1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 数字式直流不间断电源的设计 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 随着信息技术的发展，不间断电源（通常指的是交流不间断电源）已经广泛地应用于各生产领域，但传统的不间断电源，为了提供交流输出 ，不得不在设备中加入逆变器这一复杂器件，再加之大多采用模拟电路控制，导致设备体积庞大、电路复杂、元件易老化、故障频繁等缺点。 半导体器件的耐压和开关性能的提高 ，DSP、 ARM、单片机等高速处理芯片的出现，成为数字化控制 直流 不间断电源新理念 提出的 重要前提 。 直流不间断电源本身取消了大功率逆变电路及其
2、相关电路， 引入数字化控制技术后可以进一步优化产品设计，有效提高输出电压的稳定性，从而实现 UPS 设备的 低生产成本、低运行成本、高效率和高可靠性。 本论文提出了一种基于 AVR 单片机的在线数字式直流不间断电源。该直流不间断电 源旨在提供额定功率 100W 的 稳定 24V 直流输出，能在电网供电停止后继续为负载供电 2 小时以上，且断电后蓄电池供电切换时间小于 10ms。它可用于 监控、保安系统等领域，如可作为消防、轨道交通领域的备用电源。 文章首先对当前提出的不间断电源设备的一般结构、功能进行分析、综合，在其基础上，选择了一种基于 AVR 单片机的在线式 UPS 的系统结构。随后本文围
3、绕着如何合理控制不间断电源蓄电池充、放电的问题，系统地分析设计了不间断电源各模块的功能以及软、硬件实现方案。紧接着，文章还对设计过程中的一些重点内容进行进一步扼要的说明。 最后通过电网不同供电情形的模拟对设计的不间断电源输出电压进行测试，发现本设计不仅顺利完成了直流不间断供电任务，还做到了对供电状态的实时检测与监控工作。 关键词： 数字控制，不间断电源， DC-UPS，蓄电池充电， AVR 单片机 II The design of digital DC-UPS Abstract With the development of information technology, Uninterrup
4、tible 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 mostly controlled by simulation circuits, causing lots of shortcomings such as the complex circuit, the aging of components the freque
5、nt breakdowns etc. The improvement of semiconductor decive and the digital high-speed chips such as DSP, ARM and MCU, make it a new concept to a kind of new UPS product which is called the digital controlled DC UPS. DC UPS itself cancelled the high-power inverter circuits and its related circuits, w
6、ith introducing digital control technology improve the output voltage stability, thus can make UPS a reality of low production cost, low cost of operation, high reliability and high efficiency. This thesis introduces the software and hardware design based on AVR MCU of a digital DC uninterrupted pow
7、er supply. The uninterrupted power supply 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 mainly used in most monitoring and securit
8、y system, such as fire protection, rail traffic areas of emergency power supply. Firstly, the thesis analyses the main structure of the current DC UPS comprehensively, basing on which, it chooses a based on AVR MCU on-line UPS system structure. Then the thesis systematically analyses and designs eve
9、ry uninterrupted power supply modules function and the scheme to implement 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 process were summarized
10、 in description. Finally through the simulation of different grid supply situation, do a measurement of the uninterrupted power supply output voltage, found this design successfully completed the task of dc 24V uninterrupted power supply, and also have a detection of the power supply condition real-
11、timely. Keywords: Digital Control, Uninterrupted Power Supply, DC-UPS, Charge of Storage Battery, AVR MCU III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 课 题的来源 . 1 1.1.1 UPS 概述 . 1 1.1.2 电网供电的缺点 . 1 1.1.3 UPS 的功能 . 2 1.1.4 UPS 的分类 . 2 1.2 不间断电源在国内外发展现状 . 5 1.2.1 不间断电源总体研究现状 . 5 1.2.2 不间断电源在国外的研究现状 . 6 1.
12、2.3 不间断电源在国内的研究现状 . 6 1.3 不间断电源的发展趋势及课题研究方向 . 7 1.3.1 不间断电源的发展趋势 . 7 1.3.2 课题研究意义 . 8 1.3.3 课题主要研究内容 . 8 2 总设计方案研究路线的设计与分析 . 9 2.1 设计方案 . 9 2.2 方案评价 . 9 2.3 研究路线 . 10 3 数字式直流不间断电源硬件部分的设计 . 11 3.1 电压检测 . 11 3.1.1 蓄电池电压检测 . 11 3.1.2 输入电压采样 . 12 3.2 蓄电池电流检测 . 12 3.3 蓄电池充放电电路 . 13 3.4 数码管显示电压电流 . 14 3.5
13、 小结 . 15 4 数字式直流不间断电源软件程序的设计 . 16 4.1 软件部分完成的任务 . 16 4.2 系统的软件结构 . 17 4.2.1 主程序结构 . 18 4.2.2 中断服务子程序流程图 . 19 4.3 小结 . 19 IV 5 设计说明 . 20 5.1 蓄电池合理充电方案的说明 . 20 5.1.1 蓄电池基本充电方法 . 20 5.1.2 蓄电 池充电方法选择 . 20 5.2 HCPL-7840 芯片的说明 . 20 5.3 Boost 升压电路的说明 . 21 5.4 ATmega48 ADC 模块的说明 . 22 5.5 芯片及单片机取电问题的说明 . 23
14、6 设计成果与展望 . 24 6.1 设计成果 . 24 6.2 展望 . 26 参考文献 . 28 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 30 附录 1 实物照片 1. 30 附录 2 实物照片 2. 31 附录 3 软件代码（部分） . 32 附录 4 电路原理图 . 34 直流不间断电源的设计 1 1 绪论 1.1 课题的来源 1.1.1 UPS 概述 UPS(Uninterruptible Power supply)，即不间断电源， 是指当交流电网（市电）输入发生异常时，可持续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响的供电装置 1。 不间断电源依据其向负载提供的是交流电还是
15、直流电可分为两大类型，即交流不间断电源和直流不间断电源。由于直流不间断电源 (DC-UPS)的概念是近几年才提出来的，所以通常我们说的 UPS 指的是交流不间断电源(AC-UPS)。 UPS 一般由蓄电池、逆变器和控制电路组成，一端连接电网另一端连接电器负载。在电网电压正常的情况下，不间断电源利用电网电源为自身充电，在电网出现异常的时候，不间断电源将存储于电池中的电能释放，供负载使用。不间断电源的出现为改善电网质量，提高电力电子设备运行可靠性起了关键的作用。 不间断电源基本结 构图如图 1.1 所示： 图 1.1 不间断电源基本结构图 1.1.2 电网供电的缺点 随着电气化技术的不断发展，电器
16、设备、电器产品的广泛应用，要求供电市电有更高的质量。实际的市电电网其实本身是很不稳的，这是因为造成电网污染的因素，除了众所周知的电压波动、频率变化外，还有来自电网外部、内部的各种噪声和干扰。它们主要有以下几种：浪涌（ power surger），高压尖脉市 电 蓄电池 部分 UPS 控制 电路 负 载 不间断供电 逆变器 直流不间断电源的设计 2 冲（ high voltage spikes），瞬态高压干扰（ switching transients），电压下陷（ power sages），噪声电压，过压，欠压，谐波畸变，电源中断等 1,2。一些 实时性很强的重要系统、重要部门和重要的用电设备
17、对供电质量的要求和我国的电网实际状况的矛盾日益尖锐。 1.1.3 UPS 的功能 UPS 的主要有以下功能 1,3 （ 1）双电源之间的无间断切换 ; （ 2）频率变换功能，可以将输入电压的频率变成需要的频率 ; （ 3）电压变换功能，可以将输入电压变换成需要的电压 ; （ 4）隔离功能，将瞬间间断、谐波、电压波动、频率波动以及电压噪声等电网干扰阻挡在负载之前，既可使负载对电 网不产生干扰，又可使电网中的干扰不影响负载 ; （ 5）后备功能， UPS 带有蓄电池，储存一定的能量，在电网停电或发生故障时可继续供电一段时间。 1.1.4 UPS 的分类 目前市场上已经有不同类型的 UPS，按输出波
18、形可分为正弦型、近似正弦型（用阶梯方波来拟合正弦波）等。 按 UPS 的工作方式可分为在线式（ On-Line UPS）、后备式（ Off-Line UPS）和在线互动式（ Line-Interactive UPS）三大类，其中在线式又可分双变换在线式和双逆变电压补偿在线式两种类型 1,2,10。 （ 1）后 备式 UPS 电源 它是静止式 UPS 的最初形式，应用广泛，技术成熟，一般只用小功率范围，电路简单，价格低廉。这种 UPS 对电压的频率不稳、波形畸变以及从电网侵入的干扰等不良影响基本上没有任何改善 。 后备式 UPS 电源控制电路如图 1.2： 图 1.2 后备式 UPS 自动稳压器
19、 充电器 DC/AC 逆变器 转换 开关 蓄电池 输入 输出 直流不间断电源的设计 3 其工作性能特点 为 ： 1) 市电利用率高，可达 96%。 2) 输出能力强，对负载电流波峰因数、浪涌系数、输出功率因数、过载等没有严格的限制。 3) 输出转换开关受切换电流能力和动作时间限制。 4) 输入功率因数和输入电流谐波取决于 负载性质。 （ 2） 在线互动式 UPS 电源 “在线”的含义是逆变器工作，但不输出功率，处于热备份状态，同时兼顾对电池充电，增大了 UPS 在市电正常时的功率容量，并减少了在市电中断时的转换时间，提高了输出电压的滤波作用，属于并联功率调整方式，输出功率多在 5kVA 以下。
20、 在线互动式 UPS 如图 1.3： 图 1.3 在线互动式 UPS 其工作性能特点： 1) 市电利用率高，可达 98%。 2) 输出能力强，对负载电流波峰因数、浪涌系数、输出功率因数、过载等没有严格的限制。 3) 输入功率 因数和输入电流谐波取决于负载性质。 4) 变换器直接接在输出端，并处于热备份状态。对输出电压尖峰干扰有抑制作用。 5) 输入开关存在断开时间，致使 UPS 输出仍有转换时间，但比后备式小得多。 6) 变换器同时具有充电功能，且其充电能力很强。 7) 如在输入开关与自动稳压器之间串接一电感，当市电掉电时，逆变器可立即向负载供电，可避免输入开关未断开时，逆变器反馈到电网而出现
21、短路的危险。 自动稳压器 充电器 DC/AC 双向逆变 器 输入 输出 蓄电池 直流不间断电源的设计 4 （ 3） 双变换在线式 UPS 电源 双变换在线式 UPS 如图 1.4 所示。 它是属于串联功率传输方式。当市电存在时，实现 AC DC 转换功能，一方面向 DC AC 逆变器 提供能量，同时还向蓄电池充电。该整流器多为可控硅整流器，但也有 IGBT PWM DSP 高频变换新一代整流器。当逆变时，完成 DC AC 转换功能，向输出端提供高质量电能，无论由市电供电或转向电池供电，其转换时间为零。当逆变器过载或发生故障时，逆变器停止输出，静态开关自动转换，由市电直接向负载供电。静态开关为智
22、能型大功率无触点开关。 图 1.4 双变换在线式 UPS 其工作性能特点： 1) 不管有无市电供应，负载的全部功率都由逆变器提供，保证高质量的电力输出。 2) 由于全 部负载功率都由逆变器提供，因而 UPS 的输出能力不理想，对负载提出限制条件，如负载流峰值因数，过载能力，输出功率因数等。 3) 对可控整流器还存在输入功率因数低，无功损耗大，输入谐波电流对电网产生极大的，当然，若使用 IGBT PWM DSP 整流技术成功率因数校正技术，可把输入功率因数提高到接近 1。 （ 4） 双逆变电压补偿在线式 UPS 电源 双变换电压补偿在线式 UPS 如图 1.5 所示。 此项技术是近些年提出来的，
23、主要是把交流稳压技术中的电压补偿原理 (Delta 变换 )应用到 UPS 的主电路中，产生一种新的 UPS 电路结构型式，它属 于串并联功率传输。 其工作性能特点： 1) 逆变器 (II)监视输出端，并与逆变器 (I)参与主电路电压的调整，可向负载提供高质量的电能。 2) 市电掉电时，输出电压不受影响，没有转换时间；当负载电流发生畸变时，由逆变器 (II)调整补偿，因而是在线工作方式。 AC/DC 整流器 DC/AC 逆变器 静态 开关 蓄电池 输出 输入 直流不间断电源的设计 5 3) 当市电存在时，逆变器 (I)与 (II)只对输入电压与输出电压的差值进行调整与补偿，逆变器只承担最大输出
24、功率的 20%，因而功率余最大。过载能力强。 图 1.5 双变换补偿在线式 UPS 4) 逆变器 (I)同时完成对输入端的功率 因数校正功能。输入功率因数可达到 0.99，输入谐波电流 3%。 5) 在市电存在时，由于两个逆变器承担的最大功率仅为输出功率的 1/5，因此整机效率可达到 96%。 6) 在市电存在时，逆变器 (II)功率强度仅为额定值的 1/5，因此功率器件的可靠性必然大大幅度提高。 7) 由于具有输入功率因数补偿，因而有节能效果。 1.2 不间断电源在国内外发展现状 1.2.1 不间断电源总体研究现状 在使用电池的时代之前，不间断电源曾经使用飞轮和内燃机为负载提供电能供应，这种
25、不间断电源被称为飞轮式或旋转式不间断电源 4。飞轮式不间断电源由整流 器、直流电动机、飞轮、柴油机（或汽油机）及发电机等组成。在电网供电的情况下，由整流器提供的直流电驱动电动机带动飞轮旋转，并且带发电机为负载供电。由于飞轮的惯性作用，发电机转速可以保持均衡，此时不间断电源起过滤电网干扰的作用。当电网断电后，飞轮继续带动发电机的转子旋转，同时启动柴油机带动发电机发电，替代原有电网为负载供电。 市面上广泛使用的不间断电源产品，即传统的交流不不间断电源由电池组、逆变器和控制电路组成，一端连接电网另一端连接电器负载。在电网电压正常的情况下，不间断电源利用电网电源为自身充电，在电网出现 异常的时候，不间断电源将存储于电池中的电能释放，供负载使用。 AC/DC 逆变器 I DC/AC 逆变器 II 蓄电池 输出 输入
