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）

基于單片機(jī)的雙電源自動(dòng)切換開關(guān)控制器*

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）

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)換開關(guān)控制器，具有自動(dòng)檢測、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。

單片機(jī)；雙電源；控制器；自動(dòng)切換；抗干擾

O 引言

隨著社會科技的發(fā)展與進(jìn)步，生活水平的日益提高，人們對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所（醫(yī)院、機(jī)場、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，將會帶來巨大損失［1］。自動(dòng)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(jì)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(jìn)行故障檢測，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(biāo)準(zhǔn)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(shí)間長且可靠性較差，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ATSE結(jié)構(gòu)簡單、體積小、切換時(shí)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(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)有電壓檢測模塊對常用、備用電源電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；設(shè)有單片機(jī)控制模塊對采集電壓進(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(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)主要由電壓檢測模塊（常用電檢測和備用電檢測）、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］；電壓檢測模塊對常用電源與備用電源各個(gè)相的電壓進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果作為采樣值送入單片機(jī)。單片機(jī)對接收到的信號進(jìn)行處理與判斷，當(dāng)檢測出常用電源有任意一相電壓信號不正常時(shí)，單片機(jī)對繼電器與電機(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)檢測出常用電源恢復(fù)正常后，單片機(jī)對繼電器與電機(jī)發(fā)出控制命令，使電機(jī)正轉(zhuǎn)，備用電閘斷開，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。

圖1 自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)控制器系統(tǒng)框圖

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。

表1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)時(shí)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(jìn)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(biāo)志。當(dāng)檢測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STC204D2單片機(jī)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(jìn)而控制繼電器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(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。

圖2 常用電A相電壓檢測電路

對圖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，測得NA點(diǎn)電壓值約為1.94 V。

圖3 NA點(diǎn)輸出波形圖

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(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的作用是將信號轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖捷敵鼋o單片機(jī)。N-B與NC間存在相位差，同時(shí)有電時(shí)NBC處能夠檢測到直流信號，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。

圖4 常用電B、C相電壓檢測電路

對圖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。檢測時(shí)間為0.2 s。

圖5 NB點(diǎn)與NBC點(diǎn)的輸出波形

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)，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接入備用電之前對備用電進(jìn)行斷開處理，僅當(dāng)常用電不正常需要備用電時(shí)再去接通。

圖6 電機(jī)控制電閘示意圖

圖7 單片機(jī)控制繼電器驅(qū)動(dòng)電機(jī)示意圖

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。顯示程序用來顯示檢測到的實(shí)時(shí)電壓值，供人工查詢；控制程序用來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對繼電器與電機(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語言及其內(nèi)部特定的內(nèi)核函數(shù)編寫，提高了程序運(yùn)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(qiáng)了控制器軟件抗干擾能力［7］。

圖8 控制程序流程圖

首先，對單片機(jī)以及繼電器進(jìn)行初始化設(shè)置。然后，對常用電源電壓值進(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)對常用電源進(jìn)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(jìn)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(jī)雙電源自動(dòng)切換開關(guān)控制器正常運(yùn)行，完成電源切換的功能。

對控制器進(jìn)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(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)換開關(guān)控制器，并對其硬件與軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入討論。該控制器的電壓檢測模塊能夠?qū)崟r(shí)檢測常用、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(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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［2］GB/T14048.11-2008.低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備［S］.2008.

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武彥飛（1993 -），通信作者，女，學(xué)士，主要研究方向：通信信號處理。E-mai1：18322013950@163.com。

童崢嶸（1971 -），女，博士，教授，主要研究方向：通信、電子和傳感技術(shù)。

邢文華（1993 -），男，學(xué)士，主要研究方向：通信信號處理。

Dua1Power switch contro11er based on sing1e chiP microcomPuter

Wu Yanfei，Tong Zhengrong，Xing Wenhua，Wang Junfeng
（Schoo1 of ComPuter and Communication Engineering，Tianjin University of Techno1ogy，TianJin 300384，China）

A dua1Power automatic switching contro11er based on STC sing1e chiP m icrocomPuter as the core is designed，which has the function of automatic detection，diagnosis and contro1.When the system Power is broke，the Power suPP1y is automatica11y switched from the Power suPP1y to the backuP Power suPP1y in a short time.This PaPer Presents contro11er's designs of hardware and software.The contro11er has a short switching time and strong anti-interference abi1ity as we11as high re1iabi1ity.

sing1e chiP microcomPuter；dua1Power suPP1y；contro11er；automatic switching；anti-interference

TM91

A

10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.013

武彥飛，童崢嶸，邢文華，等.基于單片機(jī)的雙電源自動(dòng)切換開關(guān)控制器［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35（9）：41-43，47.

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃（青年項(xiàng)目）（5JCQNJC01800）；天津市級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410060037）；天津市高等學(xué)?？萍及l(fā)展基金計(jì)劃項(xiàng)目（20140706）

2016-01-01）