负载电阻两端的电压波形成为矩形波，其工作波形如图3.14所示。图3-2-3中所示电路使用的元器件少，同时电路结构也简单，但输出的电压的幅值只有直流电压的一半。图3.13单相半桥式逆变电路图3.14单相半桥式逆变电路的工作波形图3.2.5单相全桥式逆变电路图3.15所示为单相全桥式逆变电路，其由四个晶体管IGBT、四个二极管D、一个稳压电容、一个电阻负载、一个限流电阻、两个电压表、两个脉冲发生器、一个非逻辑器件和一个示波器组成。晶体管IGBT1和晶体管IGBT4构成一组桥臂，晶体管IGBT2和晶体管IGBT3构成另一组桥臂，一个组的两个晶体管IGBT同时导通，两组晶体管IGBT轮流导通，每组导通180°其输出电压波形如图3.16所示[5]。图3.15单相全桥式逆变电路图3.16单相全桥式逆变电路的工作波形图3.3蓄电池充电电路LM317是一款应用比较普遍的可调稳压电源芯片，它的三个端脚分别为电压输入端、电压输出端和电压调节端。其中，电压输入端和电压输出端都需要接滤波电容来稳定电压，电压调节端和电压输出端之间需要接一个200欧左右的电阻，电压调节端和地之间需要接入一个几千欧的可变电阻。LM317的优点有输出电压的可调性强、噪声低和电压的稳压性能好。其内部原理如下图3.17所示。图3.17LM317内部原理图LM317芯片的输出电压可以在1.25V~37V之间连续调节。LM317正常工作时要求输入端的电压和输出端的电压压差不低于3V，两端压差低于3V时该芯片将失去稳压作用，因此LM317正常使用时要保证输入端电压的最低值要比输出端电压的最高值高3V。本次设计的蓄电池充电电路如下图3.18所示。图3.18蓄电池充电电路LM317的输出电压Vout由电阻R1和可变电阻R2的比值决定，其中Vout=1.25∗（1+R2/R1），当R1为240欧时，R2的阻值为5520欧，故此选择10千欧的滑动变阻器。LM317芯片的电压输出端和电压调节端之间为固定电压，其值为1.25V。在电路元器件已经确定的情况下，电阻R1就是定值，因此流经R1的电流就是定值，又因R1和R2是串联，因此通过改变滑动变阻器R2的阻值就可以改变输出端的输出电压V图3.18中的二极管D5和D6是续流二极管，对LM317芯片起保护作用。在芯片输出端发生短路故障时，电容C3上电能将通过二极管D6释放，从而使芯片内部三极管的发射结不因过电流而击穿。在LM317芯片正常工作时，不允许输出引脚的电压高于输入引脚的电压，否则容易烧坏芯片内的三极管。在使用LM317设计蓄电池充电电路时，由于误操作可能使输出端电压高于输入端电压，这时二极管D5会使电压差钳位在0.7V左右，从而对LM317起到保护作用。电路中的电容C1、C2为滤波电容，C3、C4为稳压电容。电解电容的电容量很大但高频滤波性能很差；瓷片电容的电容量很小但稳定性很好、损耗低。由于上述两类电容的优缺点，因此选择让两类电容的并联电路做整流后的滤波电路，这样既可以消除高频干扰又可以得到稳定的电压输出。图3.18中所示的蓄电池充电电路为浮充方式，即对蓄电池进行恒压充电。本次设计采用的蓄电池的额定电压为24V，浮充电路的输出电压Vout=24V*1.25=27V,当蓄电池电量还剩20%时，充电所耗时间为十小时[6]。3.4升压斩波电路一般而言，蓄电池的电压只有24V，直接逆变后不能供给负载使用，只有先将蓄电池的电压升至220v后再进行逆变处理才能供给负载使用。因此，本节将介绍升压斩波电路，其电路如图图3.19所示，其输出波形如图图3.20所示。图3.19所示电路的工作原理为：当电感和电容分别为理想电感和理想电容时，可认为电路的储能很大，能为负载连续提供能量。当晶体管IGBT1导通时，蓄电池、电感和晶体管构成回路，蓄电池给电感L1充能（将蓄电池的化学能转化为电感的磁场能），充电电流i1基本保持恒定；同时电容和负载电阻构成回路，电容向负载电阻提供电能，且由于电容的储能足够大，因此输出电压基本保持稳定。当晶体管IGBT1处于截止状态时，蓄电池和电感同时为电容充电并向负载电阻供电。输出电压和蓄电池电压的关系如下式所示：U其中，tontoffT为晶体管IGBT1的导通时间和断态时间之和；图3.19升压斩波电路图3.20升压斩波电路输出波形第4章脉宽调制技术现如今广泛应用的多种逆变电路以及测量、通信中，绝大多数都十分依赖脉宽调制技术，即人们常说的PWM控制技术。前面章节中介绍到了逆变电路，而本章将会着重介绍PWM控制技术。脉宽调制技术就是通过数字处理器来调控输出脉冲的宽度进而达到期望波形的技术。4.1脉宽调制控制的基本原理4.1.1面积等效原理经典控制理论中的面积等效原理简要说明即是在低频段时形状不同但面积相等的窄脉冲信号加载到具有惯性的电气环节上时，其惯性环节在示波器上显示的输出响应波形基本上是相同的。由高等数学中的傅里叶变换可知，惯性环节在示波器上显示的输出响应波形仅仅是在波形频率较高的阶段有差异，在波形频率较低的阶段其输出波形是相当接近的。上述所说的惯性环节是指当输入信号发生突变时，其输出波形不能发生突变，只能按指数的变化规律而逐渐变化的环节。上述原理是脉宽调制技术的重中之重。4.1.2用PWM波代替正弦波根据经典控制理论中所涉及到的面积等效原理可知，当被控制的环节为惯性环节时，可以用诸多相同脉冲幅值相等但脉冲宽度不相等的脉冲来等效出一个正弦波，而惯性环节在示波器上显示的输出响应波形只在很小的范围内发生变化。将任意半个周期的正弦波波形设想成是由N个相互联贯的脉冲宽度为πN，但脉冲绝对值的大小是按正弦波的规律变化的一系列组合脉冲组成的波形。根据经典控制理论中所涉及到面积等效原理把上述正弦式的一系列组合脉冲利用等量的脉冲绝对值相等而脉冲宽度不相等的矩形波脉冲代替，使矩形波脉冲和相对应的正弦波脉冲的面积相等且中点重合，上述中的一系列矩形组合脉冲就是PWM波形。SPWM波形是PWM波形的升级版，是一系列矩形组合脉冲的宽度按正弦波规律变化且矩形波脉冲在一小段的时间间隔内所包含的能量和正弦波在相对应的时间间隔内所包含的能量是相等的PWM波形。4.2PWM逆变电路的控制方法4.2.1PWM的控制方法生成PWM波形的电路所采用的控制方法有两种。第一种控制方法是计算法：计算法相当于是一个倒推的过程，是通过最后需要的正弦波频率、幅值、和一个周期内一系列矩形组合脉冲的个数来推算出PWM波的各脉冲宽度和时间间隔。当所需的正弦波发生改变时，其PWM波也需要改变，因此用计算法来求解PWM波是很繁琐的。第二种控制方法是调制法：调制法是把想要得到的正弦波信号作为调制信号并且把参与调制的三角波信号作为载波，通过调制三角波信号的输出周期和输出幅值来得到所想要的PWM波形的方法。调制法根据三角波信号的极性在信号波正半个周期或负半个周期的变化情况可分为单极性和双极性，其中，单极性的控制方式是在同一时间段内载波信号的极性和信号波的极性是相同的，所输出的PWM波形也和信号波的极性相同，其控制方式波形如图4.1所示；双极性的控制方式是在信号波的一个极性中载波信号有两种极性，既有正又有负。同理，所输出的PWM波形也是有正负两种极性的控制方式，其控制方式波形如图4.2所示[7]。 图4.1单极性PWM控制方式波形 图4.2双极性PWM控制方式波形4.2.2单相桥式PWM直接变交流电路图4.3中所示的直流变交流电路的电路结构为单相桥式，其控制器件是晶体管IGBT，控制波形为PWM波。电路正常工作时，V1管和V2管交替导通，其导通和截止状态互补，V3管和V4管也是轮流导通。电路的输出电压为正半周期时，V1管是处于导通状态，V2管处于截止状态，V3管和V4管是交替导通；电路的输出电压为负半周期时，图4.3单相桥式PWM直流变交流电路第5章系统的软硬件设计5.1系统概述随着人们对数字控制领域的逐步探索，UPS电源的控制方式由起初的模拟量控制逐渐步入了数字量控制时代。本次的UPS电源设计是基于单片机，其控制方式是属于数字控制，其特点是结构简单、可靠性高、稳定性强和功耗低。5.1.1UPS电源系统框图本次基于AT89C51单片机设计的UPS电源的总体框图如下图5.1所示。51单片机的输出功率有限，无法直接控制继电器等器件，故需要驱动电路来增加输出功率。单片机所需的工作电压有蓄电池经降压处理后供给。图5.1基于AT89C51单片机的UPS电源系统框图5.1.2市电采样电路在UPS电源的设计中，控制器必须时刻关注电网电压相位的变化情况。想要实现市电和备用电源的正常切换，就必须了解换路时电网电压的相位情况，就必须保持UPS电源中逆变电路输出交流电的相位与电网中交流电的相位相同。因此，为了保证逆变电和市电的同相位，本次设计通过采样点路来确定市电的零相位点。市电采样电路系统框图如下图5.2所示。图5.2市电采样电路系统框图220v市电(波形如图5.3（a）所示)经降压电路降至5v后，由稳压电路使市电的正弦波波峰被削平，稳压后的波形如图5.3（b）所示，记作采样信号V2。将V2信号与整流滤波后的平均值信号进行比较，然后通过反相器（74LS04）取反产生负极性窄脉冲V3（如图5.3（c）所示）。负极性窄脉冲正好在电网正半周期的初始点出现，因此可以将采样电路产生的负极性窄脉冲输入到单片机的一个输入输出端口上作为市电零相位点信号。图5.3市电采样波形图5.1.3电池数据采集系统本系统采用模数转换模块ADC0808，将电池电压通过电位器分压电路后通过该模块将信息传给单片机;电流同样使用电位器分压电路得到，之后将该电流与电流传感器ACS712相连，ACS712输出一个与相应大小的电压,具体关系式为：I=（V-2500）*5。电池数据采集系统框图如下图5.4所示[8]。图5.4电池数据采集系统框图5.1.4电源切换电路市电经过降压处理后，接到模数转换模块ADC0808的模拟量输入通道，将该模块产生的数字信号输入到51单片机的一个I/O口，51单片机通过该I/O口来判断市电是否正常。当该I/O口为高电平时，表示市电供电正常；当该I/O口为低电平时，表示市电为断电状态。通过程序控制继电器动作，完成负载的电源切换。电源切换电路系统框图如下图5.5所示。图5.5电源切换电路系统框图5.2系统硬件电路设计硬件电路是通过Proteus8Professional和PLECS两种软件来设计的，这两种软件都有仿真功能。其中PLECS软件更多的是用于介绍UPS电源中常用的电路，并仿真出输入输出波形图。Proteus8Professional是用来实现本次设计的整体电路，包括降压稳压电路、方波和PWM波发生电路、直流变交流电路、市电-蓄电池切换电路等[5]。5.2.1PWM的硬件实现PWM是逆变电路的核心，因此对PWM波形发生电路的设计至关重要。51单片机要想正常使用，就必须先搭建使其正常工作的基本应用电路。单片机的最基本应用电路包括三种电路，分别是电源电路、时钟电路和复位电路。单片机电路的实质是同步时序电路，因此，单片机只有在同一时钟信号下才能保证同步工作方式的实现。AT89C51单片机的XTAL1引脚和XTAL2引脚内部有一个放大倍数很大的反相放大器，因此，只要在这两个引脚间接入一个很小的信号就可以形成自激震荡，本次设计跨接了一个晶体振荡器和两个微调电容构成了一个频率很高的自激振荡器。如图5.6中C1、C2和X1构成的电路就是单片机的时钟电路。复位电路能使单片机中的CPU和其他元器件恢复到初始的默认状态，根据复位电路的工作方式可分为上电复位和按键复位两种，图5-2-1中所示的复位电路为上电复位电路。要想使单片机正常执行完复位动作，就必须在复位引脚RST即第九引脚上持续施加24个震荡周期以上的高电平。上电复位的机制是利用电容充电来实现单片机复位的，其工作原理为：电容在充电的瞬间相当于导线，此时，RST端相当于直接与电源端衔接，电容充电周期远大于24个震荡周期，24个震荡周期过后单片机完成复位操作。按键复位是通过按下控制按钮，使复位电路的导通，RST端接入高电平，由于按下按键的时间远大于毫秒级时间，故单片机能完成复位工作。图5-2-1中示波器所显示的就是占空比为百分之五十的PWM波，该波形是通过软件程序生成的，图中两个按钮可以控制PWM波形的占空比。图5.6PWM硬件发生电路5.2.2市电采样电路市电是模拟量，而单片机所处理的信号只能为数字量，因此单片机不能直接对市电信号进行采样处理，需要借助模/数转换模块，即ADC模块。ADC模块处理的步骤一般是先选通道，然后启动AD转换，接下来就是等待AD转换完成，最后是读取AD转换结果。本文采用的ADC模块为ADC0808，下图5.7为ADC0808芯片的接口图。图5.7ADC0808芯片的接口图该芯片的主要引脚及功能介绍如下：IN0~IN7为该芯片的模拟量输入通道，连接市电和电池等采样点。OUT1~OUT8为该芯片的数字量输出通道，与单片机连接。VREF(+)为该芯片的参考电压正端，接入+5V电压，VREF(-)为该芯片的参考电压负端，接入地。START为第6引脚，该引脚为模拟量向数字量转换的启动信号端，高电平有效。ALE引脚为地址锁存允许信号端。EOC引脚为模拟量向数字量转换结束信号端，该引脚在模拟量向数字量转换前输出低电平，在模拟量向数字量转换结束后输出高电平。OE引脚为模拟量向数字量转换完成后，数字量输出端口允许数字量输出的控制信号端，高电平有效。CLOCK引脚为时钟信号端。ADDA和ADDB、ADDC三个引脚为地址选择端，单片机控制模数转换器的过程如图5.8为ADC模数转换时序图5.8ADC模数转换时序 模拟量输入通道选择表如下表5-1所示：表5-1ADC0808模拟量输入通道选择表模拟量输入通道地址选择通道CBAIN0LLLIN1LLHIN2LHLIN3LHHIN4HLLIN5HLHIN6HHLIN7HHH图5.9中所示电路用滑动变阻器来代替经降压处理后的市电，通过改变滑动变阻器的阻值来模拟市电变化。ADC0808采用线选的方式来选择当下的模拟量输入通道，其时钟由51单片机的计时器产生。51单片机的P1口用作ADC0808芯片的信号控制，P3口用作数字量数据的输入。图5.9市电采样电路5.2.3电池数据采集系统电池数据采集同样是使用ADC0808芯片，51单片机通过选择模拟量输入通道来实现电池数据的采集。在市电采样电路的基础上接入电池电压和电流信号就构成了三路模拟信号的AD转换。图5.10中蓄电池经分压处理后，输出5V电压连接到ADC0808芯片的模拟量输入通道IN0口。ACS712是一个将电流量转化为相应大小的电压量的芯片，蓄电池经过分压电路后，连接ACS712芯片的IP+接口，这样就可以测量到蓄电池的电流数据。图5.10电池数据采集系统5.2.4电源切换电路电源切换电路是依靠电磁继电器来完成电路的切换的。由于单片机的输出口输出功率很小，无法提供继电器动作所需的最小功率，因此需要接入驱动放大电路。一般可用三极管或晶体管做放大原件来构建驱动放大电路，单片机的I/O口可作为三极管或晶体管的控制信号，从而间接控制继电器。图5.11所示电路是晶体管为控制其器的驱动放大电路。图5.11电源切换电路5.3系统软件设计软件设计采用KeiluVision4，通过该软件编写程序，然后生成.hex文件，加载到Proteus8Professional中，实现电路的仿真和程序的验证。本次设计的软件部分可分为三大模块：方波和pwm波的生成、电压测量和电源切换控制。5.3.1PWM的软件实现本次程序设计用到了中断服务程序，中断服务程序是没有返回值的函数且没有参数，中断服务程序的函数名后面必须跟关键字interrupt。本次设计借助80C51的定时/计数器来产生PWM信号，其软件实现如下程序所示：#include"reg52.h" typedefunsignedintu16; typedefunsignedcharu8;sbitk1=P1^3; //P1.3口接加按键 sbitk2=P1^2; //P1.2口接减按键sbitgn=P1^7; //接地即可sbitPWM_out=P2^2; //P2.2口输出PWM信号u8D=50,D1=50; //占空比为50%u16THHL=65536-1000/100*50;//每隔0.5ms溢出u8f=0;voiddelay(u16i){ while(i--); }voidkeys(){ if(k1==0|k2==0) //检测按键是否按下 { 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); //松开按键 delay(1000); //消除抖动， } }voidmain(){ TMOD=0x01; //通过设置TMOD中的控制位来设置定时器工作方式为方式一TH0=THHL/256; //设置高四位定时初始值TL0=THHL%256; //设置低四位定时初始值EA=1; //开总中断ET0=1; //T0开时定时器溢出TR0=1; //开启定时器 gn=0; PWM_out=1; while(1) { keys(); //按键处理函数 } }voidtime_intt1(void)interrupt1//中断服务函数名后跟关键字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电压测量的软件实现ADC常用的三种软件控制方式有程序查询方式、延时等待方式和中断方式。本次设计采用了程序查询方式来读取ADC0808芯片数字输出端口的信号。程序查询方式的一般步骤为：先由单片机向ADC芯片的START引脚发出转换启动信号，然后读取EOC引脚的转换结束信号，查询转换是否结束，若转换结束则读取输出引脚的数据，否则继续查询，直至成功读取数据。其软件实现如下程序所示：#include<reg51.h>#defineAD_DATAP3voidTimer0Init(void);//定时计数器0的声明voidTimer1Init(void);//定时计数器1的声明unsignedcharADC_Conv();//AD转换函数声明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采集的结果范围为0~255，十六进制为00H~FFH*/voidmain(){Timer1Init();EA=1;//中断总开关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标志ET1=1; //定时器1的中断开关TR1=1; //定时器1开始计时}voidtimer1_ISR(void)interrupt3{CLK=!CLK;}unsignedcharADC_Conv()//AD转换函数{OE=0;ST=0;//选通道ADDR_A=1;ADDR_B=1;ADDR_C=0;ST=1; //锁存通道地址通道3模拟量输入ST=0; //启动A/D转换while(EOC==0);/*查询ADC0808模块的EOC端口是否为高电平，高电平代表转换结束，程序继续向下执行，低电平代表正在转换，继续循环检测该引脚信号*/OE=1; //OE输出始能打开内部三态门电路ad_result=AD_DATA;//单片机读取结果OE=0;returnad_result;}5.3.3电源切换控制的软件实现单片机控制的电源切换软件实现如下程序所示，改程序仅为对应的继电器部分程序，其中ad_result为上一小节市电的采样结果。#include<reg51.h>sbitRELAY1=P2^0;//定义控制继电器的端口voidmain(){RELAY1=0;while(ad_result==0)//判断市电电压是否为零，若为零则继电器动作，完成电源切换。{RELAY1=1;}}5.3.4蓄电池的充电流程额定电压为24V的蓄电池当电压下降到21.6V时就处于欠压状态，按照转换比例可知，当51单片机检测到的信号为4.5V时，蓄电池就处于欠压状态了。图5.12所示为蓄电池的充电流程。首先通过电位器分压电路，将0~24V电压降为0~5V电压，然后通过ADC0808芯片将模拟量的电压信号通过模拟量数字量转换功能转换为数字量的电压信号传递给51单片机。CPU检测当前ADC传出的数字信号，将数字信号进行运算后与4.5V进行比较，若低于4.5V就停止逆变输出，并发出警报提示充电。但CPU检测到蓄电池开始充电后进行计时，接着判断充电时间是否满足，若不满足则继续充电，若已经满足则检测当前蓄电池电压，并准备开始逆变。图5.12蓄电池充电流程图第6章系统测试及结果分析经过前面章节的研究及设计，将所有电路模块连接到一起，UPS电源系统就成型了。本次仿真设计达到了预期目的，成功仿真出了整流滤波电路、蓄电池充电电路、信号采样电路、直流变交流电路、升压斩波电路和市电-蓄电池切换电路，实现了当市电停电时，UPS电源自动进行电源切换，将蓄电池的电压逆变升压处理成交流电供给负载，保证了负载的连续正常工作。下图6.1所示为单片机控制电路,包括了市电采样电路、市电起点负窄脉冲电路、电池数据采集电路和市电-蓄电池切换电路。图6.2所示电路包含了降压稳压电路、蓄电池充电控制电路、直流变交流电路和升压斩波电路。两图中直流电源V2、V4和V5代表了蓄电池，V1和V3代表了市电，由于仿真图纸的限制，故将两电路分开处理。51单片机通过对市电的信号采集来控制继电器RL1的动作，达到市电与蓄电池切换的效果；通过对电池数据的采集来控制继电器RL2的动作，来控制蓄电池的充电和断电。图6.1单片机控制电路图6.2蓄电池充电逆变升压电路第7章工作总结