CYGAL单片机在应急电源上的应用.docx

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CYGAL单片机在应急电源上的应用

CYGNAL单片机在应急电源上的应用

摘要

电源是我们日常生产和生活中非常重要的设备之一，因此，在停电或其它紧急情况下就需要有替代电源的装置，即应急电源。

应急电源可以在建筑物发生火灾或其它紧急情况时为疏散照明、事故照明提供集中供电，为各种一级供电负荷及消防设备供电，所以应急电源已经是不可缺少的电源装置。

本设计融C8051F005单片机原理、应用为一体，以单片机应用技术、A/D转换技术以及切换技术为主要内容，详细地研究了控制电路、键盘及显示电路。

控制电路和软件编程是本设计的重点。

整个系统都由单片机来控制，它是设计的核心。

外部多路模拟量经过采集后，送到单片机的AIN0~AIN7引脚，再通过内部的A/D转换器转换成相应的数字量。

由软件进行分析所采集的数据，来判断有无故障是否需要进行切换，并且可以实现显示数据以及声光报警等功能。

关键词：

应急电源，单片机，A/D转换

TheApplicationofCYGNALSingleChipMicrocomputerinTheEPS

Abstract

Powersupplyisoneofthemostimportantequipmentsinourlife,soweneedaequipmentthatiscalledemergencypowersysteminsteadofpowersupplyunderthesituationofpowerofforotheremergencies.Emergencypowersystemcanofferthecentralpowersupplyfordispersalilluminationandemergencyillumination,andprovidepowersupplyfordifferentkindsofemergency,sotheemergencypowersystemhasbeennecessaryequipment.

ThisdesignincludesC8051F005singlechipmicrocomputer’sprincipleandapplication,includingsingle-chipmicrocomputer,A/Dconversiontechniqueandswitchtechnique.Thispapermainlyintroducesthecontrolcircuitofthesystem,thekeyboardandthedisplaycircuit.Thecontrolcircuitandtheprogramaretheemphasisofthisdesign.

Thecontrollercontrolsthewholesystem,soitisthecoreofthesystem.TheexternalanalogdatacollectedaredeliveredtothepinAIN0~AIN7ofthesinglechipmicrocomputer,andthenareconvertedtocorrespondingdigitaldatabytheinternalA/Dconversion.Thesedataareanalyzedtodecideiftherearefaultsandifitneedstoswitch.Whentherearefaults,LCDcandisplaythewarninginformationandthealarmcircuitisworking.

Keywords:

emergencypowersystem,singlechipmicrocomputer,A/Dconversion

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1课题背景1

1.2EPS的工作原理2

1.3本课题研究的内容2

2系统硬件设计4

2.1总体设计方案4

2.2如何选择芯片4

2.2.1单片机C8051F005芯片4

2.2.2字符点阵式模块EDM16027

2.2.3芯片74LS1648

3A/D转换9

3.1有关ADC系统的特殊功能寄存器9

3.2逐次逼近型A/D转换器的转换原理10

3.3模拟多路开关和PGA11

3.4ADC的工作方式11

4软件设计13

4.1主程序流程13

4.2采集数据分析部分14

4.3键盘及显示部分15

4.4启动及切换部分16

4.5参数调整部分16

结论20

致谢21

参考文献22

附录A（英文文献）23

附录B（文献译文）28

附录C（程序）32

1绪论

1.1课题背景

随着社会的发展，建筑技术水平的不断提高，城市的建筑趋向于大规模，高层化发展，随之而来对建筑的供电要求越来越高，社会的信息化，建筑的现代化，使建筑对供电的依赖也越来越大，尤其是一些重要的公共建筑，一旦中断供电，将造成重大的政治影响或经济损失，如果是发生火灾，后果就更不堪设想。

所以现行的《高层民用建筑设计防火规范》及《民用建筑电气设计规范》就有严格规定：

“一级负荷应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源不致同时受到损坏。

一级负荷中特别重要的负荷，除上述两个电源外，还必须增设应急电源，常用的应急电源有：

（1）独立于正常电源的发电机组；

（2）供电网络中有效地独立于正常电源的专门供电线路；（3）蓄电池。

”多年来，运行经验表明，电网供电时采用两路独立的电源。

若主供电线路停电，则由备用供电线路供电，采用这种方式虽然简单、可靠，但供电线路复杂。

当发生大面积停电事故时，两路电源均可能发生停电事故。

因此，应急电源作为独立于电网之外的备用电源，被广泛应用于各种建筑工程之中。

目前，应急电源包括柴油发电机组和蓄电池，近年来，含蓄电池的EPS（EmergencyPowerSystem）作为应急电源，被广泛应用，尤其是被用做消防应急电源。

EPS消防应急电源是集中式的，与分散式的应急电源比较具有明显的优势。

分散的应急电源方式在目前的消防应用最为广泛，但只能局限于应急照明。

随着楼宇智能化的普及和消防安全设施的完善，除照明外，需要为给水、通风、监控等各种应急设备供电，分散式应急电源不能满足需要，而EPS应急电源则完全可以胜任其工作。

EPS消防应急电源与UPS（UninterruptablePowerSource）不间断电源相比有许多优点。

EPS采用离线运行方式，高效节能、噪音低，而UPS采用在线运行方式，效率70％，噪音高；在节电方面EPS在电网正常时处于睡眠状态，耗电不足0.1%，无电网供电时,其效率92%以上，而UPS 在电网供电正常时也工作，其效率仅85%~90%，约有10%~15%的电能被消耗；因为EPS只有在电网无电时才进行逆变工作，主机使用寿命相对长，一般15~20年，而UPS是只要开机就连续不间断工作，因此寿命相对较短，一般5~8年；EPS负载适应性强，尤其适应电机等电感性负载和各种混合用电负载，UPS只适应电容性和电阻性负载（计算机负载）；EPS系统组成简单，故障率低，UPS系统组成复杂，故障率高。

经过以上比较可知采用UPS供电方式，其造价昂贵，特别是在线式UPS，其转换效率较低，长期连续运行，必然造成电能浪费，UPS适用于信息类负荷，而EPS则应用广泛。

 目前，专门为消防应急措施而设计研制的EPS消防应急电源，具有一定的先进性和实用性，它可以实现微机监控和处理，对消防应急照明、卷帘门、消防电梯、水泵、排烟风机等消防设施实现自动控制。

此类产品多为高层建筑、机场、电信网络机房、医院、重要场馆等工程采用。

1.2EPS的工作原理

（1）当市电正常时，由市电经过互投装置给重要负载供电，同时进行市电检测及蓄电池充电管理，然后再由电池组向逆变器提供直流能源。

在这里，充电器是一个仅需向蓄电池组提供相当于10%蓄电池组容量的充电电流的小功率直流电源，它并不具备直接向逆变器提供直流电源的能力。

此时，市电经由EPS的交流旁路和转换开关所组成的供电系统向用户的各种应急负载供电。

与此同时，在EPS的逻辑控制器的调控下，逆变器停止工作处于自动关机状态。

在此条件下，用户负载实际使用的电源是来自电网的市电，因此，EPS应急电源就像通常说的一直工作在睡眠状态，可以有效的达到节能的效果。

（2）市电供电中断或市电电压超限（±15%或±20%额定输入电压）时，互投装置将立即投切至逆变器供电，在电池组所提供的直流能源的支持下，此时，用户负载所使用的电源是通过EPS的逆变器转换的交流电源，而不是来自市电。

（3）当市电电压恢复正常工作时，EPS的控制中心发出信号对逆变器执行自动关机操作，同时还通过它的转换开关执行从逆变器供电向交流旁路供电的切换操作。

此后，EPS在经由交流旁路供电通路向负载提供市电的同时，还通过充电器向电池组充电。

1.3本课题研究的内容

应急电源系统需要采集多路模拟信量，如：

单只电池的电压、市电电压、逆变电压、蓄电池组的电压和负载电流。

本设计是将这些模拟量经过单片机内部的A/D转换器转换成相应的数字量，再通过软件对其进行分析，最后由单片机输出交流旁路供电与逆变器供电之间的切换信号。

本设计还由单片机输出控制指示灯的信号，让操作人员方便地看到装置的工作状态，对突发事件做出及时处理。

当市电经过EPS的交流旁路供电正常时，主电指示灯亮；当充电器对电池充电时，充电指示灯亮；当市电电压过低、停电或有大范围波动而转入应急状态时，应急指示灯亮；当出现故障时，例如：

设备强制应急、应急电源工作在电池放电状态以及应急控制电路断路、短路，故障指示灯亮。

本设计除了用指示灯报警外，还做了蜂鸣器报警。

本设计用LCD显示所采集数据以及各种报警信息，并由键盘改变显示菜单的画面以及调整参数。

这些功能的操作信号都是由控制器输出。

本论文详细地研究了EPS消防应急电源的控制电路、键盘与显示及指示灯报警等硬件设计，从EPS的工作原理入手，分析其工作过程，选择合适的器件进行硬件电路设计。

在完成硬件设计后进行软件设计，制定了整个软件设计的思路，采用模块化设计，并设计了各模块的流程图，完成了A/D转换和液晶显示的编程。

2系统硬件设计

2.1总体设计方案

EPS应急电源主要采用SPWM（正弦脉宽调制）技术，系统主要包括整流充电器、蓄电池组、逆变器、系统控制器、互投装置等部分。

其中逆变器是核心，整流器的作用是将交流电变成直流电，实现对蓄电池及向逆变器模块供电。

逆变器的作用则是将直流电变换成交流电，供给负载设备稳定持续的电力。

互投装置保证负载在市电及逆变器输出间的顺利切换。

系统控制器对整个系统进行实时监控，系统内部设计了电池检测、分路检测回路,可以发出报警信号，并且控制液晶显示器显示一些数据。

系统框图如图2.1所示。

图2.1应急电源系统框图

本设计主要完成了硬件设计的控制电路、液晶显示电路以及键盘、指示灯电路部分。

2.2如何选择芯片

2.2.1单片机C8051F005芯片

1、C8051Fxxx系列单片机的优越性

C8051Fxxx系列单片机有丰富的内部资源，例如CIP-51CPU内核[1]、片内存储器、可编程数字I/O和交叉开关、模/数转换器ADC、比较器和数/模转换器DAC、JTAG调试和边界扫描、可编程计数器阵列以及串行端口。

它是8位机中首先摆脱5V供电的单片机，实现了片内模拟与数字电路的3V供电（电压范围2.7V~3.6V），大大降低了系统功耗；完善的时钟系统可以保证系统在满足响应速度要求下，使系统的平均时钟频率最低；众多的复位源使系统在掉电方式下，可随意唤醒，从而可灵活地实现零功耗系统设计，因此，C8051Fxxx具有极佳的最小功耗系统设计环境[2]。

它虽然摆脱了5V供电，但是将端口引脚的输出方式设置为漏极开路，并将输出端通过上拉电阻接到5V电源，也可驱动5V的逻辑器件。

该单片机还集成了ADC子系统，具备高精度的模/数转换功能。

该型号单片机与同类产品相比具有更优越的性能，更适合应用于本设计。

2、该芯片在本设计中的应用

图2.2单片机接口原理图

C8051F005芯片是整个设计的控制中心，它控制模拟量的采集、键盘、液晶显示、启动及切换和报警等外围电路。

下面根据电路原理图中该芯片的接口对此芯片在本设计中的应用做详细的介绍。

该单片机集成的ADC子系统包括1个9通道的可配置模拟多路开关AMUX（有一个通道输入温度模拟量），可通过软件配置模拟量的输入，一次转换只输入一路模拟量。

引脚7~14就是模拟MUX通道输入口（AIN0~AIN7）。

本设计中将所采集的模拟信号从这些通道输入，经过内部的模/数转换器，转换为相应的数字信号，完成模/数转换功能。

AIN0~AIN3输入电池模拟量，AIN4输入市电电压模拟量，AIN5输入逆变电压模拟量，AIN6输入蓄电池电压模拟量，AIN7输入负载电流模拟量。

该单片机的P1口与键盘信号相连接。

P1.0~P1.7依次接翻页键、启动键、调整参数开始键、移光标键、倍数上调键、倍数下调键、零点上调键、零点下调键，当键按下时对应的引脚被置为低电平0，相反则被置为高电平1。

P0.3和P0.4与一串并转换芯片74LS164相连接，P0.3输出8位串行信号164A，作为74LS164的串行输入信号。

P0.4输出时钟信号164CLK，作为74LS164的串行移位时钟信号。

P0.5输出市电开关状态信号，输出低电平0为闭合，输出高电平1为断开。

P0.6输出应急开关状态信号，输出低电平0为闭合，输出高电平1为断开。

这两个状态信号控制了切换电路，完成了交流旁路供电与逆变器供电之间的切换。

当装置的功率在2kw及其以下时用4只蓄电池，电池模拟量由AIN0~AIN3输入，不用扩展模拟通道开关；当装置的功率在3kw及其以上时用16只蓄电池，需要扩展模拟通道开关，由P2.0~P2.3输入电池模拟量。

P2.4输出启动标志信号START，输出低电平0为应急装置已启动，输出高电平1为应急装置未启动。

当需要强制启动装置时，P0.2接收强制启动信号HAND，输入低电平0启动。

P2.5输出LCD的使能信号E，P2.6输出LCD的读写控制信号R/W，P2.7输出LCD的数据指令控制信号RS。

由P3口连接LCD的8位数据线。

其它的引脚如引脚21、22、28、29分别连接JTAG测试时钟TCK、JTAG测试模式选择TMS、JTAG测试数据输入TDI、JTAG测试数据输出TDO。

TDI数据在TCK上升沿被锁存。

TDO数据在TCK的下降沿从TDO引脚输出，TDO输出是一个三态驱动器。

引脚20是芯片复位引脚

，低电平有效。

当VDD<2.7V时或突然死机时，外部驱动信号可以将该引脚置为低电平，使系统复位。

引脚6是电压基准引脚VREF，当配置为输入时，该引脚作为单片机的电压基准。

以上是单片机的各个引脚在本设计中的功能，下面介绍本设计的其它配置方面。

本设计使用外部电路强制单片机进入复位状态，这个外部电路在上电时也会使单片机复位，或者使用单片机内部的可编程看门狗定时器WTD进行复位。

单片机都有1个内部振荡器和1个外部振荡器驱动电路，每个驱动电路都能产生系统时钟，可使用OSCICN寄存器中的CLKSL位在两个振荡器之间随意切换，本设计选择内部时钟源作为系统时钟，并且内部振荡器典型频率为2MHz[3]。

CIP-51支持22个中断源，本设计中，只允许定时器3溢出作为中断源，中断标志由软件清除。

虽然C8051Fxxx系列器件的数字输入是5V兼容的，但输出的最大电压值为VDD（2.7~3.6V）。

如果5V器件需要一个高于该VDD的输入电压才能工作，则需要进行额外的配置。

本设计为了提供一个比VDD高的输入电压值，将端口引脚的输出方式设置为漏极开路，并将逻辑1输出用上拉电阻提升到5V高电平，而逻辑0为低电平。

I/O端口的功能由交叉开关寄存器XBR0、XBR1和XBR2来确定，本设计中允许交叉开关，弱上拉禁止以避免不必要的功耗。

用端口配置寄存器PRT0CF、PRT1CF、和PRT2CF将I/O端口单元配置为漏极开路方式。

本设计还通过基准电压控制寄存器REF0CN设置为允许内部偏压，并且使用内部基准（约为2.4V）作为电压基准发生器。

2.2.2字符点阵式模块EDM1602

1、芯片引脚及功能介绍

Vee：

LCD驱动电压

Vdd：

电源电压（+5V）

VSS：

接地

RS：

输入口，输入MPU选择模块内部寄存器类型信号。

RS=0，当MPU进行写模块操作，指向指令寄存器；当MPU进行读模块操作，指向地址计数器；RS=1，无论MPU读操作还是写操作，均指向数据寄存器。

R/W：

输入口，输入MPU选择读/写模块操作信号。

R/W=0读操作；R/W=1写操作。

E：

输入口，输入MPU读/写模块操作使能信号。

读操作时，信号下降沿有效；写操作时，高电平有效。

DB7~DB0：

输入/输出口，单片机与模块之间的数据传送通道。

2、该芯片与单片机接口

该模块的控制器主要由指令寄存器IR、数据寄存器DR、忙标志BF、地址计数器AC、显示数据缓冲区DDRAM、字符发生器CGROM和CGRAM以及时序发生电路组成，负责接收来自单片机的指令和数据，控制着整个模块的工作。

在本设计中，在控制器的控制下，模块通过八位数据总线DB0~DB7与C8051F005的P3口连接。

液晶显示模块的三个输入控制端，即使能信号端E、读写控制信号端R/W、数据指令控制信号端RS分别连接到单片机的P2.5，P2.6，P2.7接口上。

这三根控制线按照规定的时序协调作用，使控制器通过数据总线接收单片机发送来的指令和数据，从CGROM中找到欲显示字符的显示码，送入DDRAM，在LCD显示屏上与DDRAM存储单元对应的规定位置显示出该字符。

在第四章软件部分对液晶显示有更详细的介绍。

3、LCD在本设计中的应用

本模块用于显示所采集的模拟量的数值，以及显示故障的原因。

由于显示的内容比较简单，用字符显示就可以实现，所以选用了这个模块，画面可以显示两行，每行16个字符。

2.2.3芯片74LS164

74LS164为8位移位寄存器，可实现串行输入并行输出。

其中第1、2引脚A、B为串行数据输入端，两个引脚按逻辑与运算规律输入信号，用同一个输入信号时可并接。

第8引脚CLK为时钟输入端，CLK上升沿有效。

从附页中的原理图中，可以看出本设计将74LS164的输入引脚A和B并在一起与单片机的P0.3口相连接，单片机将8位串行信号164A传送给该寄存器，在移位时钟信号164CLK的控制下，Q0~Q7依次输出164A的低位到高位，即Q6输出背光灯状态信号，输出高电平1灯亮，输出低电平0灯灭；Q0~Q5经过驱动集成块7407增强驱动能力，输出信号分别控制市电指示灯、充电指示灯、应急指示灯、故障指示灯以及报警蜂鸣器，输出低电平0为执行信号。

3A/D转换

由于计算机只识别数字信号，所以需要将模拟信号转换成数字信号，这就是A/D转换器要做的[4]。

C8051F005的ADC子系统包括1个9通道的可配置模拟多路开关AMUX、1个可编程增益放大器PGA和1个12位分辨率的逼近型ADC。

分辨率是指A/D转换器能够分辨最小量化的能力，或者说转换器满量程输入模拟量能够被分离的级数，一般简单地以A/D转换器的位数n来表示它的分辨率，一个A/D转换器有n位分辨率，就有2n个可能的数字输出码，分辨率只能表明理论准确度。

准确度指A/D转换器的实际值与理论值的接近程度[5]。

3.1有关ADC系统的特殊功能寄存器

因为ADC完全由CIP-51通过特殊功能寄存器控制，所以在本设计的程序中通过对这些寄存器的配置来实现某些功能，下面就针对AD采样程序中的配置来介绍这些寄存器。

1、配置寄存器AMX0CF

本设计中，值为0x00，模拟多路开关AIN0~AIN7被配置为单端输入。

2、通道选择寄存器AMX0SL

它的功能是模拟信号配置输入通道，由位3~0来决定。

在本设计中，单只电池选择AIN0~AIN3，市电选择AIN4，逆变电压选择AIN5，电池组电压选择AIN6，负载电流选择AIN7。

3、配置寄存器ADC0CF

它的功能是配置转换时钟和ADC内部放大器增益，位7~5是转换时钟控制位，位2~0用于ADC内部放大器增益。

在本设计中值为0x60即SAR转换时钟=8个系统时钟，增益=1。

4、控制寄存器ADC0CN

位7：

ADCEN：

ADC允许位

位6：

ADCTM：

ADC跟踪方式位

位5：

ADCINT：

ADC转换结束中断标志

位4：

ADCBUSY：

ADC忙标志位

位3~2：

ADSTM1~0：

ADC转换启动的方式位

位1：

ADWINT：

ADC窗口比较中断标志

位0：

ADLJST：

ADC数据左对齐控制位

该控制寄存器在本设计中的初始化值为0x40，当向ADCBUSY写1时，启动跟踪持续3个SAR时钟并启动ADC转换，数据寄存器数据右对齐。

其中ADCEN位置1则ADC中断允许，置0则ADC中断禁止；ADCBUSY位置1则ADC正在转换，置0则ADC转换结束或复位以来没有有效的数据转换，当被ADC允许时，ADCBUSY的下降沿触发中断；写时，置1若ADSTM1~0=0x00，则ADC转换，置0无效。

3.2逐次逼近型A/D转换器的转换原理

逐次逼近型A/D转换器利用二进制搜索算法实现对模拟输入量的数字化转换，它由采样/保持器、比较器、D/A转换器、控制逻辑电路、逐次逼近寄存器（SAR）、基准电压等部分组成。

二进制搜索算法的依据是：

置逐次逼近寄存器的最高位为1时，对应的模拟量是VREF/2；置逐次逼近寄存器的次高位为1时，对应的模拟量是VREF/4；依次类推，再低位对应VREF/8……从高位到低位分别置逐次逼近寄存器的各位为1，顺次比较[6]。

其工作过程如下：

首先向A/D转换器发启动转换信号。

在时钟控制下，控制逻辑电路首先将n位逐次逼近寄存器的最高位置为1，其他位为0。

n位逐次逼近寄存器的数字量送D/A转换器，D/A转换器产生对应的输出量VDAC=VREF/2，送比较器。

通过比较器比较VIN和VDAC，如果VIN>VDAC，则比较器输出高电平信号送入控制逻辑电路，逐次逼近寄存器的最高位保持为1；如果VIN

这样，根据比较器的输出状态确定了逐次逼近寄存器的最高位的值。

接下来，控制逻辑置逐次逼近寄存器的次高位为1，其他位都为0，连同已确定的最高位的值一同送入D/A转换器，D/A转换器产生对应的输出VDAC送比较器与VIN比较，根据比较器的输出状态确定逐次逼近寄存器的次高位的值。

重复上述过程，直到确定完逐次逼近寄存器的最低位的值，A/D转换过程结束。

这时n位逐次逼近寄存器中的数字量就是模拟输入VIN对应的数字量。

控制逻辑电路向外电路发出转换结束信号，表示转换过程结束，可以读取数据。

在一次转换完成之前不能进行下一次转换。

3.3模拟多路开关和PGA

模拟多路开关AMUX是数据采集系统中的主要部件之一，它的作用是切换各路输入信号。

可将模拟多路开关输入设置为差分或单端方式。

在系统复位后，它