武彥飛，童崢嶸，邢文華，王俊峰

　?。ㄌ旖蚶砉ご髮W 計算機與通信工程學院，天津 300384）

　　摘要：設(shè)計了一種以STC單片機為核心的雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)控制器，具有自動檢測、診斷和控制的功能。系統(tǒng)電源出現(xiàn)故障時，短時間內(nèi)能夠自動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)計方案。該控制器切換時間短且抗干擾性強，具有較高的可靠性。

　　關(guān)鍵詞：單片機;雙電源;控制器;自動切換;抗干擾

0引言

　    隨著社會科技的發(fā)展與進步，生活水平的日益提高，人們對電的依賴性逐漸加強，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。特別是一些重要用電場所（醫(yī)院、機場、大型生產(chǎn)線、銀行等），電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，如果不能及時供電，將會帶來巨大損失［1］。自動轉(zhuǎn)換開關(guān)(Automatic Transfer Switching Equipment，ATSE）便是為了確保供電連續(xù)而設(shè)計的。ATSE 由開關(guān)主體和其他必需的電器組成，設(shè)有監(jiān)測電源電路對電源進行故障檢測，并且能夠自動將一個或幾個負載電路從一個電源轉(zhuǎn)換至另一個電源［2］。1992年在上海金茂大廈的設(shè)計中我國首次引入ATSE，此后在我國的建筑工程等領(lǐng)域，這種開關(guān)裝置得到了普遍應(yīng)用［3］。國際電工委員會標準將ATSE分為CB級和PC級。CB級ATSE結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、切換時間長且可靠性較差，故隨著ATSE技術(shù)的不斷進步，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸縮小。PC級ATSE結(jié)構(gòu)簡單、體積小、切換時間短且安全可靠，近年來逐漸占據(jù)了ATSE的主流市場［4］。

　　本文設(shè)計了一種以STC單片機為控制核心的雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)控制器。系統(tǒng)設(shè)有常用與備用兩個電源，正常情況下常用電源供電；設(shè)有電壓檢測模塊對常用、備用電源電壓進行實時監(jiān)測；設(shè)有單片機控制模塊對采集電壓進行處理與判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果發(fā)出相應(yīng)控制命令；設(shè)有電機與電閘切換模塊響應(yīng)單片機的控制命令，快速進行電源切換動作。當系統(tǒng)判斷常用電源出現(xiàn)故障（如欠壓、過壓、斷相）時，各模塊協(xié)同運作，自動切換到備用電源供電；當系統(tǒng)判斷常用電源恢復(fù)正常時，再自動切換回常用電源供電。STC單片機具有體積小、數(shù)據(jù)處理速度快、抗干擾性強和功耗低的特點［3］，保障該控制器的有效性。相較于傳統(tǒng)的以單片機為基礎(chǔ)的雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)控制器，為了提高本控制器的抗干擾能力，在電壓檢測電路中加入光電隔離電路和濾波電路，有效隔離環(huán)境、電磁場等因素的干擾；軟件采用C語言及其內(nèi)核函數(shù)編程，語法靈活；用內(nèi)部邏輯關(guān)系代替實際的硬件連接，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

　　系統(tǒng)主要由電壓檢測模塊（常用電檢測和備用電檢測）、電機模塊、電閘模塊、按鍵控制模塊以及故障報警模塊組成，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供電［5］;電壓檢測模塊

　　對常用電源與備用電源各個相的電壓進行檢測，檢測結(jié)果作為采樣值送入單片機。單片機對接收到的信號進行處理與判斷，當檢測出常用電源有任意一相電壓信號不正常時，單片機對繼電器與電機發(fā)出控制命令，使電機反轉(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；當檢測出常用電源恢復(fù)正常后，單片機對繼電器與電機發(fā)出控制命令，使電機正轉(zhuǎn)，備用電閘斷開，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。同時設(shè)計故障報警模塊和按鍵控制模塊，便于及時進行故障檢修以及人工切換電源。

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

2硬件設(shè)計

　　2.1實時電壓檢測

　　電壓檢測電路對常用電源與備用電源輸入的三相交流電壓（NA、NB、NC）進行檢測，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志。當檢測到其中任何一相電壓不正常時，表明電源發(fā)生故障。通過STC204D2單片機A/D模塊編程把所采集到的信號模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,判斷常用電源是否供電正常，進而控制繼電器，驅(qū)動電機切換電源。在電壓信號檢測電路中加入光電耦合電路和濾波電路，增強控制器硬件抗干擾能力。

　　STC204D2單片機內(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為采樣時間；uL(t）為采樣電壓瞬時值。

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

　　式中：N為每個周期的采樣點個數(shù)；uLj為第j個電壓采樣值。

　　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)過變壓器后輸出12 V交流電，在R2與R3之間進行分壓。變壓器輸出為正電壓時，NA點為正常分壓；變壓器輸出為負電壓時，由于二極管D1的鉗位電壓作用，NA將固定在-0.7 V。最終將檢測值輸出到單片機A14口。系統(tǒng)采集NA的值作為常用電正常的標志之一。

　　對圖2電路進行仿真，NA點輸出波形如圖3所示。輸入為220 V 50 Hz交流電，測得NA點電壓值約為1.94 V。

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

　　對圖4電路進行仿真，第一個光電耦合器輸出NB點與NBC點的輸出波形如圖5。第一個光電耦合器導(dǎo)通，輸出電壓降低，為C4充電，兩個光電耦合器依次導(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點電壓值約為4.3 V。檢測時間為0.2 s。

　　2.2常用、備用電源切換的硬件實現(xiàn)

　　系統(tǒng)存在常用、備用兩路電源，各由一個電閘控制。兩個電閘間設(shè)計一個由電機控制的切換裝置，電機正轉(zhuǎn)時， 圖6電機控制電閘示意圖

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

　　單片機通過cont0、cont1、cont2三個端口控制繼電器J3、J1、J2，實現(xiàn)電機供電選擇、電機旋轉(zhuǎn)方向選擇的功能［6］，最終控制電機進行常用、備用電源切換，如圖7。cont2驅(qū)動J2在常用電與備用電之間選擇一路電為電機供電；cont0驅(qū)動J3控制電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。若J2直接同時接入常用電與備用電，則切換時電流較大，容易產(chǎn)生火花，比較危險，故設(shè)計cont1驅(qū)動J1控制備用電的接入，在J2接入備用電之前對備用電進行斷開處理，僅當常用電不正常需要備用電時再去接通。

3軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計部分包括顯示程序與控制程序。顯示程序用來顯示檢測到的實時電壓值，供人工查詢；控制程序用來實現(xiàn)單片機對繼電器與電機的控制，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語言及其內(nèi)部特定的內(nèi)核函數(shù)編寫，提高了程序運行效率；采用“指令冗余”技術(shù)，多編寫單字節(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，增強了控制器軟件抗干擾能力［7］?！　?/p>

　　首先，對單片機以及繼電器進行初始化設(shè)置。然后，對常用電源電壓值進行判斷。如果常用電源三相電壓值均正常，則繼續(xù)對備用電源輸入電壓值進行判斷：備用電源正常，重新初始化進行新一輪判斷；備用電源不正常，則備用報警，持續(xù)檢測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，則常用報警，備用合閘，使備用電源供電，之后持續(xù)對常用電源進行檢測直至其恢復(fù)正常，備用斷閘，常用合閘，常用電源重新供電，初始化進行新一輪判斷。

　　系統(tǒng)軟件與硬件相結(jié)合，經(jīng)過調(diào)試后，能夠使單片機雙電源自動切換開關(guān)控制器正常運行，完成電源切換的功能。

　　對控制器進行測試，測試內(nèi)容如下：

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

　　測試結(jié)果：常用報警，備用電合閘，由備用電供電，切換時間約1 s。

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

4結(jié)論

　　本文設(shè)計了一種以單片機為核心的雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)控制器，并對其硬件與軟件設(shè)計進行了深入討論。該控制器的電壓檢測模塊能夠?qū)崟r檢測常用、備用電源的供電狀況；系統(tǒng)能夠自動判斷電源出現(xiàn)的各種故障（如斷相、欠壓、過壓等），并快速進行電源切換；控制面板能夠顯示當前供電狀態(tài)供人工查詢。與此同時，系統(tǒng)信號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語言，語法靈活、運行速度快、效率高；在系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計中均采取了抗干擾措施，顯著提高了控制器的可靠性。

參考文獻

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