基于STM32的智能化数字化在线式UPS系统设计

李琳　户永杰

摘 要： 针对高校电子类专业实验室对电能质量日益增高的要求，提出了基于以ARM Cortex2 M3为内核的STM32F103RBT6控制的数字化、智能化在线式UPS电源，给出了各模块的硬件设计方案和软件处理流程。相比较于其他控制方式的UPS，其具备稳定性较高，结构简单，效率高，保护功能齐全，智能化程度较高等系列优势。

关键字： STM32； UPS； 智能； PWM

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）09?0097?03

0 引 言

目前，国内高等院校电子信息类专业实验室配备了各种精密的电子设备，这类型的电子设备采用了大量的集成电路，像A/D、CMOS、TTL等。在有诸多优势的同时也存在耐低压能力低、抗干扰能力差等弱点。电压电流的不稳定，或者强电磁场的干扰往往容导致各种故障，给科研和教学造成巨大的损失[1]。采用UPS供电是避免这类损失行之有效的方法。本文提出一种基于STM32F103RBT6在线式UPS系统设计。除能够正常供电外还实现了监测控制、故障告警、参数自动测试分析等功能，使维护人员更为轻松、安全、高效地通过互联网进行数据查询、控制等维护工作。

1 系统的整体设计

本系统设计是以STM32微控制器为主控制器，由电池模块、整流模块、变压器、逆变模块、电压检测模块、电流检测模块、语音报警模块、SD数据存储模块、人机界面模块等组成。其工作原理如图1所示，将市电经过系统中整流模块转化成直流电源，然后再进过逆变模块将直流电源转变成供电质量较高的交流电源。当市电断电时，快速切换至由蓄电电池向逆变模块提供直流电源，完后由逆变模块将直流电源转变成直流电源使系统能够正常正常工作[2]。

图1 结构原理图

2 硬件设计

2.1 微控制器STM32简介

控制系统主控芯片采用基于ARM Cortex2 M3内核的STM32[2]系列的32位闪存微控制器，具有内置资源丰富，超低功耗的特点，可以选择睡眠模式、待机模式，相对于ARM 系列其他芯片，STM32运行速度更快，7个时钟周期最多可以产生28个精准的信号。同时，其自带12位A/D和12位D/A，在一定程度上提高设计精度并使外围电路更为简洁[3]。

2.2 交流电压的检

交流电压检测如图2所示，交流信号经离降压、整流变成直流信号。将直流信号进行分压、滤波后，送至由 LM358构成的射级跟随器，使输出的电压电压值最大不超过3.3 V，至此将采样得到的值送至STM32内置的AD进行采样[2]。同时引出一路降压过后的交流信号经LM193A构成的频率采样电路，将输出信号经光电耦合器PC817b送至STM32捕获交流信号频率[4]。

图2 交流检测

2.3 直流电压检测电路设计

直流电经过限流电阻接到霍尔电压传感器输入端， 经过霍尔传感器的处理，将输出结果输入到STM32[4]。

2.4 PWM驱动电路[5]

STM32F103RBT6输出的PWM波形幅值只有3.3 V，所以要对单片机输出的PWM信号进行隔离放大。PWM驱动电路如图3所示。其中，PWM信号由STM32F103RBT6定时器TIM1输出的四路PWM波叠加，从PB0输出PWM信号经过隔离后进入基于集成芯片HCPL3120 的MOSFET 驱动电路。

图3 PWM驱动原理图

2.5 人机界面模块

人机界面部分主要包括LCD显示、键盘、报警和通信接口。本设计中人机界面LCD主要显示交流电压、直流电压和温度。通过按键部分能够调整温度和交流电压的最大值。报警系统指示异常和超限，由一个蜂鸣器和三个红绿颜色不同的发光二极管实现。通信接口采用RS 232标准接口用于和电脑连接。

2.6 SD存储模块[5]

为了能够将时间信息及温度、电压数据进行长时间存储，系统加入SD卡存储模块。可以用于对UPS性能和故障的分析。STM32 芯片自带有SD卡接口，因此只需将SD 卡座与STM32的SD卡接口直接相连即可实现数据读写[5]。

3 软件设计

3.1 SPWM计算程序[6]

本文是利用STM32内部产生的四路PWM输出来产生SPWM信号。这种方法可以直接利用软件编程产生SPWM 。算法可采用较为简单的规则采样法。规则采样法的出发点是设法在三角载波的特定时刻处确定正弦调制波的采样电压值，使脉冲的起始和终止时刻对称，这样就容易计算出对应于每一个SPWM波的采样时刻，并且只要载波比足够大，不同的阶梯波都很逼近正弦波，所造成的误差较小，可以忽略不计[7]。根据上述规则采样法，本设计采用查表法，利用STM32的高级定时器TIM1产生四通道输出SPWM信号。计算程序如图4所示。

图4 SPWM计算程序

3.2 整体软件设计思想[7]

系统软件流程如图5所示：系统上电后，首先进行初始化，然后把各个标志位和数据清零。清零后检测故障标志位：过压标志位（NBOUT_HI）；过流标志（OVERLOAD）；过温标志位（OVERTEMP）。如检测到这些标志位则停止PWM波的输出，并跳转到WAIT状态，等待检测到故障信号消除，系统重新进行软启动。如果没有检测到故障标志位，则检查市电是否掉电，如市电压正常，则开始进行市电正常逆变工作，并开始进行故障检测，如果输出电压、温度过高则报警并停止逆变器工作切换至由市电直接供电。如果检测市电异常，则报警并由蓄电池提供直流电源使系统正常工作。

图5 整体软件设计原理

经测试，智能化数字UPS电压波形如图6所示。

4 结 论

基于STM32的智能化数字化在线式UPS实现了输入市电，输出电压范围为200～240 V的50 Hz的正弦波，而且切换时间在5 s以内。基本满足了实验室精密仪器用电的要求。文中完整地讨论了以STM32单片机为主控芯片的在线式UPS电源的设计，对软件和硬件设计进行了详细的介绍。本设计简化了硬件设计、提高了输出电压的稳定性。从而可以向精密仪器供更加稳定、精确、高质量的电压波形。

图6 电压的输出波形

参考文献

[1] 刘凤君.现代逆变技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2] 童诗白，成华英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3] STMicroelectronics. STM32F103x8/B增强型系列中容量产品数据手册[EB/OL]. [2012?09?01]. http：//www. stmicroelectronics.com.cn/stonline/mcu/MCU_Pages.htm.

[4] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].4版.北京：机械工业出版社， 1980.

[5] STMicroelectronics. STM32F10xxx硬件开发使用入门[EB/OL]. [2012?09?01]. http：//www. stmicroelectronics.com.cn/stonline/mcu/STM32_AN.

[6] K.N.King. C语言程序设计：现代方法[M].2版.北京：人民邮电出版社，2010.

[7] STMicroelectronics. STM32F10xxx参考手册[EB/OL]. [2012?09?01].http：//www.stmicroelectronics.com.cn/stonline/mcu/MCU_Pages.

图5 整体软件设计原理

经测试，智能化数字UPS电压波形如图6所示。

4 结 论

基于STM32的智能化数字化在线式UPS实现了输入市电，输出电压范围为200～240 V的50 Hz的正弦波，而且切换时间在5 s以内。基本满足了实验室精密仪器用电的要求。文中完整地讨论了以STM32单片机为主控芯片的在线式UPS电源的设计，对软件和硬件设计进行了详细的介绍。本设计简化了硬件设计、提高了输出电压的稳定性。从而可以向精密仪器供更加稳定、精确、高质量的电压波形。

图6 电压的输出波形

参考文献

[1] 刘凤君.现代逆变技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2] 童诗白，成华英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3] STMicroelectronics. STM32F103x8/B增强型系列中容量产品数据手册[EB/OL]. [2012?09?01]. http：//www. stmicroelectronics.com.cn/stonline/mcu/MCU_Pages.htm.

[4] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].4版.北京：机械工业出版社， 1980.

[5] STMicroelectronics. STM32F10xxx硬件开发使用入门[EB/OL]. [2012?09?01]. http：//www. stmicroelectronics.com.cn/stonline/mcu/STM32_AN.

[6] K.N.King. C语言程序设计：现代方法[M].2版.北京：人民邮电出版社，2010.

[7] STMicroelectronics. STM32F10xxx参考手册[EB/OL]. [2012?09?01].http：//www.stmicroelectronics.com.cn/stonline/mcu/MCU_Pages.

图5 整体软件设计原理

经测试，智能化数字UPS电压波形如图6所示。

4 结 论

基于STM32的智能化数字化在线式UPS实现了输入市电，输出电压范围为200～240 V的50 Hz的正弦波，而且切换时间在5 s以内。基本满足了实验室精密仪器用电的要求。文中完整地讨论了以STM32单片机为主控芯片的在线式UPS电源的设计，对软件和硬件设计进行了详细的介绍。本设计简化了硬件设计、提高了输出电压的稳定性。从而可以向精密仪器供更加稳定、精确、高质量的电压波形。

图6 电压的输出波形

参考文献

[1] 刘凤君.现代逆变技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2] 童诗白，成华英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3] STMicroelectronics. STM32F103x8/B增强型系列中容量产品数据手册[EB/OL]. [2012?09?01]. http：//www. stmicroelectronics.com.cn/stonline/mcu/MCU_Pages.htm.

[4] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].4版.北京：机械工业出版社， 1980.

[5] STMicroelectronics. STM32F10xxx硬件开发使用入门[EB/OL]. [2012?09?01]. http：//www. stmicroelectronics.com.cn/stonline/mcu/STM32_AN.

[6] K.N.King. C语言程序设计：现代方法[M].2版.北京：人民邮电出版社，2010.

[7] STMicroelectronics. STM32F10xxx参考手册[EB/OL]. [2012?09?01].http：//www.stmicroelectronics.com.cn/stonline/mcu/MCU_Pages.