李琳　戶永杰

摘 要： 針對高校電子類專業(yè)實驗室對電能質(zhì)量日益增高的要求，提出了基于以ARM Cortex2 M3為內(nèi)核的STM32F103RBT6控制的數(shù)字化、智能化在線式UPS電源，給出了各模塊的硬件設計方案和軟件處理流程。相比較于其他控制方式的UPS，其具備穩(wěn)定性較高，結(jié)構(gòu)簡單，效率高，保護功能齊全，智能化程度較高等系列優(yōu)勢。

關鍵字： STM32； UPS； 智能； PWM

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0097?03

0 引 言

目前，國內(nèi)高等院校電子信息類專業(yè)實驗室配備了各種精密的電子設備，這類型的電子設備采用了大量的集成電路，像A/D、CMOS、TTL等。在有諸多優(yōu)勢的同時也存在耐低壓能力低、抗干擾能力差等弱點。電壓電流的不穩(wěn)定，或者強電磁場的干擾往往容導致各種故障，給科研和教學造成巨大的損失[1]。采用UPS供電是避免這類損失行之有效的方法。本文提出一種基于STM32F103RBT6在線式UPS系統(tǒng)設計。除能夠正常供電外還實現(xiàn)了監(jiān)測控制、故障告警、參數(shù)自動測試分析等功能，使維護人員更為輕松、安全、高效地通過互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)查詢、控制等維護工作。

1 系統(tǒng)的整體設計

本系統(tǒng)設計是以STM32微控制器為主控制器，由電池模塊、整流模塊、變壓器、逆變模塊、電壓檢測模塊、電流檢測模塊、語音報警模塊、SD數(shù)據(jù)存儲模塊、人機界面模塊等組成。其工作原理如圖1所示，將市電經(jīng)過系統(tǒng)中整流模塊轉(zhuǎn)化成直流電源，然后再進過逆變模塊將直流電源轉(zhuǎn)變成供電質(zhì)量較高的交流電源。當市電斷電時，快速切換至由蓄電電池向逆變模塊提供直流電源，完后由逆變模塊將直流電源轉(zhuǎn)變成直流電源使系統(tǒng)能夠正常正常工作[2]。

圖1 結(jié)構(gòu)原理圖

2 硬件設計

2.1 微控制器STM32簡介

控制系統(tǒng)主控芯片采用基于ARM Cortex2 M3內(nèi)核的STM32[2]系列的32位閃存微控制器，具有內(nèi)置資源豐富，超低功耗的特點，可以選擇睡眠模式、待機模式，相對于ARM 系列其他芯片，STM32運行速度更快，7個時鐘周期最多可以產(chǎn)生28個精準的信號。同時，其自帶12位A/D和12位D/A，在一定程度上提高設計精度并使外圍電路更為簡潔[3]。

2.2 交流電壓的檢

交流電壓檢測如圖2所示，交流信號經(jīng)離降壓、整流變成直流信號。將直流信號進行分壓、濾波后，送至由 LM358構(gòu)成的射級跟隨器，使輸出的電壓電壓值最大不超過3.3 V，至此將采樣得到的值送至STM32內(nèi)置的AD進行采樣[2]。同時引出一路降壓過后的交流信號經(jīng)LM193A構(gòu)成的頻率采樣電路，將輸出信號經(jīng)光電耦合器PC817b送至STM32捕獲交流信號頻率[4]。

圖2 交流檢測

2.3 直流電壓檢測電路設計

直流電經(jīng)過限流電阻接到霍爾電壓傳感器輸入端， 經(jīng)過霍爾傳感器的處理，將輸出結(jié)果輸入到STM32[4]。

2.4 PWM驅(qū)動電路[5]

STM32F103RBT6輸出的PWM波形幅值只有3.3 V，所以要對單片機輸出的PWM信號進行隔離放大。PWM驅(qū)動電路如圖3所示。其中，PWM信號由STM32F103RBT6定時器TIM1輸出的四路PWM波疊加，從PB0輸出PWM信號經(jīng)過隔離后進入基于集成芯片HCPL3120 的MOSFET 驅(qū)動電路。

圖3 PWM驅(qū)動原理圖

2.5 人機界面模塊

人機界面部分主要包括LCD顯示、鍵盤、報警和通信接口。本設計中人機界面LCD主要顯示交流電壓、直流電壓和溫度。通過按鍵部分能夠調(diào)整溫度和交流電壓的最大值。報警系統(tǒng)指示異常和超限，由一個蜂鳴器和三個紅綠顏色不同的發(fā)光二極管實現(xiàn)。通信接口采用RS 232標準接口用于和電腦連接。

2.6 SD存儲模塊[5]

為了能夠?qū)r間信息及溫度、電壓數(shù)據(jù)進行長時間存儲，系統(tǒng)加入SD卡存儲模塊?？梢杂糜趯PS性能和故障的分析。STM32 芯片自帶有SD卡接口，因此只需將SD 卡座與STM32的SD卡接口直接相連即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫[5]。

3 軟件設計

3.1 SPWM計算程序[6]

本文是利用STM32內(nèi)部產(chǎn)生的四路PWM輸出來產(chǎn)生SPWM信號。這種方法可以直接利用軟件編程產(chǎn)生SPWM 。算法可采用較為簡單的規(guī)則采樣法。規(guī)則采樣法的出發(fā)點是設法在三角載波的特定時刻處確定正弦調(diào)制波的采樣電壓值，使脈沖的起始和終止時刻對稱，這樣就容易計算出對應于每一個SPWM波的采樣時刻，并且只要載波比足夠大，不同的階梯波都很逼近正弦波，所造成的誤差較小，可以忽略不計[7]。根據(jù)上述規(guī)則采樣法，本設計采用查表法，利用STM32的高級定時器TIM1產(chǎn)生四通道輸出SPWM信號。計算程序如圖4所示。

圖4 SPWM計算程序

3.2 整體軟件設計思想[7]

系統(tǒng)軟件流程如圖5所示：系統(tǒng)上電后，首先進行初始化，然后把各個標志位和數(shù)據(jù)清零。清零后檢測故障標志位：過壓標志位（NBOUT_HI）；過流標志（OVERLOAD）；過溫標志位（OVERTEMP）。如檢測到這些標志位則停止PWM波的輸出，并跳轉(zhuǎn)到WAIT狀態(tài)，等待檢測到故障信號消除，系統(tǒng)重新進行軟啟動。如果沒有檢測到故障標志位，則檢查市電是否掉電，如市電壓正常，則開始進行市電正常逆變工作，并開始進行故障檢測，如果輸出電壓、溫度過高則報警并停止逆變器工作切換至由市電直接供電。如果檢測市電異常，則報警并由蓄電池提供直流電源使系統(tǒng)正常工作。

圖5 整體軟件設計原理

經(jīng)測試，智能化數(shù)字UPS電壓波形如圖6所示。

4 結(jié) 論

基于STM32的智能化數(shù)字化在線式UPS實現(xiàn)了輸入市電，輸出電壓范圍為200～240 V的50 Hz的正弦波，而且切換時間在5 s以內(nèi)?；緷M足了實驗室精密儀器用電的要求。文中完整地討論了以STM32單片機為主控芯片的在線式UPS電源的設計，對軟件和硬件設計進行了詳細的介紹。本設計簡化了硬件設計、提高了輸出電壓的穩(wěn)定性。從而可以向精密儀器供更加穩(wěn)定、精確、高質(zhì)量的電壓波形。

圖6 電壓的輸出波形

參考文獻

[1] 劉鳳君.現(xiàn)代逆變技術(shù)及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2] 童詩白，成華英.模擬電子技術(shù)基礎[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3] STMicroelectronics. STM32F103x8/B增強型系列中容量產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊[EB/OL]. [2012?09?01]. http：//www. stmicroelectronics.com.cn/stonline/mcu/MCU_Pages.htm.

[4] 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].4版.北京：機械工業(yè)出版社， 1980.

[5] STMicroelectronics. STM32F10xxx硬件開發(fā)使用入門[EB/OL]. [2012?09?01]. http：//www. stmicroelectronics.com.cn/stonline/mcu/STM32_AN.

[6] K.N.King. C語言程序設計：現(xiàn)代方法[M].2版.北京：人民郵電出版社，2010.

[7] STMicroelectronics. STM32F10xxx參考手冊[EB/OL]. [2012?09?01].http：//www.stmicroelectronics.com.cn/stonline/mcu/MCU_Pages.

圖5 整體軟件設計原理

經(jīng)測試，智能化數(shù)字UPS電壓波形如圖6所示。

4 結(jié) 論

基于STM32的智能化數(shù)字化在線式UPS實現(xiàn)了輸入市電，輸出電壓范圍為200～240 V的50 Hz的正弦波，而且切換時間在5 s以內(nèi)?；緷M足了實驗室精密儀器用電的要求。文中完整地討論了以STM32單片機為主控芯片的在線式UPS電源的設計，對軟件和硬件設計進行了詳細的介紹。本設計簡化了硬件設計、提高了輸出電壓的穩(wěn)定性。從而可以向精密儀器供更加穩(wěn)定、精確、高質(zhì)量的電壓波形。

圖6 電壓的輸出波形

參考文獻

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圖5 整體軟件設計原理

經(jīng)測試，智能化數(shù)字UPS電壓波形如圖6所示。

4 結(jié) 論

基于STM32的智能化數(shù)字化在線式UPS實現(xiàn)了輸入市電，輸出電壓范圍為200～240 V的50 Hz的正弦波，而且切換時間在5 s以內(nèi)。基本滿足了實驗室精密儀器用電的要求。文中完整地討論了以STM32單片機為主控芯片的在線式UPS電源的設計，對軟件和硬件設計進行了詳細的介紹。本設計簡化了硬件設計、提高了輸出電壓的穩(wěn)定性。從而可以向精密儀器供更加穩(wěn)定、精確、高質(zhì)量的電壓波形。

圖6 電壓的輸出波形

參考文獻

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