基于DS2438的智能直流不間斷電源

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院 張瀚文 周 艷 孟國營

1.引言

隨著控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，信息交換溝通的領(lǐng)域正在覆蓋工廠的現(xiàn)場設(shè)備層到控制、管理的各個(gè)層次；覆蓋從車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場。工業(yè)以太網(wǎng)作為一種成功的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)入市場并在辦公自動(dòng)化和工業(yè)界獲得了廣泛地應(yīng)用[1-2]。它起到了傳輸命令及信號(hào)的重要作用，所以，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)井下交換機(jī)的供電要求越來越高。交換機(jī)一旦斷電，將引起停產(chǎn)甚至重大的安全事故，所以實(shí)現(xiàn)交換機(jī)的不間斷供電是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)的必要條件。本設(shè)計(jì)采用密封鉛酸蓄電池作為備用電源，選用UC390 6DW芯片在交流電掉電時(shí)能自動(dòng)切換到電池供電，實(shí)現(xiàn)了交換機(jī)的不間斷供電。并使用DS2438芯片監(jiān)測電源的剩余電量以及電源的輸出電流和電壓，通過RS-485串口通信與上位機(jī)連接，上位機(jī)使用組態(tài)王設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)顯示電源溫度、輸出電流及電壓、電池剩余電量等參數(shù)。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 基本設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)的輸出2 4 V 直流電由1 2 7 V交流電和蓄電池提供，微控制器采用STC12C5A08S 2，它是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍，內(nèi)部集成8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換、雙串口。當(dāng)127V交流電供電正常時(shí)，對(duì)其進(jìn)行整流穩(wěn)壓，得到30V直流電供電池充電，系統(tǒng)輸出時(shí)再通過DC/DC模塊轉(zhuǎn)換成24V。同時(shí)，使用交流電壓精密測量模塊及微控制器內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)時(shí)監(jiān)測交流電的輸入情況并進(jìn)行顯示。當(dāng)交流電斷電時(shí)，供電管理模塊能自動(dòng)切換到電池供電模式。同時(shí)，供電管理模塊還需要在電池充滿電時(shí)自動(dòng)切斷充電電流，避免電池進(jìn)入浮充狀態(tài)。另外，采用兩片DS2438，一片監(jiān)測電池的充放電電流以及其剩余電量，另一片監(jiān)測系統(tǒng)的輸出電流以及輸出電壓。為核對(duì)電池容量，并使極板有效物質(zhì)得到均勻活化，需要對(duì)電池進(jìn)行定期充放電[3]，由微控制器配合時(shí)鐘芯片完成。系統(tǒng)的人機(jī)交界面由液晶顯示模塊和上位機(jī)兩部分組成，兩部分均通過串口與微控制器連接。液晶顯示模塊和上位機(jī)能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前供電模式、輸入交流電、輸出電流及電壓、電池剩余電量和時(shí)間，同時(shí)，還可通過上位機(jī)切換供電模式和校正時(shí)間。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件部分主要包括AC/DC模塊、供電管理模塊以及DS2438外圍電路幾部分。

2.2.1 AC/DC模塊

AC/DC模塊實(shí)現(xiàn)的主要功能是將127V交流電轉(zhuǎn)換為30V直流電供電池充電和系統(tǒng)輸出。如圖2所示，127V交流電經(jīng)變壓器變壓后進(jìn)行全橋可控整流，將整流后的直流通過電容進(jìn)行濾波，最后進(jìn)行穩(wěn)壓即可得到30V直流電。穩(wěn)壓芯片選用三端可調(diào)節(jié)輸出正電壓穩(wěn)壓器LM317，其電壓輸出范圍為1.2V到37V，可提供超過1.5A的電流，使用內(nèi)部限流、熱關(guān)斷和安全工作區(qū)補(bǔ)償來避免燒斷保險(xiǎn)絲。

交流電壓精密測量模塊采用AD637集成真有效值轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，其最高精度優(yōu)于0.1%，它能將交流輸入信號(hào)的有效值變換成等值的直流電壓，輸入電壓范圍為0～7V[5]。在本電源中，先將127V交流電經(jīng)變壓器降到AD637轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，再使用AD637將其轉(zhuǎn)換為等值的直流電壓，然后使用STC12C5A08S2內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量再乘以變壓比，即可得到交流電壓有效值。通過此值可以判斷電源目前的供電情況。

圖1 智能直流不間斷電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 AC/DC模塊電路圖

圖3 DS2438及其外圍電路圖

圖4 UC3906DW及其外圍電路圖

2.2.2 DS2438外圍電路

本設(shè)計(jì)采用DS2438芯片來實(shí)時(shí)監(jiān)測蓄電池的充放電狀況以及計(jì)算電池的剩余電量。DS2438是一款智能電池監(jiān)測芯片，它使用獨(dú)特的單總線接口，每片DS2438都有一個(gè)唯一的64位序列號(hào)。DS2438芯片能提供全面的電池監(jiān)測功能，它包含一個(gè)數(shù)字溫度傳感器不需要系統(tǒng)額外增加熱敏電阻，一個(gè)測量電池電壓和輸入輸出電流的A/D轉(zhuǎn)換器，一個(gè)能計(jì)算所有流進(jìn)和流出電池電流的集成電流累加器，一個(gè)運(yùn)行時(shí)間計(jì)，以及40字節(jié)用來存儲(chǔ)重要參數(shù)的非易失性EEPROM[6]。

圖5 智能直流不間斷電源系統(tǒng)軟件流程圖

本系統(tǒng)需要兩片DS2438，一片用來監(jiān)測電池的剩余電量，另一片用來檢測系統(tǒng)的輸出電流及電壓。DS2438的電路連接如圖3所示，其中VDD為芯片電源輸入端，其工作電壓范圍是2.4V～10V，此處與單片機(jī)選用一樣的5V供電，VAD為待測電壓輸入端，當(dāng)芯片工作電壓為5V時(shí)，其測量范圍是0V～10V，分辨率為10mV。當(dāng)DS2438收到電壓轉(zhuǎn)換命令時(shí)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果存入兩字節(jié)的寄存器中，供單片機(jī)讀取。電流測量通過測量VSENS+和VSENS-之間的電壓實(shí)現(xiàn)，其測量范圍為-122mV～+122mV，分辨率為0.24414mV，所以，在待測電流回路中加采樣電阻，并將其兩端接在VSENS+和VSENS-腳上，這樣通過采樣電阻的電流即為待測電流。電流轉(zhuǎn)換以36.41次/s的速率自動(dòng)完成，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，自動(dòng)將結(jié)果以補(bǔ)碼的形式存入兩個(gè)字節(jié)的寄存器中，其中高7位為符號(hào)位及擴(kuò)展位，當(dāng)VSENS+端電壓高時(shí)，符號(hào)正，反之為負(fù)，故不需要轉(zhuǎn)換命令，直接讀取寄存器內(nèi)的值并用公式(2)計(jì)算得電流即可。

DS2438內(nèi)部還集成了數(shù)字溫度傳感器，能提供13位的溫度轉(zhuǎn)換，測量精度為0.03125℃，測量范圍為-55℃～125℃。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)循環(huán)讀取DS2438溫度寄存器中的溫度值并顯示出來。另外，DS2438還可以根據(jù)每次電流轉(zhuǎn)換的結(jié)果記錄電池的剩余電量，并存入寄存器ICA。ICA是一個(gè)累積RSENS兩端電壓的8位易失性二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，單片機(jī)循環(huán)讀取ICA寄存器中的數(shù)值并存入非易失性EEPROM，然后用公式(3)計(jì)算得電池的剩余電量并進(jìn)行顯示。

2.2.3 供電管理模塊

UC3906DW是為鉛酸蓄電池設(shè)計(jì)的專用充電控制芯片，它能使鉛酸蓄電池在充電時(shí)達(dá)到最佳狀態(tài)。內(nèi)含電壓和電流比較器用于檢測蓄電池的充電狀態(tài)，并輸出信號(hào)控制電池的充電控制邏輯電路[7]。

鉛酸蓄電池充電電路連接如圖所示，UC3906DW控制電池的4種充電狀態(tài)：涓流充電、大電流充電、過充電、浮充電。若電池電壓過低，芯片控制充電進(jìn)入25mA涓流充電狀態(tài)，避免當(dāng)電池接反或短路時(shí)，過大的充電電流損壞電池。當(dāng)電源供電正常且電池電量不足是，三極管Q1導(dǎo)通，電池進(jìn)入大電流充電狀態(tài)。當(dāng)電池電壓達(dá)到過充電壓的95%時(shí)，電池進(jìn)入過充電狀態(tài)，充電電流下降，當(dāng)其下降到過充電終止電流時(shí)，電池自動(dòng)進(jìn)入浮充狀態(tài)，此時(shí)UC3906DW的第10腳輸出高電平，用于指示電池已充滿電。微控制器通過讀取DS2438的電流寄存器判斷電池當(dāng)前的充放電狀態(tài)，并顯示出來，便于工作人員了解電源的工作狀況。

連接電路如圖4所示，當(dāng)繼電器的常閉觸點(diǎn)閉合時(shí)，二極管D2正向偏置，D3反偏截止，輸出電壓由從電源轉(zhuǎn)換的30V直流電經(jīng)DC/DC模塊得到，同時(shí)30V直流電經(jīng)UC3906D給電池充電。當(dāng)電源掉電或單片機(jī)輸出低電平使線圈得電、常閉觸點(diǎn)斷開時(shí)，D2反偏截止，D3正向偏置，電池經(jīng)過D3為輸出供電。繼電器線圈反接一個(gè)二極管D4，用于消耗繼電器線圈斷電時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢，防止三極管Q2被燒壞。

3.智能不間斷電源的軟件設(shè)計(jì)

基于DS2438的軟件主要由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件組成。上位機(jī)應(yīng)用組態(tài)王對(duì)交流輸入、設(shè)備溫度、輸出電壓、輸出電流、電池剩余電量這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并設(shè)置一個(gè)按鈕用來手動(dòng)切換電源的供電方式。組態(tài)王與下位機(jī)之間采用RS-485進(jìn)行通信，通信協(xié)議采用通用單片機(jī)Hex協(xié)議，每1s刷新一次顯示數(shù)據(jù)。下位機(jī)程序主要由主循環(huán)程序和實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的子程序組成，程序流程圖如圖5所示，其中讀取數(shù)據(jù)并顯示包括時(shí)間、交流輸入電壓、設(shè)備溫度、電池剩余電量、輸出電流及電壓的讀取和顯示。

4.結(jié)語

本文所討論的智能直流不間斷電源，不僅能達(dá)到不間斷供電的設(shè)計(jì)要求，而且能準(zhǔn)確顯示設(shè)備溫度、電池剩余電量、輸出電流及電壓等參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、自動(dòng)化程度高、可靠性好，可有效地保證了工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的不間斷供電，為生產(chǎn)的高效、安全進(jìn)行和數(shù)字化工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供了保障。

[1]周曉兵,費(fèi)敏銳.以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景[J].自動(dòng)化儀表,2001,22(10)：1-4.

[2]陳積明,王智,孫優(yōu)賢.工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀及展望[J].化工自動(dòng)化及儀表,2001,28(6)：1-4.

[3]王慧,胡恒生,胡恩勇.鉛酸蓄電池常見故障分析與預(yù)防措施[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2010(13)：46-49.

[4]劉強(qiáng),楊昉昉.礦用直流不間斷電源的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化,2011(8)：130-133.

[5]李榮武.AD637集成真有效值轉(zhuǎn)換器[J].電測與儀表,1991(3)：36-39.

[6]郭屹松.基于DS2438的智能電池監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào),2008(3)：31-35.

[7]李兵.基于UC3906的免維護(hù)鉛酸蓄電池智能充電器的設(shè)計(jì)[J].設(shè)計(jì)與計(jì)算,2005(11)：94-95.