武彥飛，童崢嶸,，邢文華,，王俊峰

　　（天津理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院,，天津 300384）

　　摘要：設(shè)計(jì)了一種以STC單片機(jī)為核心的雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制器,，具有自動(dòng)檢測(cè)、診斷和控制的功能,。系統(tǒng)電源出現(xiàn)故障時(shí),，短時(shí)間內(nèi)能夠自動(dòng)從故障電源切換到備用電源供電。給出了該控制器的硬件及軟件設(shè)計(jì)方案,。該控制器切換時(shí)間短且抗干擾性強(qiáng),，具有較高的可靠性。

　　關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);雙電源;控制器;自動(dòng)切換;抗干擾

0引言

　    隨著社會(huì)科技的發(fā)展與進(jìn)步,，生活水平的日益提高,，人們對(duì)電的依賴性逐漸加強(qiáng)，電力系統(tǒng)的連續(xù)可靠性成為保障正常生活的重要指標(biāo),。特別是一些重要用電場(chǎng)所（醫(yī)院,、機(jī)場(chǎng)、大型生產(chǎn)線,、銀行等）,，電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，如果不能及時(shí)供電,，將會(huì)帶來(lái)巨大損失［1］,。自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(Automatic Transfer Switching Equipment，ATSE）便是為了確保供電連續(xù)而設(shè)計(jì)的,。ATSE 由開(kāi)關(guān)主體和其他必需的電器組成,，設(shè)有監(jiān)測(cè)電源電路對(duì)電源進(jìn)行故障檢測(cè)，并且能夠自動(dòng)將一個(gè)或幾個(gè)負(fù)載電路從一個(gè)電源轉(zhuǎn)換至另一個(gè)電源［2］。1992年在上海金茂大廈的設(shè)計(jì)中我國(guó)首次引入ATSE,，此后在我國(guó)的建筑工程等領(lǐng)域,，這種開(kāi)關(guān)裝置得到了普遍應(yīng)用［3］。國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)將ATSE分為CB級(jí)和PC級(jí),。CB級(jí)ATSE結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、體積大、切換時(shí)間長(zhǎng)且可靠性較差,，故隨著ATSE技術(shù)的不斷進(jìn)步,，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸縮小。PC級(jí)ATSE結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、體積小,、切換時(shí)間短且安全可靠，近年來(lái)逐漸占據(jù)了ATSE的主流市場(chǎng)［4］,。

　　本文設(shè)計(jì)了一種以STC單片機(jī)為控制核心的雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制器,。系統(tǒng)設(shè)有常用與備用兩個(gè)電源，正常情況下常用電源供電,；設(shè)有電壓檢測(cè)模塊對(duì)常用,、備用電源電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；設(shè)有單片機(jī)控制模塊對(duì)采集電壓進(jìn)行處理與判斷,，并根據(jù)判斷結(jié)果發(fā)出相應(yīng)控制命令,；設(shè)有電機(jī)與電閘切換模塊響應(yīng)單片機(jī)的控制命令，快速進(jìn)行電源切換動(dòng)作,。當(dāng)系統(tǒng)判斷常用電源出現(xiàn)故障（如欠壓,、過(guò)壓、斷相）時(shí),，各模塊協(xié)同運(yùn)作,，自動(dòng)切換到備用電源供電；當(dāng)系統(tǒng)判斷常用電源恢復(fù)正常時(shí),，再自動(dòng)切換回常用電源供電,。STC單片機(jī)具有體積小、數(shù)據(jù)處理速度快,、抗干擾性強(qiáng)和功耗低的特點(diǎn)［3］,，保障該控制器的有效性。相較于傳統(tǒng)的以單片機(jī)為基礎(chǔ)的雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制器,，為了提高本控制器的抗干擾能力,，在電壓檢測(cè)電路中加入光電隔離電路和濾波電路，有效隔離環(huán)境,、電磁場(chǎng)等因素的干擾,；軟件采用C語(yǔ)言及其內(nèi)核函數(shù)編程,，語(yǔ)法靈活,；用內(nèi)部邏輯關(guān)系代替實(shí)際的硬件連接,，避免大量中間連線的干擾，保障該控制器的可靠性,。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主要由電壓檢測(cè)模塊（常用電檢測(cè)和備用電檢測(cè)）,、電機(jī)模塊、電閘模塊,、按鍵控制模塊以及故障報(bào)警模塊組成,，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電源模塊在常用電源與備用電源之間選擇一路為單片機(jī)供電［5］;電壓檢測(cè)模塊

　　對(duì)常用電源與備用電源各個(gè)相的電壓進(jìn)行檢測(cè),，檢測(cè)結(jié)果作為采樣值送入單片機(jī),。單片機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理與判斷，當(dāng)檢測(cè)出常用電源有任意一相電壓信號(hào)不正常時(shí),，單片機(jī)對(duì)繼電器與電機(jī)發(fā)出控制命令,，使電機(jī)反轉(zhuǎn)，備用電閘閉合,，控制面板上備用電源指示燈亮,，備用電源供電；當(dāng)檢測(cè)出常用電源恢復(fù)正常后,，單片機(jī)對(duì)繼電器與電機(jī)發(fā)出控制命令,，使電機(jī)正轉(zhuǎn)，備用電閘斷開(kāi),，常用電閘閉合,，從備用電源切換到常用電源供電，控制面板上常用電源指示燈亮,。同時(shí)設(shè)計(jì)故障報(bào)警模塊和按鍵控制模塊,，便于及時(shí)進(jìn)行故障檢修以及人工切換電源。

　　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能如表1所示,。狀態(tài)1表示繼電器控制電機(jī),，保持常用電閘閉合，系統(tǒng)使用常用電源,。狀態(tài)2表示繼電器控制電機(jī),，使備用電閘閉合，系統(tǒng)使用備用電源,，系統(tǒng)向外報(bào)警,，常用電故障。狀態(tài)3表示繼電器控制電機(jī),，保持常用電閘閉合,，系統(tǒng)使用常用電源,，系統(tǒng)向外報(bào)警，備用電源故障,。狀態(tài)4表示系統(tǒng)不工作,。

2硬件設(shè)計(jì)

　　2.1實(shí)時(shí)電壓檢測(cè)

　　電壓檢測(cè)電路對(duì)常用電源與備用電源輸入的三相交流電壓（NA、NB,、NC）進(jìn)行檢測(cè),，系統(tǒng)采集三相電壓值作為常用電源與備用電源正常的標(biāo)志。當(dāng)檢測(cè)到其中任何一相電壓不正常時(shí),，表明電源發(fā)生故障,。通過(guò)STC204D2單片機(jī)A/D模塊編程把所采集到的信號(hào)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,判斷常用電源是否供電正常，進(jìn)而控制繼電器,，驅(qū)動(dòng)電機(jī)切換電源,。在電壓信號(hào)檢測(cè)電路中加入光電耦合電路和濾波電路，增強(qiáng)控制器硬件抗干擾能力,。

　　STC204D2單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換采用均方根算法,，電壓的公式可以表示為：

　　式中：U為模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電壓值；T為采樣時(shí)間,；uL(t）為采樣電壓瞬時(shí)值,。

　　由于采集到的都是不連續(xù)的點(diǎn)，所以將公式離散后進(jìn)行數(shù)字化,。離散后的公式為：

　　式中：N為每個(gè)周期的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù),；uLj為第j個(gè)電壓采樣值。

　　常用電源火線NA作為電源部分為系統(tǒng)供電,，如圖2所示,。經(jīng)過(guò)變壓器后輸出12 V交流電，在R2與R3之間進(jìn)行分壓,。變壓器輸出為正電壓時(shí),，NA點(diǎn)為正常分壓；變壓器輸出為負(fù)電壓時(shí),，由于二極管D1的鉗位電壓作用,，NA將固定在-0.7 V。最終將檢測(cè)值輸出到單片機(jī)A14口,。系統(tǒng)采集NA的值作為常用電正常的標(biāo)志之一,。

　　對(duì)圖2電路進(jìn)行仿真，NA點(diǎn)輸出波形如圖3所示,。輸入為220 V 50 Hz交流電,，測(cè)得NA點(diǎn)電壓值約為1.94 V。

　　常用電火線NB與NC一同檢測(cè),，如圖4所示,。NB信號(hào)經(jīng)過(guò)R4,、R5、R6分壓,，經(jīng)過(guò)第一個(gè)光電耦合器U1輸出,，作為第二個(gè)光電耦合器U2的集電極輸入。其中C4的作用是使第二個(gè)光電耦合器輸入電壓穩(wěn)定,，C5與R10的作用是將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖捷敵鼋o單片機(jī),。NB與NC間存在相位差，同時(shí)有電時(shí)NBC處能夠檢測(cè)到直流信號(hào),，最終輸出給單片機(jī)A13口。NBC電壓作為常用電的標(biāo)志之一,?！?/p>

　　對(duì)圖4電路進(jìn)行仿真，第一個(gè)光電耦合器輸出NB點(diǎn)與NBC點(diǎn)的輸出波形如圖5,。第一個(gè)光電耦合器導(dǎo)通,，輸出電壓降低，為C4充電,，兩個(gè)光電耦合器依次導(dǎo)通,，為NBC逐漸充到高電平的電壓，輸入為220 V 50 Hz交流電,，仿真得到NBC點(diǎn)電壓值約為4.3 V,。檢測(cè)時(shí)間為0.2 s。

　　2.2常用,、備用電源切換的硬件實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)存在常用,、備用兩路電源，各由一個(gè)電閘控制,。兩個(gè)電閘間設(shè)計(jì)一個(gè)由電機(jī)控制的切換裝置,，電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)， 圖6電機(jī)控制電閘示意圖

　　常用電閘閉合,，常用電源供電,。電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，備用電閘閉合,，備用電源供電,，如圖6。

　　單片機(jī)通過(guò)cont0,、cont1,、cont2三個(gè)端口控制繼電器J3、J1,、J2,，實(shí)現(xiàn)電機(jī)供電選擇,、電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向選擇的功能［6］，最終控制電機(jī)進(jìn)行常用,、備用電源切換,，如圖7。cont2驅(qū)動(dòng)J2在常用電與備用電之間選擇一路電為電機(jī)供電,；cont0驅(qū)動(dòng)J3控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn),。若J2直接同時(shí)接入常用電與備用電，則切換時(shí)電流較大,，容易產(chǎn)生火花,，比較危險(xiǎn)，故設(shè)計(jì)cont1驅(qū)動(dòng)J1控制備用電的接入,，在J2接入備用電之前對(duì)備用電進(jìn)行斷開(kāi)處理,，僅當(dāng)常用電不正常需要備用電時(shí)再去接通。

3軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)部分包括顯示程序與控制程序,。顯示程序用來(lái)顯示檢測(cè)到的實(shí)時(shí)電壓值,，供人工查詢；控制程序用來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)繼電器與電機(jī)的控制,，完成常用,、備用電源之間的轉(zhuǎn)換。圖8為控制程序流程圖,。軟件程序采用C語(yǔ)言及其內(nèi)部特定的內(nèi)核函數(shù)編寫(xiě),，提高了程序運(yùn)行效率；采用“指令冗余”技術(shù),，多編寫(xiě)單字節(jié)指令,，在雙字節(jié)、三字節(jié)指令后面加兩條單字節(jié)指令NOP,，增強(qiáng)了控制器軟件抗干擾能力［7］,。　　

　　首先,，對(duì)單片機(jī)以及繼電器進(jìn)行初始化設(shè)置,。然后，對(duì)常用電源電壓值進(jìn)行判斷,。如果常用電源三相電壓值均正常,，則繼續(xù)對(duì)備用電源輸入電壓值進(jìn)行判斷：備用電源正常，重新初始化進(jìn)行新一輪判斷,；備用電源不正常,，則備用報(bào)警，持續(xù)檢測(cè)備用電源直至其正常為止,。如果常用電源有任一相電壓不正常,，則常用報(bào)警,，備用合閘，使備用電源供電,，之后持續(xù)對(duì)常用電源進(jìn)行檢測(cè)直至其恢復(fù)正常,，備用斷閘，常用合閘,，常用電源重新供電,，初始化進(jìn)行新一輪判斷。

　　系統(tǒng)軟件與硬件相結(jié)合,，經(jīng)過(guò)調(diào)試后,，能夠使單片機(jī)雙電源自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)控制器正常運(yùn)行，完成電源切換的功能,。

　　對(duì)控制器進(jìn)行測(cè)試,，測(cè)試內(nèi)容如下：

　　測(cè)試條件：常用電正常，然后斷路（NA,、NB、NC全為0 V）,，備用電正常,。

　　測(cè)試結(jié)果：常用報(bào)警，備用電合閘,，由備用電供電,，切換時(shí)間約1 s。

　　結(jié)果分析：在信號(hào)采集階段,，圖4中NB,、NC經(jīng)兩個(gè)光電耦合在NBC處得到穩(wěn)定電壓值約用時(shí)0.2 s，電閘動(dòng)作0.8 s,。

4結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為核心的雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制器,，并對(duì)其硬件與軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入討論。該控制器的電壓檢測(cè)模塊能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)常用,、備用電源的供電狀況,；系統(tǒng)能夠自動(dòng)判斷電源出現(xiàn)的各種故障（如斷相、欠壓,、過(guò)壓等）,，并快速進(jìn)行電源切換；控制面板能夠顯示當(dāng)前供電狀態(tài)供人工查詢,。與此同時(shí),，系統(tǒng)信號(hào)采集采用均方根算法，保證了數(shù)據(jù)的精確性與可靠性,；軟件編程采用C語(yǔ)言,，語(yǔ)法靈活,、運(yùn)行速度快、效率高,；在系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)中均采取了抗干擾措施,，顯著提高了控制器的可靠性。

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