一種簡單而實(shí)用的UPS智能電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　UPS供電系統(tǒng)是電力、通信、銀行等行業(yè)的必備電源，從產(chǎn)生到現(xiàn)在已有幾十年的發(fā)展歷程，在技術(shù)不斷發(fā)展和改進(jìn)的過程中，其保護(hù)功能也在不斷地發(fā)生變化。UPS根據(jù)主機(jī)內(nèi)逆變器的工作狀態(tài)可分為：后備式、在線式及在線互動式。他們的作用是對市電進(jìn)行濾波、穩(wěn)壓調(diào)整，以便向負(fù)載提供更為穩(wěn)定的電壓，同時(shí)，通過充電器把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存在蓄電池內(nèi)，一旦電力中斷、電網(wǎng)電壓或電網(wǎng)頻率超出UPS的輸入范圍，可在極短的時(shí)間內(nèi)開啟自身的儲備電源，向負(fù)載供電。

　　本文所設(shè)計(jì)的UPS智能監(jiān)控系統(tǒng)具備以下環(huán)節(jié)和功能：能在各種復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境下運(yùn)行;在運(yùn)行中不會對市電產(chǎn)生附加的干擾;輸出電性能指標(biāo)應(yīng)該是全面的、高質(zhì)量的，能滿足負(fù)載的各項(xiàng)要求;UPS本身應(yīng)具有很高的效率，有接近實(shí)際市電的輸出能力;是一臺智能化程度很高的設(shè)備，有高度智能化的自檢功能，自動顯示、報(bào)警、狀態(tài)記憶功能以及通訊功能。

　　1 總體設(shè)計(jì)

　　該設(shè)計(jì)由主監(jiān)控單元、交流檢測單元、電池檢測與巡檢單元、饋線檢測及調(diào)壓單元、絕緣監(jiān)察及接地選線單元等單元模塊組成。這些模塊之間通過內(nèi)部RS485進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對電源柜的交流配電、蓄電池充放電過程、電池狀態(tài)、調(diào)壓狀態(tài)、母線對地電阻、饋出線開關(guān)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、控制和報(bào)警處理。整個(gè)系統(tǒng)通過RS232和上位機(jī)進(jìn)行通信以進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計(jì)。

　　2 各單元介紹

　　2.1 主監(jiān)控單元

　　主監(jiān)控單元調(diào)度整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。主監(jiān)控單元由主監(jiān)控板、320x240點(diǎn)陣液晶顯示屏、鍵盤及指示燈等組成，完成蓄電池充放電管理，運(yùn)行及控制參數(shù)的設(shè)定和顯示，告警記錄的存儲、查詢，通過RS232和上位機(jī)通信，通過RS485控制內(nèi)部各單元。

　　2.2 交流檢測單元

　　該單元主要完成三相交流電壓、電流及頻率的采集;同時(shí)具有交流失電、缺相、過壓、欠壓等告警功能;告警時(shí)繼電器告警接點(diǎn)閉合。通過調(diào)節(jié)板上電位器可校正三相交流電壓顯示值。

　　2.3 電池檢測與巡檢單元

　　該單元由電池檢測板和電池巡檢板組成(可選)，主要完成電池組電壓(合母電壓)、充/放電電流、環(huán)境溫度及單體電池電壓的采集;電池熔絲狀態(tài)檢測;可通過輸出模擬電壓、電流給定來控制其他廠家的模塊或相控電源三相觸發(fā)板的電壓或電流給定(具體情況與廠家協(xié)商)，提高了系統(tǒng)的兼容性;按時(shí)計(jì)量;同時(shí)完成合母過欠壓、電池過充、電池饋電及單體電池失效告警等功能;通過調(diào)節(jié)電池檢測板和電池巡檢板上的電位器可分別校正合母電壓和單體電池電壓顯示值。如圖2中所示。

　　2.4 饋線檢測及硅鏈調(diào)壓單元

　　由饋線檢測CPU板、開關(guān)量輸入板組成，實(shí)時(shí)檢測合母和控母的饋線開關(guān)狀態(tài)。通過開關(guān)量擴(kuò)展口，可以檢測24路饋線。當(dāng)出現(xiàn)開關(guān)變位或控母電壓越限時(shí)告警并通過硅鏈自動調(diào)節(jié)控母電壓(最多7節(jié)硅鏈凋壓)。通過調(diào)節(jié)饋線檢測板上電位器可校整控母電壓顯示值。

　　2.5 絕緣監(jiān)察及接地選線單元

　　由絕緣監(jiān)察檢測板和接地選線擴(kuò)展板組成，主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測母線對地電阻，自定位接地支路。當(dāng)母線對地電阻低于告警設(shè)定值時(shí)，告警繼電器閉合;通過接地選線擴(kuò)展口連接接地選線，最多支持24路選線。

　　3 關(guān)鍵電路單元設(shè)計(jì)

　　3.1 電流檢測電路

　　電池充放電電流的大小尤為關(guān)鍵。電路圖如圖1所示，因?yàn)槭羌葯z測充電電流也檢測放電電流，故在小電阻上的電壓又是兩個(gè)方向，在電路檢測中用兩個(gè)通道分別檢測，這樣也便于分別進(jìn)行信號的調(diào)理，同時(shí)也便于用A/D轉(zhuǎn)換器的一個(gè)輸入通道來測量。

　　3.2 合母電壓的監(jiān)測

　　合母電壓監(jiān)測電路如圖2所示。合母電壓流過電阻R16、R17、R54，在電阻R17上取樣，故而電阻R17應(yīng)選用高精度電阻。R16和R54因?yàn)橐入娮鑂17大得多，又是出現(xiàn)在分母上，故而不必選用高精度電阻。LL的作用是抑制共模干擾?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)電位器Rp的大小來使所要監(jiān)測電壓的大小符合A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓要求。

　　3.3 A/D轉(zhuǎn)換

　　A/D轉(zhuǎn)換芯片采用TLV1544。TLVl544的主要特點(diǎn)是：寬范圍的單電源供電，VCC可為2.7～5.5V;芯片內(nèi)部有著較高的轉(zhuǎn)換速率，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于10μs;芯片提供4路外部輸入通道，通過編程給芯片不同的狀態(tài)字設(shè)置可以任意選擇4個(gè)輸入通道之一;芯片有4個(gè)端口作為同步串行接口，通過SPI總線的形式與微處理器連接;11位A/D轉(zhuǎn)換，足以滿足系統(tǒng)的要求。如圖3所示。

　　控制對從選定的通道中輸入的模擬信號的采樣開始。由高變低開始模擬輸入信號的采樣;由低變高使采樣和保持功能處于保持狀態(tài)，并開始模/數(shù)轉(zhuǎn)換。獨(dú)立于輸入/輸出時(shí)鐘信號，當(dāng)為高時(shí)，開始工作。為低的持續(xù)時(shí)間控制開關(guān)電容陣列采樣周期的持續(xù)時(shí)間。當(dāng)不用時(shí)，接高電平。引腳(E0C)在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)變?yōu)楦唠娖絹肀砻鬓D(zhuǎn)換完成。本單元通過查詢EOC電平來判斷是否轉(zhuǎn)換完成從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。

　　3.4 通信電路設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部通過RS485進(jìn)行通信。具體電路如圖4所示。因?yàn)榭刂菩酒疾捎肁T89C52，作為主監(jiān)控單元CPU只有一個(gè)串口，而其并口也沒有充分利用起來，故通過可編程串行接口芯片8250擴(kuò)展串口，用并口來模擬串口。

　　3.5 X5045電路設(shè)計(jì)

　　X5045電路的設(shè)計(jì)如圖5所示。本器件將四種功能合于一體：上電復(fù)位控制、看門狗定時(shí)器、降壓管理以及具有塊保護(hù)功能的串行EEPROM。它有助于簡化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，減少印制板的占用面積，提高可靠性。將其與CPC以SPI總線方式連接，讀寫簡單，其內(nèi)部的EEPROM還可以保護(hù)一些重要數(shù)據(jù)。

　　3.6 系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)

　　采用功能齊全的時(shí)鐘芯片DS1306。DS1306的時(shí)間、日歷和報(bào)警器可以通過寫相應(yīng)的寄存器位來設(shè)置和初始化。通過讀相應(yīng)寄存器就可獲得日歷和時(shí)間。DSl306的電源供給有三種運(yùn)行方式，本系統(tǒng)采用可充電電池的方式，如圖6所示。

　　4 結(jié)語

　　(1)本智能電源監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)電池的特點(diǎn)進(jìn)行智能電池充放電管理，在實(shí)際使用中起到了延長電池使用壽命的作用;

　　(2)各模塊的485通信使得系統(tǒng)具有完善的告警處理及事故追憶功能從而可以全面掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。