武彥飛，童崢嶸，邢文華，王俊峰

　?。ㄌ旖蚶砉ご髮W(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(lài)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。　

　　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(xún)；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］?！　?/p>

　　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(xún)。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。

參考文獻(xiàn)

 ［1］ 王舜堯，姚建軍，王汝文．一種多功能雙電源轉(zhuǎn)換智能控制器［J］.低壓電器，2002(4) : 2931.

［2］ GB/T14048.112008．低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備［S］．2008.

［3］ 陳眾勵(lì).ATSE應(yīng)用中需關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題［J］.電氣應(yīng)用，2006(5):155157.

［4］ 康洪富，張興波.基于STC系列單片機(jī)的智能溫度控制器設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2013,39(5):8688.

［5］ 趙榮康.智能型雙電源開(kāi)關(guān)控制器的設(shè)計(jì) ［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2010,29(15)：2224.

［6］ 蘇和，時(shí)述有.SSR控制的電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)電路設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2009,35(12)：6566.

［7］ 楊開(kāi)宇，柯慧，高印寒，等.智能壓裝力單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2013，21(11):29262928.