基于DS2438的智能直流不間斷電源

中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院 張瀚文 周 艷 孟國營

1.引言

隨著控制、計算機、通信、網絡等技術的發(fā)展，信息交換溝通的領域正在覆蓋工廠的現場設備層到控制、管理的各個層次；覆蓋從車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場。工業(yè)以太網作為一種成功的網絡技術進入市場并在辦公自動化和工業(yè)界獲得了廣泛地應用[1-2]。它起到了傳輸命令及信號的重要作用，所以，工業(yè)生產對井下交換機的供電要求越來越高。交換機一旦斷電，將引起停產甚至重大的安全事故，所以實現交換機的不間斷供電是當前工業(yè)生產的必要條件。本設計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能自動切換到電池供電，實現了交換機的不間斷供電。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串口通信與上位機連接，上位機使用組態(tài)王設計人機交互界面，實時顯示電源溫度、輸出電流及電壓、電池剩余電量等參數。

2.硬件電路設計

2.1 基本設計思路

本設計的輸出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、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍，內部集成8路高速10位A/D轉換、雙串口。當127V交流電供電正常時，對其進行整流穩(wěn)壓，得到30V直流電供電池充電，系統(tǒng)輸出時再通過DC/DC模塊轉換成24V。同時，使用交流電壓精密測量模塊及微控制器內部集成的A/D轉換器，實時監(jiān)測交流電的輸入情況并進行顯示。當交流電斷電時，供電管理模塊能自動切換到電池供電模式。同時，供電管理模塊還需要在電池充滿電時自動切斷充電電流，避免電池進入浮充狀態(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。為核對電池容量，并使極板有效物質得到均勻活化，需要對電池進行定期充放電[3]，由微控制器配合時鐘芯片完成。系統(tǒng)的人機交界面由液晶顯示模塊和上位機兩部分組成，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能實時顯示當前供電模式、輸入交流電、輸出電流及電壓、電池剩余電量和時間，同時，還可通過上位機切換供電模式和校正時間。系統(tǒng)整體結構如圖1所示。

2.2 硬件電路設計

本設計硬件部分主要包括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模塊實現的主要功能是將127V交流電轉換為30V直流電供電池充電和系統(tǒng)輸出。如圖2所示，127V交流電經變壓器變壓后進行全橋可控整流，將整流后的直流通過電容進行濾波，最后進行穩(wěn)壓即可得到30V直流電。穩(wěn)壓芯片選用三端可調節(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，使用內部限流、熱關斷和安全工作區(qū)補償來避免燒斷保險絲。

交流電壓精密測量模塊采用AD637集成真有效值轉換器實現，其最高精度優(yōu)于0.1%，它能將交流輸入信號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交流電經變壓器降到AD637轉換范圍內，再使用AD637將其轉換為等值的直流電壓，然后使用STC12C5A08S2內部集成的A/D轉換器將其轉換為數字量再乘以變壓比，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)結構圖

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

本設計采用DS2438芯片來實時監(jiān)測蓄電池的充放電狀況以及計算電池的剩余電量。DS2438是一款智能電池監(jiān)測芯片，它使用獨特的單總線接口，每片DS2438都有一個唯一的64位序列號。DS2438芯片能提供全面的電池監(jiān)測功能，它包含一個數字溫度傳感器不需要系統(tǒng)額外增加熱敏電阻，一個測量電池電壓和輸入輸出電流的A/D轉換器，一個能計算所有流進和流出電池電流的集成電流累加器，一個運行時間計，以及40字節(jié)用來存儲重要參數的非易失性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，此處與單片機選用一樣的5V供電，VAD為待測電壓輸入端，當芯片工作電壓為5V時，其測量范圍是0V～10V，分辨率為10mV。當DS2438收到電壓轉換命令時啟動AD轉換，并將結果存入兩字節(jié)的寄存器中，供單片機讀取。電流測量通過測量VSENS+和VSENS-之間的電壓實現，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。電流轉換以36.41次/s的速率自動完成，每次轉換結束后，自動將結果以補碼的形式存入兩個字節(jié)的寄存器中，其中高7位為符號位及擴展位，當VSENS+端電壓高時，符號正，反之為負，故不需要轉換命令，直接讀取寄存器內的值并用公式(2)計算得電流即可。

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

2.2.3 供電管理模塊

UC3906DW是為鉛酸蓄電池設計的專用充電控制芯片，它能使鉛酸蓄電池在充電時達到最佳狀態(tài)。內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，芯片控制充電進入25mA涓流充電狀態(tài)，避免當電池接反或短路時，過大的充電電流損壞電池。當電源供電正常且電池電量不足是，三極管Q1導通，電池進入大電流充電狀態(tài)。當電池電壓達到過充電壓的95%時，電池進入過充電狀態(tài)，充電電流下降，當其下降到過充電終止電流時，電池自動進入浮充狀態(tài)，此時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，當繼電器的常閉觸點閉合時，二極管D2正向偏置，D3反偏截止，輸出電壓由從電源轉換的30V直流電經DC/DC模塊得到，同時30V直流電經UC3906D給電池充電。當電源掉電或單片機輸出低電平使線圈得電、常閉觸點斷開時，D2反偏截止，D3正向偏置，電池經過D3為輸出供電。繼電器線圈反接一個二極管D4，用于消耗繼電器線圈斷電時產生的反向電動勢，防止三極管Q2被燒壞。

3.智能不間斷電源的軟件設計

基于DS2438的軟件主要由上位機軟件和下位機軟件組成。上位機應用組態(tài)王對交流輸入、設備溫度、輸出電壓、輸出電流、電池剩余電量這幾個參數進行實時顯示，并設置一個按鈕用來手動切換電源的供電方式。組態(tài)王與下位機之間采用RS-485進行通信，通信協(xié)議采用通用單片機Hex協(xié)議，每1s刷新一次顯示數據。下位機程序主要由主循環(huán)程序和實現各個功能的子程序組成，程序流程圖如圖5所示，其中讀取數據并顯示包括時間、交流輸入電壓、設備溫度、電池剩余電量、輸出電流及電壓的讀取和顯示。

4.結語

本文所討論的智能直流不間斷電源，不僅能達到不間斷供電的設計要求，而且能準確顯示設備溫度、電池剩余電量、輸出電流及電壓等參數。系統(tǒng)設計合理、自動化程度高、可靠性好，可有效地保證了工業(yè)以太網交換機的不間斷供電，為生產的高效、安全進行和數字化工業(yè)的進一步發(fā)展提供了保障。

[1]周曉兵,費敏銳.以太網在工業(yè)自動化領域中的應用現狀和發(fā)展前景[J].自動化儀表,2001,22(10)：1-4.

[2]陳積明,王智,孫優(yōu)賢.工業(yè)以太網的研究現狀及展望[J].化工自動化及儀表,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防措施[J].電源技術應用,2010(13)：46-49.

[4]劉強,楊昉昉.礦用直流不間斷電源的設計[J].工礦自動化,2011(8)：130-133.

[5]李榮武.AD637集成真有效值轉換器[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)設計[J].北京石油化工學院學報,2008(3)：31-35.

[7]李兵.基于UC3906的免維護鉛酸蓄電池智能充電器的設計[J].設計與計算,2005(11)：94-95.