1. 引言（Introduction）?
隨著近幾年技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,，在電源切換系統(tǒng)中出現(xiàn)了一種新型產(chǎn)品——自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（ＡＴＳＥ）,，它由１個(gè)（或幾個(gè)）轉(zhuǎn)換開關(guān)電器和其它必需的電器組成，用于監(jiān)測電源電路,，并將負(fù)載電路(出現(xiàn)故障)從一個(gè)電源自動轉(zhuǎn)至另一個(gè)（備用）電源的開關(guān)電器,，是專用于電源轉(zhuǎn)換的新型產(chǎn)品，可以說自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（ＡＴＳＥ）代表著電源切換系統(tǒng)類產(chǎn)品發(fā)展的方向[1],。它主要用在緊急供電系統(tǒng),，如：消防、電梯等供電系統(tǒng),，在民用住宅和商用住宅中有著廣泛的應(yīng)用,。其產(chǎn)品應(yīng)用的場合決定了其可靠性尤為重要,。轉(zhuǎn)換一旦失敗將會造成以下二種危害之一：電源間的短路或重要負(fù)荷斷電（甚至短暫停電），其后果都是嚴(yán)重的,。這不僅僅會帶來經(jīng)濟(jì)損失（使生產(chǎn)停頓,、金融癱瘓），也可能造成社會問題（使生命及安全處于危險(xiǎn)之中）,。因此，工業(yè)發(fā)達(dá)國家都把自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器的生產(chǎn),、使用列為重點(diǎn)加以限制與規(guī)范,。
縱觀國內(nèi)市場，長期以來,，國內(nèi)使用的雙電源轉(zhuǎn)換裝置,，都是設(shè)計(jì)院根據(jù)設(shè)計(jì)所需提出技術(shù)參數(shù)，由成套生產(chǎn)廠家利用刀開關(guān),、空氣開關(guān),、接觸器等電器元件組裝而成。由于先前我國相關(guān)部門,、生產(chǎn)廠家對市場需求的忽視,，以及缺乏系統(tǒng)性的考慮和相關(guān)國標(biāo)的明確要求，此類產(chǎn)品普遍存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺陷,，又因線路,、元器件選擇及制造工藝上的質(zhì)量參差，使得我國ATSE的研制和生產(chǎn)相對落后于國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平,。
進(jìn)入20世紀(jì)90年代中期,，隨著法國、日本,、新加坡,、美國、韓國等國的多個(gè)品牌的ATSE產(chǎn)品先后打入中國市場,，雖在一定程度上緩解了我國的市場需求,，但由于國外的供電標(biāo)準(zhǔn)和供電環(huán)境和國內(nèi)的差異，以及價(jià)格方面的原因,，研制適合我國國情的通用ATSE產(chǎn)品,，日益為廣大電氣設(shè)計(jì)人員所重視和關(guān)注。
近幾年,，我國的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器生產(chǎn)企業(yè)（尤其是生產(chǎn)CB級ATSE企業(yè)）迅速增加,，其產(chǎn)品性能及產(chǎn)品質(zhì)量不一，給設(shè)計(jì),、使用部門選用造成一定困難,，也由于對ATSE使用和選用不當(dāng),，給國家財(cái)產(chǎn)造成很大損失。為了規(guī)范自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（ATSE）產(chǎn)品的生產(chǎn)與選用,，國家質(zhì)檢總局于2002年12月頒布了GB/T14048.11-2002《自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器》（等同IEC60947.6.1-1998）國家標(biāo)準(zhǔn)[2,3],，2003年4月1日實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)將是今后ATSE生產(chǎn)制造企業(yè),、設(shè)計(jì)使用單位,、商業(yè)活動共同遵循的一部技術(shù)性法規(guī)文件，也將是3C認(rèn)證依據(jù)的技術(shù)法規(guī),。
本論文中ATSE控制器的設(shè)計(jì)就是依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn),，設(shè)計(jì)的CB型ATSE的控制器。
在ATSE（CB型）控制器的設(shè)計(jì)中,，根據(jù)應(yīng)用的場合和需要不同,，控制器可分為兩種：一種采用繼電器實(shí)現(xiàn)，電路簡單,，但只能檢測三相電源的斷路情況,，對欠壓、過壓不能檢測,，功能簡單,；一種是采用智能控制器，不僅可以檢測斷路,、欠壓,、過壓情況，還有自動/電動設(shè)置,、人機(jī)接口,，可設(shè)置過壓欠壓值和轉(zhuǎn)換時(shí)間，功能強(qiáng)大,。本文中ATSE控制器的設(shè)計(jì),，采用的是智能控制器，以51單片機(jī)為核心[4],，完成控制器的設(shè)計(jì),，實(shí)現(xiàn)ATSE的功能。文中從硬件和軟件設(shè)計(jì)兩部分來說明ATSE控制器的設(shè)計(jì),。
2.ATSE控制器的硬件設(shè)計(jì)（The hardware design of the ATSE controller）
ATSE控制器的硬件部分主要由供電電源電路,、兩路三相交流電電壓檢測電路、單片機(jī),、選項(xiàng)設(shè)置和位置檢測和電機(jī)控制電路組成,，見圖1，分為兩塊電路板設(shè)計(jì),，一塊電路板實(shí)現(xiàn)電源電路和電機(jī)控制電路,，另一塊電路板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,、單片機(jī)控制、選項(xiàng)設(shè)置和位置檢測等弱電電路,，采用這種設(shè)計(jì)可防止強(qiáng)電和弱電之間的干擾,，便于維護(hù)。
以下是各部分電路的簡要說明：
1）供電電源電路：電源電路主要是為電機(jī)控制電路的繼電器和單片機(jī)控制以及電壓檢測電路提供兩路隔離＋12V和＋5V電源,，一路為單片機(jī)控制和電機(jī)控制電路的繼電器供電,，一路為電壓檢測電路的交流側(cè)的數(shù)據(jù)采集提供電源，目的是對強(qiáng)電和弱電提供安全和抗干擾隔離,。＋12V和＋5V電源由220V交流電經(jīng)過變壓器,、整流濾波電路和LM7812和LM7805芯片產(chǎn)生，電路框圖見圖2,其中輸入交流電選擇（繼電器）用來選擇用常用電源還是備用電源供電,，用繼電器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)常用電源正常時(shí)用常用電源,，否則用備用電源,。
2）電機(jī)控制電路
在控制器中，用交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制開關(guān)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置（如I位,、Ⅱ位和0位）,，交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)由三根線（O，A,，B）控制,，一根（O）接零線，其余兩根中的一根（A）接火線,，另一根（B）懸空時(shí)正轉(zhuǎn),，反之反轉(zhuǎn)。A,B兩根線由單片機(jī)的I/O口通過三極管控制繼電器的常開節(jié)點(diǎn)與火線連接,，框圖見圖3,。
3）兩路三相交流電電壓檢測電路
兩路三相交流電電壓檢測電路實(shí)現(xiàn)三相交流電電壓檢測，把220v交流電壓轉(zhuǎn)換為0－5V的直流電壓,，通過AD轉(zhuǎn)換芯片（ADC0832）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量由單片機(jī)采集,。該部分電路由六選一電路、分壓電路,、整流濾波電路,、A/D轉(zhuǎn)換電路和光耦隔離電路組成，見圖4,。
六選一電路,，單片機(jī)一次采樣一路交流電采樣[5]，此電路采用八個(gè)光耦（moc3083,，220V光耦）,，其中六個(gè)接常用電源和備用電源的火線,，另兩個(gè)接常用電源和備用電源的零線，每次使連接常用電源或備用電源的火線和零線的光耦選通,，對本相交流電采樣,，完成六選一功能，同時(shí)完成電隔離,；分壓電路通過電阻分壓實(shí)現(xiàn)0－300V交流電降為0－5V交流電,；整流濾波電路實(shí)現(xiàn)交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓；A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,，由于控制器對采樣的精度和速度要求不高,，所以選擇八位串行A/D采樣芯片ADC0832；光耦隔離實(shí)現(xiàn)交流電和單片機(jī)控制電路的電隔離,，本系統(tǒng)采用中速光耦6N136實(shí)現(xiàn),。
4）選項(xiàng)設(shè)置及位置檢測電路
選項(xiàng)設(shè)置電路設(shè)置控制器處于電動/自動狀態(tài)和在電動狀態(tài)下手動置0位、置Ⅰ位和置Ⅱ位,，通過按鈕實(shí)現(xiàn),。ATSE控制器有兩種控制狀態(tài)即電動/自動狀態(tài)，在電動狀態(tài)下,，通過按鈕設(shè)置開關(guān)處于0位,、Ⅰ位和Ⅱ位，在自動狀態(tài)下,，控制器根據(jù)常用電源和備用電源的狀態(tài)使開關(guān)處于0位,、Ⅰ位和Ⅱ位，當(dāng)常用電源正常,，開關(guān)處于Ⅰ位,；當(dāng)備用電源正常，常用電源不正常,，處于Ⅱ位,；兩路都不正常，處于零位,。
位置檢測電路檢測0位,、Ⅰ位和Ⅱ位的位置，當(dāng)開關(guān)處于相應(yīng)的位置時(shí),，對應(yīng)的端口為0,，單片機(jī)可以停止電機(jī)轉(zhuǎn)動。
5）單片機(jī)電路
單片機(jī)是控制器的核心,，完成整個(gè)控制器的控制功能,，包括交流電壓選擇、電壓采樣,、采樣數(shù)據(jù)處理,、選項(xiàng)設(shè)置,、電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制以及開關(guān)位置檢測等功能。
3.ATSE控制器的軟件設(shè)計(jì)（The software design of the ATSE controller）
ATSE控制器的核心控制器是單片機(jī),，應(yīng)用中采用Atmel公司的AT89s52單片機(jī),，采用keil C51編程，軟件完成整個(gè)控制器的功能,，包括輸入交流電采樣選擇,、A/D轉(zhuǎn)換接口、電壓采樣,、采樣數(shù)據(jù)處理,、選項(xiàng)設(shè)置、電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制以及開關(guān)位置檢測等功能,。軟件的整體框圖見圖5,。以下部分是對軟件各部分的介紹。
1）上電初始化
上電初始化主要完成定時(shí)器初始化,、端口初始化和各標(biāo)志位的初始化功能,。在控制器的設(shè)計(jì)中，交流電壓的數(shù)據(jù)采集是300ms采一路電壓,，整個(gè)6路電壓需要1.8s完成,，數(shù)據(jù)采集的定時(shí)是通過單片機(jī)的定時(shí)器1中斷完成[4],。定時(shí)器初始化完成定時(shí)器初值,、工作模式的設(shè)置。
2）電動/自動檢測
通過對電動/自動按鈕的采樣,，決定控制器處于電動狀態(tài)還是自動狀態(tài),，高為自動狀態(tài)，低為電動狀態(tài),。
3）電動狀態(tài)
控制器在電動狀態(tài)下,，通過按鈕設(shè)置ATSE轉(zhuǎn)到0位、Ⅰ位和Ⅱ位,。圖6是ATSE轉(zhuǎn)到0位的框圖,，轉(zhuǎn)到Ⅰ位和Ⅱ位框圖相似。
4）自動狀態(tài)
ATSE控制器在自動狀態(tài)下,，完成輸入交流電采樣選擇,、電壓采樣、采樣數(shù)據(jù)處理,、電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制以及開關(guān)位置檢測等功能,。見圖7。
定時(shí)選擇采樣的電壓：根據(jù)定時(shí)器的計(jì)數(shù)值（本設(shè)計(jì)為10ms中斷一次）,，即計(jì)數(shù)值為30（300ms）,，60（600ms）…180(1.8s)時(shí)選擇相應(yīng)的交流電選通輸入,。
A/D采樣：在交流電選通輸入時(shí)，開啟A/D轉(zhuǎn)換芯片（ADC0832）,，采集數(shù)字量,。
數(shù)據(jù)處理：根據(jù)采集的數(shù)據(jù)判斷常用電源和備用電源是否正常，在系統(tǒng)中電壓的正常范圍為180－255v之間,，在系統(tǒng)的設(shè)定中,，220v對應(yīng)的數(shù)字量為186，180V和255V對應(yīng)的數(shù)字量分別為152和216,，常用電源和備用電源中有一相電壓有故障,，就認(rèn)為不正常，并置相應(yīng)的標(biāo)志位,。
開關(guān)轉(zhuǎn)動控制：根據(jù)常用電源和備用電源是否正常,，把開關(guān)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置，圖8為程序框圖,。在圖8中,，轉(zhuǎn)到0位、Ⅰ位和Ⅱ位的框圖見圖6,。
4.結(jié)論
經(jīng)過實(shí)際工作的測試,，本文中的ATSE控制器的設(shè)計(jì)，達(dá)到預(yù)期的目的,，符合設(shè)計(jì)CB型ATSE的國家標(biāo)準(zhǔn),，完成了自動/電動設(shè)置、檢測斷路,、欠壓,、過壓情況，并根據(jù)設(shè)置和檢測情況使ATSE轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置,。
該控制器達(dá)到了產(chǎn)品生產(chǎn)的要求,，現(xiàn)已經(jīng)投入批量生產(chǎn)。