基于PIC的后备式UPS的实现
基于PIC的后备式UPS的实现,基于,PIC,后备,UPS,实现
第 2 8 卷第 1 2 期 2 0 O 4 年 1 2 月 信息技术 F O RMAT【O N TE C HNOI O GY VO L 2 8 NO 1 2 D e c 2 0 0 4 基于 P I C的后备式 U P S的实现 张先庭,周 伟 (武汉理工大学信息学院,武汉 4 3 0 0 7 0)摘 要:介绍 了 P I C 1 6 C 7 3 B单 片机和 它的特 点。分析 了后备 式 U P S的基 本原 理。并结合 P I C 1 6 C 7 3 B给出了一种后备式 U PS 实现的实例。文章对后备式 U PS 设计中的关键参数及其处理方 法进行了详细介绍。并且根据硬件设计框图,具体分析了后备式 U PS 的逆变过程和相关的软件 编 程。关键词:P I C 1 6 C 7 3 B;U PS;逆变电路;软件编程 中图分类号:T P 3 0 3 3 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9 2 5 5 2 2 0 0 4)1 2 0 0 4 3 0 3 I mp l e me n t a t i o n o f b a c k u p UP S b a s e d o n P I C Z HA NG X i a n ri n g。Z H0 U W_e i (S c h o o l o f I n f o r ma ti o n E n g i n e e r i n g o f Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y-Wu h a n 4 3 0 0 7 0-C h i n a)A t r a c t:T h e MC U o f P I C1 6 C 7 3 B a n d i t s f e a t u r e a r】e i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r I t h a s a l s o analy s ed the g e n e r a l p ri n c i p l e o f b a c k u p U PS I n a d d i t i o n,t h i s p a pe r h as also p r o v i d e d a l l e x a mp l e o f d e s i g n o f b a c k u p U PS b a s e d o n P I C1 6 C 7 3 BT h e k e y p a r a me t e r s o f s y s t e m and me t h 0 d o f p r o c e s s i n g a l e a l s o i n t r o d u c e d d e t a i l e d l y Ac c o r d i ng t o t h e h a r d w a r e b l o c k d i a g r a m,the rev e r s e p r o c e s s o f b a c k u p U PS a n d r e l a t e d sof t w a r e p r o g r a mmi ng a I e a l s o analy s e d i n t h i s p a pe r Ke y wo r d s:P I C 1 6 C 7 3 B;UPS;rev e r s e c i r c u i t;soft wa r e p r o g r a mmi ng 随着网络时代的到来,不间断电源(U n in t e r r u p-t a b l e P o w e r S y s te m,U P S)已经由独立的外设发展成为 整个计算机和网络系统不可分割的一部分。因而不 断提高 U P S电源的价格性能比已成为人们探索和 研究的课题。本文介绍了基于 P I C 1 6 C 7 3 B为 C P U 的小型,实用,高性能价格 比的后备式 U PS 电源的 硬件设计方案及相关的关键部分软件编程。1 P I C 1 6 C 7 3 B单片机的介绍 P I C 1 6 C 7 3 B单片机是 M i c r o c h i p 公司生产的 P I C 系列单片机。它的工作电压范围2 5 V 5 5 V。当 5 V 供电时,在工作频率为 4 M H z 的情况下,典型电 流值小于 5 m A。其外部提供 2 8个引脚,具有 S P I I 2 C 接口和 5 个 A D通道。各引脚的功能(输入 输 出 模拟等)由编程指定。内部具有 3 个定时器和 2 个捕获器并提供 1 1 个中断源。它的存储器容量为 4 k 1 4 B i ts,数据存储器容量为 1 9 2 8 B i ts。内部采 用哈佛总线的简单指令结构,且数据总线和命令总 线采用不同的总线宽度。这样一方面便于指令提取 的“流水线作业”,提高指令执行的速度,另一方面,提高了代码的压缩率。2 后备式 U P s的工作原理及实现 2 1 后备式 U P S 一般性原理 后备式 U P S 是当市电输入正常时,负载由市 电 供电。而当市电输入异常时,由后备电池通过逆变 把直流电转变为交流电(D C A C)给负载供电的一种 U PS 电源。它由充电电路,逆变器,蓄电池组,切换 开关,输出变压器和控制电路组成,见图 1。其中逆 变器仅由蓄电池供 电,即市电正常时,逆变器不工 收稿 日期 2 0 0 4 0 51 7 作者简介:张先庭(1 9 7 0 一),男,汉族,湖南衡阳人,武汉理工大学信 息工程学院在读硕士,工程师,主要从事嵌入式产品的开 发研究。一4 3 维普资讯 http:/ 作。当在逆变状态时,输出方波电压。输出变压器 在市电正常情况下起交流稳压器的功能。在逆变时 起变压器的作用。后备式 U P S 大致 的工作过程叙 述如下:市 虫 输 入 图 1 后备式 U P S 原理图(1)当市电输入正常时(在允许的电压或频率波 动范围),U P S 工作在市电旁路工作状态,转换开关 切换到市电输入端。输入市电经转换开关接至由输 出变压器构成的交流稳压模块后负载供电。稳压功 能是由C P U控制不同继 电器触点而改变变压器源 级和次级的匝数比来完成的。(2)当市电出现故障时(无市电,市电过高或过 低,频率超过允许范围)。U P S 工作在后备状态。它 启动逆变器并将切换开关切换至逆变器端,由蓄电 池经逆变后转换为交流电给负载供 电。这时 U P S 输出 P WM方波。逆变后电压的调整则是通过调节 P WM的占空比实现的。2 2 系统的结构框图 在后备式 U P S中,由于需要对输入市 电值,逆 变后反馈的电压值,蓄电池的电压值及过流值等多 个模拟信号行采样。因此基于多方面考虑,设计中 采用 P I C 1 6 C 7 3 B作为控制 C P U(它有 5 个 串行模拟 A I D端口)。图 2 为 P I C及其外围接口的 U P S 框图。图 2 P I C及其外围接口的 U P S 框图 图中&N O,A N 1,A N 3,A N 5 都是带串行 MD转换 功能输入脚。它们分别对应过流,输出反馈电压,蓄 电池电压,市电输入电压这些模拟信号。通过定时 对这些端口信号进行采样,可以计算出相应的值并 根据系统要求执行相应的任务。R e la y l,R e l a y 2,R e,la y 3 是继电器的控制信号。这些继电器分别接到变 压器次级的不同抽头上。这样,当输入市电压和频 率在允许的范围内时,控制 R e la y l,R e l a y 2,R e la y 3三 个输出信号就可以改变变压器的源次级匝数比。进 而调整输出电压。F r e q 脚是用于检测频率用的。输 入频率的检测是通过在给定的时间周期内计算 F r e q 脚的脉冲数来完成。P W M 0,P WM 1,P W M 2 是在逆变 时产生 P WM信号用的。I_ o a d脚也是接 P I C的串行 MD脚。逆变时由它可检测负载是否过载。其它如 显示,串行通信(1 X D,R)(D)就不再叙述。2 3 系统关键参数的处理 在后备式 U P S电源中,逆变之前 的输入电压,-4 4-及频率范围,市电输出稳压值,逆变输出稳压值,过 流和过载关断时间,以及市电和逆变两种状态切换 的切换时间都是反映 U P S性能的重要参数。系统 对这些参数处理方法如下:系统每隔 l m s 采样一次 市电的电压值和每隔2 0 m s 计算一次频率,如果发现 它们不在允许 范围内(电压 1 6 52 7 5,频率 5 0 5),则 5 m s 后立即启动逆变电路,由电池供电。在 逆变过程中如果发现市电正常,因为这些已有电池 供电,则可以在 8 m s 后切换到市电状态。市电的稳 压是根据采样市电的电压值来动态控制 R e l a y l,R e,l a y 2,R e l a y 3 完成的。逆变时的稳压是通过反馈来的 逆变电压值,通过改 P WM的占空 比完成。对于后 备式 U P S,如果出现过流现象,则系统必须立即切断 负载。因此系统每隔 0 5 m s 采样一次过流值,如果 出现过流,则 R e la y l,R e l a y 2,R e la y 3同时与市电断开 以切断负载。由于逆变时过载容易缩短电池和器件 的寿命,因此,系统每隔 2 m s 进行一次过载采样,如 维普资讯 http:/ 果发现过载,则发出报警信号以通知用户关机(报警 电路驱动没在框图中画出)。如果 3 0 s 后尚来关机,则系统自行关机。2 4 逆变过程的分析 在后备式 U P S中,逆变电路是其核心,下面给出 其原理图,并予以分析。设 M,0,N点的电动势分别 为 U m,U o,U n。且 M,N之间的电压为 U m n=U m U n o则有:(1):当 P WM1 为高时,三极管 Q 9 导通,M O S F E T 管 Q 1 6 截止 U m=1 2 V。(2):当 P WM1 为低时,三极管 Q 9 截止,M O S F E T 管 Q 1 6 导通,U m=0 V。电路中 R 4 5,D 8 起嵌位保护作用,使三极管 Q 9 的基极电压都低于 5 3 V以便保护 Q 9,13 9,D 1 4,Q 1 2 完成吸收保护电路,当开通 Q 1 2 则 Q 1 6 的栅极都为 低而被截止。从而使其得到保护。P W M 2的控制结 构与 P W M1 相同。这样如果 P WM 1 为低,P WM 2为高。则 U m n:U mU n=01 2=一1 2 V。如果 P W M1为高,而 P WM 2 为低,则 U m n=1 2 V。同理当 P W M1 和 P W M 2 都为高时U m n=0 V。系统中不允许 P W M1 和 P WM 2 都为低情况。因为如果这样,P W M1 和 P WM 2 驱动 的两个 M O N S E I ITM 管将同时开通而易被损坏。图 3 为 P WM 0,P W M1,P W M2 驱动的一种时序图。PWMl I二口口 P W MO PWM2 Um Un Umn 厂 1 r I _ I 厂厂 厂厂厂 厂广 图 3 逆变过程 P WM时序 图 3 系统关键部分程序 系统程序主要由初始化块,采样模块,显示模 块,市电正常时调压模块,逆变模块及通信模块组 成。其中采样是在是时器中断完成。限于编幅只给 出逆变模块程序,其它模块不再赘述。程序在执行过程中一直在监控市电的电压,频 率和相位。如果市电异常,程序根据异常时的市电 相位关系来确定是先开通 P WM 1 还是 P W M 2。以保 证输出电压平滑,相位连续。同样在逆变过程中,如果检测市电正常,也要考虑 P WM 1,P WM 2 关断的 先后。在逆变的过程中,如果检测到电池电压偏低 或负载过重则要切断负载。以下是逆变子程序。其 中 P WM D U T Y 1 0 M S 是半周期的时间,P WM R a te T im e r 是在半周期中高电位时间宽度。它是在逆变过 程中,根据反馈电压值实确是的。改度 P W M R a t e T im e r 的值就可改变输 出P W M方波的占空比,达到 逆变时自 动调压目的。C O N V E R T D E A L()i f(P WMS t a t a u s=P WM一 n );是否刚开始 逆变?if(V i q C n t&0 x it 0 0)0)J(F r e q C n t=P WMD U 1 T Y一1 0 M S)S t a r tP W M 2();相差大于 2 0 M S 或相差 小于半周期,启动同相端 P WM 2 e l s e S t a r tP WM 1();相差大于半周期启动 反向端 e l s e i f(P WM S t a t a u s=P WM1一I NP R OC&P WMR a t eT i m e r=0)P WM1=1;P WM 0=0;P WM 1 脉宽时间到,则启动吸收端 P WM 0 i f(P WMD u t yT i m e r=0);S t a r tP W M 2();吸收端时间到则又把状 态切换到 P W M 2 状态 e l s e i f(P WMR a t eT i m e r=0)P WM2=1;p w m0=0;i f(P WMD u t yT i m e r=0)S ta r tP WM 1();状态切换到状态 1 参 考 文 献:1 智能化 U P S 供电系统原理与维修 M 北京:北京工业出版 社 1 9 9 9 2 窦振中 P I C 单片机系统原理及程序设计 M 北京:北京航空、航天大学出版社,2 O 0 O 责任编辑:杨立民 一4 5 维普资讯 http:/
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