CYGAL单片机在应急电源上的应用.docx

1、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AIN

2、0AIN7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The Application of CYGNAL Single Chip Microcomputer in The EPSAbstractPower supply is one of the most important equipments in our life, so we need a equipment that is called emergency power system i

3、nstead of power supply under the situation of power off or other emergencies. Emergency power system can offer the central power supply for dispersal illumination and emergency illumination, and provide power supply for different kinds of emergency, so the emergency power system has been necessary e

4、quipment.This design includes C8051F005 single chip microcomputers principle and application, including single-chip microcomputer, A/D conversion technique and switch technique. This paper mainly introduces the control circuit of the system, the keyboard and the display circuit. The control circuit

5、and the program are the emphasis of this design.The controller controls the whole system, so it is the core of the system. The external analog data collected are delivered to the pin AIN0AIN7 of the single chip microcomputer, and then are converted to corresponding digital data by the internal A/D c

6、onversion. These data are analyzed to decide if there are faults and if it needs to switch. When there are faults, LCD can display the warning information and the alarm circuit is working.Key words : emergency power system, single chip microcomputer, A/D conversion目 录摘 要 IAbstract II1 绪 论 11.1 课题背景

7、11.2 EPS的工作原理 21.3 本课题研究的内容 22 系统硬件设计 42.1 总体设计方案 42.2 如何选择芯片 42.2.1 单片机C8051F005 芯片 42.2.2 字符点阵式模块EDM1602 72.2.3 芯片74LS164 83 A/D转换 93.1 有关ADC系统的特殊功能寄存器 93.2 逐次逼近型A/D转换器的转换原理 103.3 模拟多路开关和PGA 113.4 ADC的工作方式 114 软件设计 134.1 主程序流程 134.2 采集数据分析部分 144.3 键盘及显示部分 154.4 启动及切换部分 164.5 参数调整部分 16结 论 20致 谢 21参

8、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） 321 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

9、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（Emergency Power System）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

10、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（Uninterruptable Power Source）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%

11、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1520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58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，

12、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。 1.2 EPS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

13、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

14、，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

15、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

16、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-51 CPU内

17、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5 V供电的单片机，实现了片内模拟与数字电路的3 V供电（电压范围2.7V3.6 V），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5 V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5 V电源，也可驱动5 V

18、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714就是模拟MUX通道输入口（AIN0AIN7）。本设计中将所采集的模拟信

19、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。AIN0AIN3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。P1.0P1.7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74

20、LS164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AIN0AIN3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

21、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VDDVDAC，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VINVDAC，则比较器输出低电平信号送入控制逻辑

22、电路，逐次逼近寄存器的最高位清0。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