【基于单片机的家用应急电源设计与实现7500字（论文）】

基于单片机的家用应急电源设计与实现目录TOC\o"1-3"\h\u142921.引言 摘要：文中主要是运用STC89C52单片机设计的充电头充电，本设计的核心中控是STC89C52单片机，再加上其它几个模块就构成了的家庭应急电源的整个系统，其中包括控制部分、输入部分和输出部分。输入包括三个部分，一个部分是针对模拟的接反过程，应用adc0832AD数模转换电路，通过直接与单片机相接的ADC0832来检测电源端口的工作电压值及其电流来控制显示、继电器和警报。供用电器应用，电流及其随后开展相应的控制，后边再应用软件开展合理分辨，进而做到控制输出的电源的目的。关键词：充电电路逆变电路单片机室内引言1.1应急电源应用的意义与背景随着大家生活水平的提升，应急电源运用尽管沒有想像中那么重要了，可是却还是与大家日常生活的息息相关。伴随各种各样电器设备的出现,不论是加工厂还是家中对供电系统品质和量的规定都越来越高。电源的平稳已变成很多机器设备和很多场所的基本要求，如在大范畴的断电情况下，会给大家产生各种各样损害，包含经济发展、国防、给我们国家产生相对的损害，为了更好地减少损害务必研究更好的电力系统，还要科学研究更强的电力存储系统。下列便是没有稳定电源，所产生的各种各样危害。2017年8月15日4时51分，在中国台湾高达17个县区中，一共有688万左右用户遭受到规模性断电，店铺一度陷入黑喑，大厦失去电而瘫痪，乃至连交通指示灯也没法使用，造成大面积人员的恐慌。针对始料未及的问题，很多人表现十分无奈。在我们遭受突然停电时，谨记一定不要慌乱，立即拔出全部电源插头避免电气设备毁坏。假如在家里装备大容量逆变电源充电电池，它能够协助您处理断电产生的不好危害。以解决家中或您的店铺导致的毁坏和损害，如电机载荷和野外露营用电。你在家里或室外时，这将使你可以便捷的应用电力。防止由于突然停电，导致无奈和焦虑。根据之上缘故，设计一个科学化的、理性化的研究房间内应急电源就显的十分必要。选用高靠谱的自动转换输出开关使市电压能达到迅速靠谱的变换。转换开关是转换市电网的交流电与逆变器输出的紧急交流电流的设备，其转换时间低于0.1s，并具有电气和机械双重互锁功能。蓄电池是用于存储直流电能的设备，一般选用铅酸电池免维护保养充电电池。1.2应急电源的研究现状现阶段，大部分家中都没有自己的应急电源。有的地区乃至电力供应都不能满足。就拿我家而言，就沒有应急电源，在过去念书的院校所应用的应急电源，也是根据柴油发电机发动的，先不用说其噪声对身体健康的危害，成本费之高就令人承受不住。那样的紧急设备在那时候的院校十分广泛，毕竟一个院校针对用电量十分依靠。之上的各种各样难题使得这种发电设备必然没法普及到每一家中，因此研究适用房间内的应急电源拥有重要价值和实际意义。现阶段大部分家中平时的做饭、洗衣服等都离不了能源供应，要是没有电力的有效支持，大家将难以开展一切正常的日常生活。因为现阶段的应急电源系统的不健全，因此体现出研究房间内应急电源的迫切性和必要性。UPS适用计算机、程控交换机、医疗器械及高精密仪表仪器等不可以终断供电系统的场地，致力于IT领域的计算机类和通信类负荷而设计，其负载适应力不强而且不适带有交流感应电机一类的感应负载，只有放到计算机机房或空调房间。EPS应急电源是运用逆变技术，以CPU控制、选用高电子器件集成化总体模块化设计构造的强电和弱电一体化系统。能够完成微型机监管和处理，对电梯、水泵、消防安全应急照明、电动卷帘门、排烟风机等消防设备完成自动控制,能适用多层建筑、飞机场、电信网络机房、医院、重要场馆等工程。在紧急的状况下做为重要负载的第二或第三电源供给。因为其独有的优势有望变成许多场所的UPS、柴油机柴油发电机的替代商品。在美国、日本国及其欧洲等国应急电源已获得广泛运用。伴随着新技术持续开发和结合实际的逐渐运用，应急电源顺着高频化、智能化、网络化和大容量单机余化的方向发展趋势。基于单片机应急电源的总体设计2.1系统总体结构设计此次应急电源设计基本原理是根据单片机来控制各种各样功能的实现，依据各种各样功能和成本费考虑我选用了现阶段最实用的单片机开展控制电路。其中电源的三部分先后为：输入，电池，输出，通过充电头将用电量输入电源內部，随后通过逆变电路将电源从输出端输出，以供给用电器应用。为了更好地实现这些功能必须在这里三个部分各自再加上智能化控制模块，分别是充电器的控制器，电池的检测模块，和逆变电路的控制器，通过系统管理器将三者联络在一起，最终通过变电器滤波以后即可供家中应用。那样在房间内停电时自动放电，在此次应急电源的控制下输出用电量提供必需的家中照灯和简单的生活要求。非停电时间段，充电器自主蓄电，通过检测电池的、电池充电状况，大部分根据先恒流，在恒压的工作方向开展控制。有危险警报控制设备，用以解决一切不能预料的难题，断掉电源防止危险产生。根据检测电池內部电流电压的大小为根据进而控制充电器和輸输出端逆变器的功能等，下边将详细介绍电源的工作原理。2.2主要思路充电接口设置：运用PWM波型输出方法，检测到充电电池的电压达到90%之上时，便会采用波型输出的方法。数值显示设计：运用LCD1602，显示二行数据信息，第一行上显示现阶段电池的电压值，电池充电的电流在第二行上进行显示。断电保护及其警报设计：断电保护电路主要通过继电器控制电源关，通过三级管控制继电器开关，另外在预设值以外的范畴内开展警报，报警电路选用三极管控制。Ad数模转换设计：根据adc0832电子器件开展数模转换，将模拟量转换成数字量。2.3应急电源的功能（1）紧急供电解决家中断电提供必需的生活用电。（2）电源切换作用 完成有电时开展蓄电池电源充电，断电时开展电源放电忙住室内用电。（3）充电控制电池充电开始为恒流快充，后期开展慢速安全的恒压充电方式。（4）电池测试持续进行电池的內部中的电流电压也有温度测量，保证电源安全的运行状态，可以在不一样的情况下实现不一样的作用。2.4方案选择2.4.1智能芯片的选择方案一：选择STM32F103C8T6单片机做为本次设计的主控芯片，该芯片拥有的优点为该芯片的内部功能较为丰富，有很大的存储量，具有很强的可靠性。该单片机通过连接引脚实现对外围的器件的控制。方案二：采用51单片机，51单片机具有内部构造简单，我们只要将撰写好的程序烧录到单片机即可，该单片机是我们最初学习的时候最先接触的一款单片机，而且也是最先使用的一款单片机。针对方案一，虽然该单片机资源较为丰富，而且为后期功能的拓展提供很大的条件，但是还单片机的运算较为复杂，使得该单片机的价格较高。而且代码编写很麻烦，考虑时间和成文的问题，最后放弃使用该芯片。针对方案二，而对应51单片机而言，该单片机是我们上学的时候主要学习的一款单片机，该款单片机的程序代码编写较为容易，而且在可以实现我们此次的功能的基础之上，价格也是同款单片机里面最便宜的，所以最后选择这款单片机作为本次的主控芯片。2.4.2显示部分方案一：选择数码管，只需要将程序发送的脉冲信号传输到数码管上进行显示就可以。方案二：采用液晶显示屏LCD1602。针对方案一，选择数码管。虽然成本很低，但是选择数码管存在很多的缺点：使得设备的体积较大，而且数码管很容易坏，就需要经常更换，导致它使用成本低的这个特点就不存在了。而且显示效果不太好。针对方案二，选择LCD1602液晶显示屏，使用这个液晶屏不但使得我们的结果显示更为的清楚，而且使用液晶屏还可以显示数码管不能显示的一些字符，该液晶屏的功能损耗也很低。所以最后选择使用该方案。2.4.3充电部分方案一：触发器控制电源。方案二：三极管控制继电器。针对方案一，触发器原理主要是用在逻辑芯片部分，此电源控制不太合适，主要就是控制程序调试比较不便。针对方案二，选用继电器电路就很好的完成实际效果了，最先完成三极管小功率控制元器件器件来控制来大电源的逻辑性控制集成芯片，因此大家选用三极管驱动来继电器控制电路。

3.应急电源硬件电路的设计此次涉及到的应急电源控制部分及其电源管理模块，主要对于控制部分做了一下设计，将来也会向这控制部分去研究，下边论文对部分深入进入探讨。硬件电路主要由两部分构成，设计的第一部分是充电器设计，其目地是将之前功能单一的充电器更改为智能化控制的充电器，第二部分的设计是应急电源的逆变电路，根据控制PWM波来产生SPWM来反馈信息控制逆变电路。控制部分电路充电接口设置，标值设计表明，断电保护及其警报设计Ad数模转换设计。系统总体电路图如图1所示：图1系统总体电路图3.1系统框架设计图2系统总体结构框图本设计的核心中控是STC89C52单片机，再辅以其他几个模块就组成了的家用应急电源的整个系统，其中包含控制部分、输入部分和输出部分。其中，控制部分采用了STC89C52芯片，这款单片机使用广泛，性价比高。输入包含三个部分，一个部分是对于模拟的接反过程，使用adc0832模数转换电路，通过直接与单片机相连的adc0832来检测电源端口的电压值以及电流值。输出由三部分组成，分别包括显示、继电器和报警。显示使用了LCD1602液晶屏，用来显示实时的电压电流。继电器相当于开关，控制应急电源的电源，用来达到异常时切断电源的功能。报警主要利用了一个蜂鸣器，当出现异常数据时，蜂鸣器会响，起到报警作用。3.2应急电源部分的研究3.2.1充电器研究本设计的核心中控是STC89C52单片机，再加上别的制模块就构成了的家庭装应急电源的全部系统，其中包括控制部分、输入部分和输出部分。在其中，控制部分选用了STC89C52集成芯片，这款单片机应用普遍，高性价比。输入包括三个部分，一部分是针对模拟的接反过程，应用adc0832AD数模转换电路，通过与单片机相接的adc0832来检测电源端口的工作电压值及其电流。输出由三部分构成，包含显示、继电器和警报。显示应用了LCD1602显示屏，用于显示实时的电流电压。继电器等同于开关，控制应急电源的电源，用于做到出现异常时断开电源的作用。警报主要运用了一个蜂鸣器，当发现异常数据时，蜂鸣器会响，具有警报作用。充电器的两部分分别是整流滤波，和高频率DC/CD转换。由于2个电源开关元器件耐压需超过工作标准电压的二倍，为了更好地摆脱这个问题，用2个具备同样容积和承受工作电压的晶体三极管VT1和VT2和电容器C1和C2具备同样的容积和承受电压特点，能够组成需要的电路。如图3所示，EMI整流保护电路，为了更好地把电源功率完整的输出到设备。因此电路里务必加上一个EMI。为了更好地防止冲击电流量过大容易导致的不良影响，因此采用软起动是必要的。下面的图电阻R和晶闸管SCR所组成的是软起动电路，在电源接通时，滤波电容器C0进行充电时可能造成一个很大的浪涌电流，因而这一软起动电路可使元器件免于损害。EMI和滤波电容的的充电过程完成，将会触发晶闸管使其导通，电阻R将会短接以做到限流的目的。图3充电器主电路充电器的工作原理，最先由EMI滤波器可以将电源功率没什么衰减的传送到设备中，随后还能保护整个设备防止毁坏，高频变压器将交流电流变为直流电流降压随后过滤器将电量传送到电池里。3.3.2控制系统的硬件电路分析充电控制采用STC89C52单片机进行充电控制,运用单片机开展充电电池检测、显示功能和警报功能的实现。3.3单片机STC89C52单片机是我们大学开始学习和使用得较多得一款单片机，虽然目前在现实生活之中，因为其功能或者一些资源太少使得在很多使用之中已经被抛弃了，但是在一些小的设备里面，该单片机却还是是一个不错得选择，目前该单片机不管是使用得技术还是资料都很全面，而且构造简单，很多新手都是可以很好上手的，但是使用该单片机的时候需要注意的是比如P0口，在使用的时候就必须要进行外接一个上拉电阻，不然会造成该单片机电压上拉不够，会使得我们的系统运行不了。或者实现不了我们锁需要的功能。图4STC89C52如图5所示，振动电路的组成是电容和晶振，它是务必存有单片机中的做为小型的数字量的测试单元。图5最小系统3.4显示电路本次选择的显示电路为LCD1602液晶显示屏。该显示屏的显示方式是通过点阵式进行去字模进行的，该显示屏的显示较为清楚，而且这款液晶屏的价格很低，此次选择16脚的显示屏是可以通过引脚的改变调整显示屏的对比度，使得更符合我们锁需要的亮度。点图如下图6所示：图6显示电路3.5ADC模数转换器ADC0832是普遍的也是十分常见的AD数模转换芯片，它是8位A/D芯片，最大能够做到256屏幕分辨率，双通道输出提升了它的精密度，会使adc模拟的数据处在高进度中，三个I/O对应的单片机，2个模拟量输入收集口，自然在功耗层面是很低的，归属于低功耗的产品，在现阶段销售市场上边芯片的封裝也愈来愈变小，都采用更为微量话的方案设计绝大多数都是在使用帖片的，简易便捷。图7AD转换器3.6模拟接反电路如图8所示，通过低电平、二极管、键盘、与高电平连接所形成的接反电路，在仿真全过程中显示出电源接反时的报警系统。图8模拟接反3.7充电开关电路如图9所示，下边主要在程序部分去控制继电器去做为一个开关充电，采用PWM的方式去输出接口，避免不断的充电造成电源被冲爆掉，导致沒有必要的损害，因而在相对性安全的状况下当电池处在90%以下的工作电压时采用恒压快充，等做到之上时才会打开pwm在软件里边打开定时器，完成波型输出控制继电器做到预估的效果。通过变电器、晶闸管及其LED负载连接，可实现根据软件操纵其电源开关。文中采用的是电磁继电器，电能通断以后，操纵磁力吸合，以致于导通两边电路。图9充电开关电路4.系统程序设计4.1编程软件介绍本设计所使用的编程环境是Keil5，相对于其他软件编程环境，Keil5更加的轻便快捷，操作更加的简单，深受广大嵌入式软件开发者的喜爱。4.2主程序流程设计系统的主流程图如图10所示；在主程序中：首先对各个模块进行初始化，随后进入while主循环，在主循环中，首先进入第一个函数监测函数，该函数主要通过调用ADC检测函数，实时监测市电、应急电源电压值；紧接着进入第二个函数显示函数，该函数主要显示当前的市电电压和应急电源电压；紧接着进入第三个函数处理函数，该函数首先判断市电电压值是否大于0，如果大于零，则继电器断开，市电供电；如果等于0，则继电器闭合，应急电源供电，蜂鸣器间断报警；最后，通过一个延时函数和计数公式，限制各函数扫描时间。其部分主程序源码如下所示：voidmain(){ Lcd1602_Init(); //LCD1602初始化 Delay_function(50); //延时50ms lcd1602_clean(); //清屏 Delay_function(50); //延时50ms while(1) {（部分代码省略）…… }}图10程序总体流程图4.3处理函数流程设计处理函数子流程如下图11所示，首先判断市电电压值是否大于0，如果大于0，则代表市电未停电，此时继电器断开，使用市电给各电器供电，蜂鸣器此时停止报警；如果市电电压等于0，则代表市电停电，此时继电器闭合，使用应急电源给各电器供电，蜂鸣器此时间断报警。软件部分程序源码如下所示：voidManage_function(void){ if(voltage_shidian>0)//市电电压值>0，继电器断开，市电供电，蜂鸣器停止报警 { RELAY=1; BEEP=1; }（部分代码省略）……}图11处理函数子流程图实物调试5.1实物总体设计首先要做的是电路焊接，分为十一个模块，分别是电源模块、显示模块、单片机模块、复位电路模块、晶振电路模块、下载模块、独立按键模块、电压检测模块、模数转换芯片、继电器供电模块和蜂鸣器。其中，显示模块采用LCD1602显示实际电源电压和应急电源电压；电压检测模块采用电位器和ADC0832模数转换芯片检测电压值；当断电和应急电源接反时，蜂鸣器间断报警。下图12为焊接完整实物图：图12完整焊接实物图5.2断电实物测试如图13所示，接入电源，测试一切正常后，此时显示实际电源电压和应急电源电压。通过逆时针转动电位器1可模拟断电状态，此时蜂鸣器间断报警，继电器闭合，应急电源打开，如图14所示。图13初始实物测试图图14断电实物测试图5.3调节应急电源电压实物测试如图15所示，在断电时显示的应急电源的电压值为24V，可通过旋转电位器2调整电压值，逆时针旋转电压值减小，顺时针旋转电压值增大，如图16所示。图15初始应急电源电压实物测试图图16应急电源电压调整实物测试图5.4应急电源接反实物测试如图17所示，当应急电源接反时，显示应急电源的电压值为0，继电器断开，蜂鸣器报警。需要注意的是，应急电源长时间接反，会损坏电路板。图17应急电源接反实物测试图结论与展望本次设计应该能实现以下几个关键功能：在LCD1602显示屏上显示数值大小。实现采集家用应急电源端的电压值，且显示在LCD1602上面，实现检测过压以及欠压多少。实现采集家用电源的电源端的电流值，且在1602上面显示出来，实现检测过电流范围。实现不在设定值范围时电源断电，以及报警提示。通过代码的编写，使用Proteus进行仿真，在运行仿真时，通过改变电阻值达到电压的检测，通过仿真模拟，大体实现上述三个功能。滑动电阻器通过和电阻串联使用ADC模数转换芯片，检测两个电阻中间的电压值，经过逻辑运算得到我们所需要的对比值，判断我们得到的对比值，从而控制警示板是否工作；继电器是控制蓄电池是否需要充电。在这次毕业设计中，把我们从书本上学习的东西，通过一些设备，最后实现我们所需要的功能，为我们的生活和社会的发展做出一些贡献。也是比较令人开心的。也是对我大学或者整个读书生涯的一个大的检查。比如简单的说家用电源的充电管理，更大的可以衍生到国家电网的电源管理，我们使用继电器等弱电控制强电的手段，去解决更多更重要的问题。参考文献[1]翁利国,查浩,罗杨茜玥.基于Modbus的快捷应急电源充电状态监测系统研究[J].电气应用,2019,v.38;No.510(12):29-33.[2]郭建军,林丽君,陈红斌,等.基于单片机的家庭报警系统设计[J].黑龙江科技信息,2020,