基于STM32的智能化數(shù)字化在線式UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李琳　戶永杰

摘 要： 針對(duì)高校電子類專業(yè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)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(shè)計(jì)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(hù)功能齊全，智能化程度較高等系列優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵字： STM32； UPS； 智能； PWM

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(shí)驗(yàn)室配備了各種精密的電子設(shè)備，這類型的電子設(shè)備采用了大量的集成電路，像A/D、CMOS、TTL等。在有諸多優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也存在耐低壓能力低、抗干擾能力差等弱點(diǎn)。電壓電流的不穩(wěn)定，或者強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾往往容導(dǎo)致各種故障，給科研和教學(xué)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(shè)計(jì)。除能夠正常供電外還實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)控制、故障告警、參數(shù)自動(dòng)測(cè)試分析等功能，使維護(hù)人員更為輕松、安全、高效地通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、控制等維護(hù)工作。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)模塊、電流檢測(cè)模塊、語音報(bào)警模塊、SD數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、人機(jī)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(jìn)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(dāng)市電斷電時(shí)，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(shè)計(jì)

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(diǎn)，可以選擇睡眠模式、待機(jī)模式，相對(duì)于ARM 系列其他芯片，STM32運(yùn)行速度更快，7個(gè)時(shí)鐘周期最多可以產(chǎn)生28個(gè)精準(zhǔn)的信號(hào)。同時(shí)，其自帶12位A/D和12位D/A，在一定程度上提高設(shè)計(jì)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(cè)如圖2所示，交流信號(hào)經(jīng)離降壓、整流變成直流信號(hào)。將直流信號(hào)進(jìn)行分壓、濾波后，送至由 LM358構(gòu)成的射級(jí)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(jìn)行采樣[2]。同時(shí)引出一路降壓過后的交流信號(hào)經(jīng)LM193A構(gòu)成的頻率采樣電路，將輸出信號(hào)經(jīng)光電耦合器PC817b送至STM32捕獲交流信號(hào)頻率[4]。

圖2 交流檢測(cè)

2.3 直流電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

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(dòng)電路[5]

STM32F103RBT6輸出的PWM波形幅值只有3.3 V，所以要對(duì)單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行隔離放大。PWM驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。其中，PWM信號(hào)由STM32F103RBT6定時(shí)器TIM1輸出的四路PWM波疊加，從PB0輸出PWM信號(hào)經(jīng)過隔離后進(jìn)入基于集成芯片HCPL3120 的MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路。

圖3 PWM驅(qū)動(dòng)原理圖

2.5 人機(jī)界面模塊

人機(jī)界面部分主要包括LCD顯示、鍵盤、報(bào)警和通信接口。本設(shè)計(jì)中人機(jī)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(bào)警系統(tǒng)指示異常和超限，由一個(gè)蜂鳴器和三個(gè)紅綠顏色不同的發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)。通信接口采用RS 232標(biāo)準(zhǔn)接口用于和電腦連接。

2.6 SD存儲(chǔ)模塊[5]

為了能夠?qū)r(shí)間信息及溫度、電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行長時(shí)間存儲(chǔ)，系統(tǒng)加入SD卡存儲(chǔ)模塊。可以用于對(duì)UPS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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫[5]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 SPWM計(jì)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(hào)。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(diǎn)是設(shè)法在三角載波的特定時(shí)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(shí)刻對(duì)稱，這樣就容易計(jì)算出對(duì)應(yīng)于每一個(gè)SPWM波的采樣時(shí)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(jì)[7]。根據(jù)上述規(guī)則采樣法，本設(shè)計(jì)采用查表法，利用STM32的高級(jí)定時(shí)器TIM1產(chǎn)生四通道輸出SPWM信號(hào)。計(jì)算程序如圖4所示。

圖4 SPWM計(jì)算程序

3.2 整體軟件設(shè)計(jì)思想[7]

系統(tǒng)軟件流程如圖5所示：系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，然后把各個(gè)標(biāo)志位和數(shù)據(jù)清零。清零后檢測(cè)故障標(biāo)志位：過壓標(biāo)志位（NBOUT_HI）；過流標(biāo)志（OVERLOAD）；過溫標(biāo)志位（OVERTEMP）。如檢測(cè)到這些標(biāo)志位則停止PWM波的輸出，并跳轉(zhuǎn)到WAIT狀態(tài)，等待檢測(cè)到故障信號(hào)消除，系統(tǒng)重新進(jìn)行軟啟動(dòng)。如果沒有檢測(cè)到故障標(biāo)志位，則檢查市電是否掉電，如市電壓正常，則開始進(jìn)行市電正常逆變工作，并開始進(jìn)行故障檢測(cè)，如果輸出電壓、溫度過高則報(bào)警并停止逆變器工作切換至由市電直接供電。如果檢測(cè)市電異常，則報(bào)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(shè)計(jì)原理

經(jīng)測(cè)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(shí)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(shí)間在5 s以內(nèi)。基本滿足了實(shí)驗(yàn)室精密儀器用電的要求。文中完整地討論了以STM32單片機(jī)為主控芯片的在線式UPS電源的設(shè)計(jì)，對(duì)軟件和硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。本設(shè)計(jì)簡化了硬件設(shè)計(jì)、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(xiàn)

[1] 劉鳳君.現(xiàn)代逆變技術(shù)及應(yīng)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(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2001.

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[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.

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

圖5 整體軟件設(shè)計(jì)原理

經(jīng)測(cè)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(shí)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(shí)間在5 s以內(nèi)。基本滿足了實(shí)驗(yàn)室精密儀器用電的要求。文中完整地討論了以STM32單片機(jī)為主控芯片的在線式UPS電源的設(shè)計(jì)，對(duì)軟件和硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。本設(shè)計(jì)簡化了硬件設(shè)計(jì)、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(xiàn)

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圖5 整體軟件設(shè)計(jì)原理

經(jīng)測(cè)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(shí)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(shí)間在5 s以內(nèi)。基本滿足了實(shí)驗(yàn)室精密儀器用電的要求。文中完整地討論了以STM32單片機(jī)為主控芯片的在線式UPS電源的設(shè)計(jì)，對(duì)軟件和硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。本設(shè)計(jì)簡化了硬件設(shè)計(jì)、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

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