EPS应急电源设计与实现.docx
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EPS应急电源设计与实现
EPS应急电源设计与实现
摘要
EPS（EmergencyPowerSupply）又被称为应急电源，它作为应急照明系统中所必需的组成单元,在市电设计规范中有明确的要求。
本文介绍了EPS应急电源的工作原理、特点、优势与前景等。
传统的应急电源技术是以蓄电池充电技术、DC／AC逆变技术、电源监控技术、旁路切换技术组成的一种应急供电系统，但是该设计具有切换时间长、输出电压不稳定等特点。
本设计EPS电源系统采用SPWM（脉冲交流调制）技术，并结合单片机应用的控制技术。
系统在KieluVision4软件下应用C语言编写程序，通过硬件电路对系统进行验证和调试，该系统能够在特殊情况下仍能够正常的工作，在EPS电源的应用中采用单片机技术具有一定的重要意义。
关键字：
EPS电源；DC/AC变换器；SPWM技术；c语言；KeiluVision4
DesignofEPSemergencypowersupply
Abstract
EPS （Emergency Power Supply） isalsoknownasemergencypowersupply,theunitrequireemergencylightingsystem,clearrequirementsincodefordesignofcityelectricity.Thispaperintroducestheworkingprinciple,EPSemergencypowersupplycharacteristics,advantagesandprospects.Emergencypowersupplytechnologyisbasedonthetraditionalbatterycharginganemergencypowersystemtechnology,DC/ACinvertertechnology,thepowermonitoringtechnology,thebypassswitchtechnology,buthasthecharacteristicsoflongswitchingtime,theoutputvoltageisnotstable.ThedesignofEPSpowersupplysystemusingSPWM（ACpulsemodulation）technology,combinedwiththecontroloftheSCMapplication.ProgramminglanguageapplicationofCsystemintheKieluVision4software,hardwareverificationanddebuggingthesystem,thesystemcanstillworknormallyinspecialcircumstances,intheapplicationofEPSpowersupplyusedinsingle-chiptechnologyhasacertainsignificance.
Keywords:
EPS powersupply; DC/ACconverter; SPWM; C; Keil uVision4
第一章引言
1.1选题的背景和意义
随着社会的发展，大规模高性能的现代化建设对供电性能的要求越来越高，这些建筑物、交通隧道、实验设备、商业计算机系统、实验设备和工业设备对系统供电的稳定性、连续性及及时性和安防设施对安防的需求，使得EPS应急电源和UPS后背式电源技术不断的得到新的发展。
EPS应急电源系统为建筑设施与其它重要设备在市电发生意外故障（如市电中断供应、紧急抢险）时，仍能够确保其正常的运行与使用一段时间，可以有效的降低事故中不必要的损失。
目前电力在工业生产、商业活动、科学研究、消防安全等方面显得越来越重要，一旦供电发生故障就会面临着工业生产停止、商业活动取消、科学研究数据的丢失、消防安全得不到保障。
一旦发生上面的情况，国家、企业、个人都会遭受很大的不必要的损失，而这些损失本来是可以在电力正常供应时得到保障的。
而EPS应急电源的发展作为电源技术发展史的一个必要的补充，因此EPS应急电源的研究具有非同一般的意义。
本设计采用的单片机控制技术是一种功能齐全、应用全面的的技术。
支持数据储存、数据分析、I/O口的驱动能力强、在特殊环境下的可靠性很好，足以支持消防安全对EPS电源的性能要求，具有可操作性强、实用性好、抗干扰能力好等特点。
1.2EPS概述
EPS（应急电源）是在UPS（不间断电源）的基础上衍生出来的不同行业产品，与后备式UPS（不间断电源）相比，两个工作过程基本一致，但是实现它们的原理、功能、设计是不同的，最终的应用对象也具有差别性。
EPS电源主要可归属于消防产品,主要保护的重点是人的生命安全,火灾或其他的意外灾难威胁生命安全，当然也可以为其他设备提供电源，比如高速通道、医院、实验设备、生产设备等。
而UPS电源主要保护的是计算机、服务器类等要害负载,如果系统瘫痪，那么造成的一定是经济损失。
EPS电源作为一种可靠的环保型应急供电源，可被灵活地设计运用在消防供电回路末端及作为其他重要负载和场合的应急供电电源等。
因此对于消防安全的要求在EPS应急电源的合理设计具有指导意义。
1.2.1国内EPS电源的研究现状和发展前景展望
EPS应急电源已被广泛应用于建筑、医院、交通、通信及其它特殊应急供电场合。
社会的高速发展，越是信息化、节能化、现代化，就越依赖于电力。
突然的断电或者过压使负载损坏必然会给人们的正常工作、生活、学习带来不少的影响和麻烦，尤其对于生产、生活、商业交流中特别重要的负荷，一旦停止供电或者过压，都将造成重大的不可挽回的经济损失。
然而，电力故障具有突发性、不可避免性等特点，其不以人们的意志而转移，即使电网设施再先进，意外的断电也是不可避免的。
目前，城市供电系统采用并网供电作为供电的安全对策，为城市电力提供可靠地电源保护。
但是从企业、商业、交通及工业设备、建筑使用情况来看，仅仅依靠电网是远远不能满足特殊需求的，所以必须具备应急供电系统EPS，其重要性是在事故发生时能够确保提供给负载所需的应急电力，方便人们处理紧急突发事件，以有效降低断电而造成的损失，为人们的生活、工作、学习提供安全保障。
因此，EPS也被称为“城市生命线系统”的重要组成部分。
EPS应急电源的工作原理：
EPS应急电源采用的是单体逆变技术，由蓄电池充电器、蓄电池、逆变器、切换开关、市电监控器等组成，采用后背式的运行方式。
EPS电源的特点主要有：
1、市电正常时处于静态，无噪声，小于60dB，不需要排烟、防震等处理。
2、能够实现自动切换，电网与EPS电源之间的相互切换时间为0.1s~0.25s。
3、带负载能力强，EPS应急电源适合电容性及其它综合性负载设备，如应急照明、电梯、风机等。
4、使用可靠，在特殊场合采用双机热备方式，能够确保任何紧急情况下供电可靠，使用寿命长。
5、能够适恶劣环境，可以在应急负载地就地安装，节约电路线。
6、应急备用时间一般为60min，但是可以根据客户需求适当调整。
EPS电源在1992年诞生于中国大连，初时只是用作取代传统蓄电池型应急灯，在经历过近三十年的发展中，在经历了“一花独芳”到百家争鸣，百花齐放，其实用性和功能性也发生了非常大的变化，EPS电源市场迅速壮大，中国EPS电源竞争的非常激烈以及岌岌可危、困难重重的最低谷发展期，正面临着行业的洗牌。
通过EPS电源的发展历程来看，EPS电源的将朝着以下几个方向发展：
（1）高可靠性、高抗干扰性、高节能性和绿色环保；
（2）模块化的设计；
（3）配电模块功能的多样化，如：
顺序启动功能、电池管理的智能化等
（4）数字信号处理器（DSP）的数字PWM技术的应用化；
（5）控制电路的全微化处理器化。
在EPS应急电源领域，国内陆续有厂家推出自己的EPS电源产品，这些厂家为打入市场采用无节制的价格战，严重损害了EPS应急电源行业的健康、可持续发展。
EPS电源市场在激烈竞争的同时，也不断地做大了行业蛋糕，EPS电源新的设计理念的不断推出，最终的行业准则也在政府的推动下处于不断地完善中。
国内的鸿宝、德力西、正泰这三家公司占据着行业前三的位置，国内电源生产商——广东易事特电源股份有限公司也进入了行业前十的位置，其于2006年推出了最新型的节能型EPS（应急电源），为国内电源行业首次推出节能型EPS概念和产品。
该产品总体转换效率高达98%以上，且其具有无噪声、寿命长、适应力强、自动操作等，这些也可以作为未来EPS电源设计中必须考虑的参量。
1.2.2EPS系统的设计流程
总的来说，本设计中的EPS电源系统主要应用了单片机系统，一个系统项目应该采用模块化的描述方式：
将总系统按功能区别分为几个功能模块，各个功能模块之间会有定义好的接口，每个模块细分到具体实现中，这种方法可以就是按照自上而下的设计放电。
这样的设计方式在今天的设计过程中已经被广泛的应用。
这种方法只是定义了系统框图，并不涉及具体设计实现的过程。
EPS电源单片机系统设计的主流程图1-1所示。
图1-1 EPS电源设计的流程图
流程说明：
（1）设计者按照“自上而下”的设计理念来设计的系统模块。
（2）模块功能的确定，说明模块的主要功能。
（3）输入的C语言代码实现各个模块功能的操作。
最后，将编程文件烧录到目标单片机芯片中。
1.3论文的主要内容和结构安排
本论文基于EPS应急电源和单片机技术的发展，查阅了大量的资料文献，对传统蓄电池充电器和智能充电器的优势进行了分析比较，在深入研究蓄电池充电原理、DC/AC转换技术上提出了的基于单片机的总控制系统方案，并设计系统的硬件和软件，本论文的主要内容安排如下：
第一章，介绍了本设计的背景与意义，并且分析了当前EPS电源技术的发展，及未来的发展趋势，把单片机技术结合到EPS电源系统中的优势。
第二章，提出系统功能，并介绍基于单片机控制技术的EPS电源系统的总体设计方案。
第三章，介绍单片机最小系统和EPS电源的，根据设计要求蓄电池充电路、逆变电路、市电监控电路及切换开关电路进行了设计。
第四章，介绍了系统的软件设计，包括市电检测电路中的市电关断及切换开关处的软件设计。
第五章，通过实验，对实验的结果进行了简要的分析。
第六章，总结论文，分析本设计存在的不足之处，并指出改善的方法，对未来的研究提出设想和展望。
第二章系统的总体方案设计
2.1系统的总体设计方案
本设计根据EPS应急电源系统的工作原理、特点及EPS应急电源总体框架与单片机的特点的结合提出了本设计的总体方案。
2.1.1传统EPS应急电源设计
EPS应急电源主要由充电器，蓄电池，逆变器，市电监控器，静态切换开关等，结构图如图2-1-1所示。
图2-1-1EPS应急电源系统设计
在该设计中，在市电正常时，直接向负载供电并且通过充电器对蓄电池进行充电，市电监控器的作用是监控市电是否供电正常，当市电监控器检测到市电断供时将静态开关与负载的连接端连接到逆变器输出端，此时逆变器将蓄电池的直流电转换为交流电。
当市电监控器检测到市电正常时，负载再一次连接到市电，继续通过充电器对蓄电池充电。
并进行市电正常和市电断供时的模式自动切换，从而实现应急电源的功能需求。
2.1.2基于单片机的EPS电源设计
本设计是基于单片机的I/O口多，驱动能力强，系统程序并行运行，而提出的一种基于单片的EPS应急电源系统。
与传统的EPS系统相比，基于单片机的EPS应急电源系统的运行速度快，处理能力强，系统的可扩展性等优点。
C语言程序烧录到单片机中后形成一个实际的控制电路。
该芯片能够对数据、信号进行并行处理，并且单片机的反应速度为微秒级，系统的运行速度较快。
基于单片机的EPS电源系统不受环境的影响，不会在复杂的电磁环境及严酷的处境中失控，及系统的稳定性好，抗干扰能力强。
本设计采用ATMEL公司的ＡＴ系列的AT89C51作为处理器。
该芯片具有24个可自定义的I/O接口，能够连接外围设备，能更好的进行系统的功能扩展。
在基于EPS电源的可用性、可靠性和成本控制，经过研究分析，最终做出了基于单片机的EPS电源系统。
该系统对蓄电池充电的电压、电流进行采集，逆变器的控制，并判断市电供应是否正常，对静态开关的切换等。
其设计的整体架构如图2-1-2所示。
图2-1-2基于单片机的EPS电源设计
2.1.3本系统的综合设计
在上面的两种方案一和方案二中，利用AT89C51作为处理器的设计方案更具有实用性、稳定性也更好。
而且单片机具有很多的I/O口，可以很方便的在不改变原设计方案的电路基础上进行功能扩展。
所以本设计提出的EPS电源系统是以AT89C51作为核心处理器，加上各种外围电路和各个模块电路以最终实现EPS电源的功能。
在蓄电池充电电路中电压与电流的采集后，51单片机对数据进行判断分析并反馈到充电电路的线路上。
市电的检测工作，是方便用于来控制市电与逆变器输出端的连接。
基于AT89C51的供电要求，设计了５Ｖ电源电路来确保其能在系统中正常工作。
因为AT89C51芯片并没有外设的控制资源提供给负载，因此系统需要通过控制程序烧录和控制电路及各个模块电路。
该系统的总体方案包括硬件电路设计方案和系统软件设计方案的两个部分。
2.2硬件电路设计方案
系统的硬件电路设计中采用了模块化的设计实现，可分为下面的4个模块：
微处理器：
采用ATMEL公司的ＡＴ系列的AT89C51芯片。
充电电路设计：
采用美国Signetics公司555定时器作为脉冲产生电路，另采用5位Johnson计数器CC4017，作为充电时间、暂停时间、放电时间的脉冲产生器。
逆变电路设计：
采用TI（德州仪器）公司的TL494作为调制脉冲源，其输出的最大驱动电流可为500ＭＡ，最终实现直流电转换为50Hz的交流电的处理。
切换开关电路设计：
利用晶闸管的快速导通特性，选用SCR单向可控硅作为切换开关。
市电检测电路设计：
利用继电器的工作原理，能够很好的对市电断电进行检测。
2.2.1微处理器
本系统采用的是ATML公司AT89C51作为EPS电源系统的主控芯片，AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
本设计采用的ATML公司AT89C51的主要特点如下：
（1）与MCS-51兼容；
（2）4K字节可编程FLASH存储器；
（3）寿命：
1000写/擦循环；
（4）数据保留时间：
10年；
（5）全静态工作：
0Hz-24MHz；
（6）三级程序存储器锁定；
（7）128×8位内部RAM；
（8）32可编程I/O线；
（9）两个16位定时器/计数器；
（10）低功耗的闲置和掉电模式；
2.2.2充电电路设计
传统的蓄电池充电方式有浮充和循环充电方式。
充电方式具体如下：
浮充：
浮充也称为恒压充电，浮充时需要严格把握充电电压，对于12V的蓄电池来说，充电电压一般设在13.5V~13.8V之间。
如果浮充电压过低，则蓄电池将充不满，电压过高，则会引起蓄电池过充。
电压的大小一般设置在初期电流不超过0.3Ｃ（蓄电池的额定容量）时的电压。
循环充电：
初期充电电流不超过0.3Ｃ，初期充电安倍小时数微大于放电安倍小时数，当充电安倍小时数为放电安倍小时数的９０％时，改用浮充直到充满。
但是这两种充电方式存在不足之处。
在充电的过程中，电池电压增高，充电电流是逐渐降低的，两种充电方式极易对蓄电池过充和导致电池损坏。
本设计根据蓄电池的充电特点，利用脉冲充电方法对蓄电池进行充电处理。
脉冲充电时的充电电流如图2-2-1所示。
图2-2-1脉冲充电电流曲线
这种充电法不仅遵循了蓄电池固有的充电接受率，而且还能提高蓄电池充电接受率，打破了蓄电池指数对充电接受曲线的限制。
脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后对蓄电池挺冲一段时间，再对蓄电池放电一段时间，如此往复。
且蓄电池充满后也不需要断开充电器与蓄电池之间的连接，可以很方便的在实际中应用
本设计采用美国Signetics公司555定时器作为脉冲产生电路，555定时器芯片由两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管和功率输出级组成。
本设计采用的555定时器主要特点如下：
（1）555定时器构成的单稳态触发器，暂态持续时间Tw=1.1RC；
（2）555定时器构成的多谐振荡器器，输出高电平时间T=（R1+R2）CLn2，
低电平时间T=R2CLn2，占空比D=（R1+R2）/（R1+2R2）；
（3）555定时器的主要工作模式：
单稳态、无稳态、双稳态模式。
本设计另采用5位Johnson计数器CC4017，作为充电时间、暂停时间、放电时间的控制器，该芯片具有10个译码输出，CP、CR、INH输入端。
CC4017的逻辑符、引脚图如图2-2-2、图2-2-3所示。
图2-2-2CC4017逻辑符图2-2-3CC4017的引脚图
在表1中的为CC4017的功能图。
表1CC4017功能表列
2.2.3逆变电路设计
本设计主要的实现功能大功率EPS电源，而555定时器作为多谐振荡器时的输出电流最大为200MA，单片机的I/O口的驱动能力也较弱，而大功率EPS电源需要更大的驱动电流。
在SPWM脉冲调制器中，采用TI（德州仪器）公司的TL494作为SPWM脉冲触发芯片，TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。
本设计采用的TI（德州仪器）公司的TL494的主要特点如下：
（１）集成了全部的脉宽调制电路；
（２）片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）；
（３）内置误差放大器；
（４）内置5V参考基准电压源；
（５）可调整死区时间；
（６）内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力；
（７）推或拉两种输出方式；
其内部系统结构图如图2-3。
图2-3 TL494内部系统结构
2.2.4切换开关设计
根据EPS电源系统对切换时间的要求在20ms以内，而传统的MOSFET管的导通时间较长，不满足于EPS电源对切换时间的要求。
晶闸管具有比较好的开关特性，本设计采用单向可控硅晶闸管作为切换开关。
单向可控硅的主要特点如下：
（1）具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、控制方便等优点；
（2）只在阳极和阴极加正向电压，可控硅不导通；
（3）在阳极和阴极间加反向电压，可控硅不导通；
（4）在阳极和阴极加正向电压，同时控制极加正向触发电压，可控硅导通；
（5）可控硅导通后，除去触发电压，继续导通；
2.2.5市电检测电路设计
本设计只考虑市电停止供电的情况，继电器能够很好的对市电是否正常供电做出反应，继电器是一种电控制器件，其具有控制系统和被控制系统之间的互动的关系。
继电器的主要作用有：
（1）扩大控制范围；
（2）放大：
即控制大功率电路；
（3）综合信息；
（4）自动、遥控、监测等实现自动化控制。
按照继电器的工作原理主要有以下几类：
（1）电磁继电器；
（2）固体继电器；（3）温度继电器；（4）时间继电器；（5）高频继电器等
本设计采用电磁继电器作为市电检测器部分的主控元器件，电磁继电器利用输入电路内电路在电磁铁芯与衔铁间产生的吸力作用而工作的一种电气继电器。
在市电正常时，电磁继电器会正常导通；而市电断电时，电磁继电器将断开。
2.3系统软件设计
本文设计的基于单片机的EPS应急电源系统主要完成的工作是对蓄电池进行智能化充电与市电和逆变器输出线上的自动切换工作。
因此软件系统主要实现市电断供检测、蓄电池充电电压与电流的检测和控制、切换开关的控制。
这些模块的功能可以单片机内运行程序时由I/O口的输出控制实现。
图2-4为单片机I/O控制的功能框图。
图2-4单片机I/O控制的功能框图
根据系统硬件电路的设计方案，前段的蓄电池充电过程中，单片机主要采集蓄电池的电压和充电电流，并进行相应的换算，做出相应调整。
市电检测模块，单片机主要负责检测市电是否正常，并发送相应的控制信号对切换开关进行调整，以便完成最终的所有功能。
本文在第四章中详细介绍了各个功能模块的软件设计并最终统一在系统中软件仿真。
2.4本章总结
本章在分析了基于AT89C51单片机的EPS应急电源系统与传统EPS应急电源系统优越性，在综合考虑系统的实用性、可靠性的基础上提出了以AT89C51单片机作为控制器的EPS应急电源系统的总体设计方案，介绍了硬件电路方案的设计和软件方案的设计。
详细介绍了在AT89C51单片机作为控制器的EPS应急电源系统中的对主控芯片和各种元器件选型的工作。
第三章硬件电路设计
3.1单片机最小系统的设计
单片机最小系统是由AT89C51主控芯片、时钟电路、复位电路、烧录口等组成
3.1.1单片机的最小系统设计
本设计采用的晶体时钟电路选择11.0592M 的石英晶振，该晶振频率具有很好的实用性，AT89C51型单片机具有很好的抗干扰性，只需对晶振波形进行滤波处理。
具体电路如图3-1所示。
图3-1AT89C51时钟电路
3.1.2单片机电源设计
单片机维持正常工作时的电压为5V，本设计采用78L05作为稳压器，将市电整流后的电压或蓄电池的电压作为输入电压，并最终输出稳定的5V电压给单片机提供运行电源。
具体电路如图3-1-2所示。
图3-1-2单片机的电源电路
3.1.3复位电路设计
单片机在内部程序运行异常时，需要重新对内部程序进行复位操作，本设计中单片机是采取是高电平复位方式，在此列中只需要对电压VCC进行滤波操作，电阻R起到上拉电位的作用。
具体电路图如图3-1-3。
图3-1-3单片机复位电路设计
3.2单片机的外围电路设计
单片机的外围电路，直接关系的EPS应急电源具体功能的实现，采用模块化的思想，将外围电路分隔成如下几个部分：
（1）蓄电池充电模块电路；
（2）市电检测模块电路；
（3）逆变器模块电路；
（4）切换开关模块电路。
3.2.1蓄电池充电器模块设计
本设计根据负载对功率的相关要求，最终选择12V/4Ah的铅蓄电池，由于本设计最终的目的是提供稳定的300W逆变电源。
根据公式P（功率）＝V（电池电压）×I（额定容量），可知需要6.25节单体蓄电池，所以取10节单体蓄电池，取其蓄电池按照电气连接法连接。
本设计采用脉冲充电方法对蓄电池进行充电，脉冲充电器的电路结构由如下几部分组成：
电路滤波、一次整流滤波、PWM变换、二次整流滤波、脉冲电路、充放电电路和反馈控制。
为了提高该电路的变换效率，PWM控制采用贵生动力专用研发的集成控制器件；脉冲产生电路采用了555时基电路与十进位计数器/分频电路。
DC/DC变换部分是使用贵生动力专用研发的反激式电路。
充电器中的整流电路如图3-2-1所示。
图3-2-1整流电路
如图3-2-1所示，220V50Hz市电经过整流桥电路后，输出的电压为13.8V，13.8V电压是根据12V蓄电池恒压充电时确定的。
7812是指三端稳压集成电路IC芯片元器
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