基于DS2438的智能直流不间断电源

中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院 张瀚文 周 艳 孟国营

1.引言

随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在覆盖工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次；覆盖从车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。工业以太网作为一种成功的网络技术进入市场并在办公自动化和工业界获得了广泛地应用[1-2]。它起到了传输命令及信号的重要作用，所以，工业生产对井下交换机的供电要求越来越高。交换机一旦断电，将引起停产甚至重大的安全事故，所以实现交换机的不间断供电是当前工业生产的必要条件。本设计采用密封铅酸蓄电池作为备用电源，选用UC390 6DW芯片在交流电掉电时能自动切换到电池供电，实现了交换机的不间断供电。并使用DS2438芯片监测电源的剩余电量以及电源的输出电流和电压，通过RS-485串口通信与上位机连接，上位机使用组态王设计人机交互界面，实时显示电源温度、输出电流及电压、电池剩余电量等参数。

2.硬件电路设计

2.1 基本设计思路

本设计的输出2 4 V 直流电由1 2 7 V交流电和蓄电池提供，微控制器采用STC12C5A08S 2，它是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍，内部集成8路高速10位A/D转换、双串口。当127V交流电供电正常时，对其进行整流稳压，得到30V直流电供电池充电，系统输出时再通过DC/DC模块转换成24V。同时，使用交流电压精密测量模块及微控制器内部集成的A/D转换器，实时监测交流电的输入情况并进行显示。当交流电断电时，供电管理模块能自动切换到电池供电模式。同时，供电管理模块还需要在电池充满电时自动切断充电电流，避免电池进入浮充状态。另外，采用两片DS2438，一片监测电池的充放电电流以及其剩余电量，另一片监测系统的输出电流以及输出电压。为核对电池容量，并使极板有效物质得到均匀活化，需要对电池进行定期充放电[3]，由微控制器配合时钟芯片完成。系统的人机交界面由液晶显示模块和上位机两部分组成，两部分均通过串口与微控制器连接。液晶显示模块和上位机能实时显示当前供电模式、输入交流电、输出电流及电压、电池剩余电量和时间，同时，还可通过上位机切换供电模式和校正时间。系统整体结构如图1所示。

2.2 硬件电路设计

本设计硬件部分主要包括AC/DC模块、供电管理模块以及DS2438外围电路几部分。

2.2.1 AC/DC模块

AC/DC模块实现的主要功能是将127V交流电转换为30V直流电供电池充电和系统输出。如图2所示，127V交流电经变压器变压后进行全桥可控整流，将整流后的直流通过电容进行滤波，最后进行稳压即可得到30V直流电。稳压芯片选用三端可调节输出正电压稳压器LM317，其电压输出范围为1.2V到37V，可提供超过1.5A的电流，使用内部限流、热关断和安全工作区补偿来避免烧断保险丝。

交流电压精密测量模块采用AD637集成真有效值转换器实现，其最高精度优于0.1%，它能将交流输入信号的有效值变换成等值的直流电压，输入电压范围为0～7V[5]。在本电源中，先将127V交流电经变压器降到AD637转换范围内，再使用AD637将其转换为等值的直流电压，然后使用STC12C5A08S2内部集成的A/D转换器将其转换为数字量再乘以变压比，即可得到交流电压有效值。通过此值可以判断电源目前的供电情况。

图1 智能直流不间断电源系统结构图

图2 AC/DC模块电路图

图3 DS2438及其外围电路图

图4 UC3906DW及其外围电路图

2.2.2 DS2438外围电路

本设计采用DS2438芯片来实时监测蓄电池的充放电状况以及计算电池的剩余电量。DS2438是一款智能电池监测芯片，它使用独特的单总线接口，每片DS2438都有一个唯一的64位序列号。DS2438芯片能提供全面的电池监测功能，它包含一个数字温度传感器不需要系统额外增加热敏电阻，一个测量电池电压和输入输出电流的A/D转换器，一个能计算所有流进和流出电池电流的集成电流累加器，一个运行时间计，以及40字节用来存储重要参数的非易失性EEPROM[6]。

图5 智能直流不间断电源系统软件流程图

本系统需要两片DS2438，一片用来监测电池的剩余电量，另一片用来检测系统的输出电流及电压。DS2438的电路连接如图3所示，其中VDD为芯片电源输入端，其工作电压范围是2.4V～10V，此处与单片机选用一样的5V供电，VAD为待测电压输入端，当芯片工作电压为5V时，其测量范围是0V～10V，分辨率为10mV。当DS2438收到电压转换命令时启动AD转换，并将结果存入两字节的寄存器中，供单片机读取。电流测量通过测量VSENS+和VSENS-之间的电压实现，其测量范围为-122mV～+122mV，分辨率为0.24414mV，所以，在待测电流回路中加采样电阻，并将其两端接在VSENS+和VSENS-脚上，这样通过采样电阻的电流即为待测电流。电流转换以36.41次/s的速率自动完成，每次转换结束后，自动将结果以补码的形式存入两个字节的寄存器中，其中高7位为符号位及扩展位，当VSENS+端电压高时，符号正，反之为负，故不需要转换命令，直接读取寄存器内的值并用公式(2)计算得电流即可。

DS2438内部还集成了数字温度传感器，能提供13位的温度转换，测量精度为0.03125℃，测量范围为-55℃～125℃。在本系统中，单片机循环读取DS2438温度寄存器中的温度值并显示出来。另外，DS2438还可以根据每次电流转换的结果记录电池的剩余电量，并存入寄存器ICA。ICA是一个累积RSENS两端电压的8位易失性二进制计数器，单片机循环读取ICA寄存器中的数值并存入非易失性EEPROM，然后用公式(3)计算得电池的剩余电量并进行显示。

2.2.3 供电管理模块

UC3906DW是为铅酸蓄电池设计的专用充电控制芯片，它能使铅酸蓄电池在充电时达到最佳状态。内含电压和电流比较器用于检测蓄电池的充电状态，并输出信号控制电池的充电控制逻辑电路[7]。

铅酸蓄电池充电电路连接如图所示，UC3906DW控制电池的4种充电状态：涓流充电、大电流充电、过充电、浮充电。若电池电压过低，芯片控制充电进入25mA涓流充电状态，避免当电池接反或短路时，过大的充电电流损坏电池。当电源供电正常且电池电量不足是，三极管Q1导通，电池进入大电流充电状态。当电池电压达到过充电压的95%时，电池进入过充电状态，充电电流下降，当其下降到过充电终止电流时，电池自动进入浮充状态，此时UC3906DW的第10脚输出高电平，用于指示电池已充满电。微控制器通过读取DS2438的电流寄存器判断电池当前的充放电状态，并显示出来，便于工作人员了解电源的工作状况。

连接电路如图4所示，当继电器的常闭触点闭合时，二极管D2正向偏置，D3反偏截止，输出电压由从电源转换的30V直流电经DC/DC模块得到，同时30V直流电经UC3906D给电池充电。当电源掉电或单片机输出低电平使线圈得电、常闭触点断开时，D2反偏截止，D3正向偏置，电池经过D3为输出供电。继电器线圈反接一个二极管D4，用于消耗继电器线圈断电时产生的反向电动势，防止三极管Q2被烧坏。

3.智能不间断电源的软件设计

基于DS2438的软件主要由上位机软件和下位机软件组成。上位机应用组态王对交流输入、设备温度、输出电压、输出电流、电池剩余电量这几个参数进行实时显示，并设置一个按钮用来手动切换电源的供电方式。组态王与下位机之间采用RS-485进行通信，通信协议采用通用单片机Hex协议，每1s刷新一次显示数据。下位机程序主要由主循环程序和实现各个功能的子程序组成，程序流程图如图5所示，其中读取数据并显示包括时间、交流输入电压、设备温度、电池剩余电量、输出电流及电压的读取和显示。

4.结语

本文所讨论的智能直流不间断电源，不仅能达到不间断供电的设计要求，而且能准确显示设备温度、电池剩余电量、输出电流及电压等参数。系统设计合理、自动化程度高、可靠性好，可有效地保证了工业以太网交换机的不间断供电，为生产的高效、安全进行和数字化工业的进一步发展提供了保障。

[1]周晓兵,费敏锐.以太网在工业自动化领域中的应用现状和发展前景[J].自动化仪表,2001,22(10)：1-4.

[2]陈积明,王智,孙优贤.工业以太网的研究现状及展望[J].化工自动化及仪表,2001,28(6)：1-4.

[3]王慧,胡恒生,胡恩勇.铅酸蓄电池常见故障分析与预防措施[J].电源技术应用,2010(13)：46-49.

[4]刘强,杨昉昉.矿用直流不间断电源的设计[J].工矿自动化,2011(8)：130-133.

[5]李荣武.AD637集成真有效值转换器[J].电测与仪表,1991(3)：36-39.

[6]郭屹松.基于DS2438的智能电池监测系统设计[J].北京石油化工学院学报,2008(3)：31-35.

[7]李兵.基于UC3906的免维护铅酸蓄电池智能充电器的设计[J].设计与计算,2005(11)：94-95.