武彥飛，童崢嶸，邢文華，王俊峰
（天津理工大學 計算機與通信工程學院，天津 300384）
摘要：設計了一種以STC單片機為核心的雙電源自動轉換開關控制器，具有自動檢測、診斷和控制的功能。系統電源出現故障時，短時間內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，電力系統的連續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（醫院、機場、大型生產線、銀行等），電力系統出現故障時，如果不能及時供電，將會帶來巨大損失［1］。自動轉換開關(Automatic Transfer Switching Equipment，ATSE）便是為了確保供電連續而設計的。ATSE 由開關主體和其他必需的電器組成，設有監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換至另一個電源［2］。1992年在上海金茂大廈的設計中我國首次引入ATSE，此后在我國的建筑工程等領域，這種開關裝置得到了普遍應用［3］。國際電工委員會標準將ATSE分為CB級和PC級。CB級ATSE結構復雜、體積大、切換時間長且可靠性較差，故隨著ATSE技術的不斷進步，其應用領域逐漸縮小。PC級ATSE結構簡單、體積小、切換時間短且安全可靠，近年來逐漸占據了ATSE的主流市場［4］。
本文設計了一種以STC單片機為控制核心的雙電源自動轉換開關控制器。系統設有常用與備用兩個電源，正常情況下常用電源供電；設有電壓檢測模塊對常用、備用電源電壓進行實時監測；設有單片機控制模塊對采集電壓進行處理與判斷，并根據判斷結果發出相應控制命令；設有電機與電閘切換模塊響應單片機的控制命令，快速進行電源切換動作。當系統判斷常用電源出現故障（如欠壓、過壓、斷相）時，各模塊協同運作，自動切換到備用電源供電；當系統判斷常用電源恢復正常時，再自動切換回常用電源供電。STC單片機具有體積小、數據處理速度快、抗干擾性強和功耗低的特點［3］，保障該控制器的有效性。相較于傳統的以單片機為基礎的雙電源自動轉換開關控制器，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，有效隔離環境、電磁場等因素的干擾；軟件采用C語言及其內核函數編程，語法靈活；用內部邏輯關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系統總體設計
系統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，結構框圖如圖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出控制命令，使電機反轉，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正常后，單片機對繼電器與電機發出控制命令，使電機正轉，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。
系統實現的主要功能如表1所示。狀態1表示繼電器控制電機，保持常用電閘閉合，系統使用常用電源。狀態2表示繼電器控制電機，使備用電閘閉合，系統使用備用電源，系統向外報警，常用電故障。狀態3表示繼電器控制電機，保持常用電閘閉合，系統使用常用電源，系統向外報警，備用電源故障。狀態4表示系統不工作。
2硬件設計
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（NA、NB、NC）進行檢測，系統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換為數字量,判斷常用電源是否供電正常，進而控制繼電器，驅動電機切換電源。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單片機內部A/D轉換采用均方根算法，電壓的公式可以表示為：
式中：U為模擬量轉換為數字量的電壓值；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的點，所以將公式離散后進行數字化。離散后的公式為：
式中：N為每個周期的采樣點個數；uLj為第j個電壓采樣值。
常用電源火線NA作為電源部分為系統供電，如圖2所示。經過變壓器后輸出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NB與NC一同檢測，如圖4所示。NB信號經過R4、R5、R6分壓，經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定，C5與R10的作用是將信號轉變為高電平輸出給單片機。NB與NC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通，輸出電壓降低，為C4充電，兩個光電耦合器依次導通，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
系統存在常用、備用兩路電源，各由一個電閘控制。兩個電閘間設計一個由電機控制的切換裝置，電機正轉時， 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，實現電機供電選擇、電機旋轉方向選擇的功能［6］，最終控制電機進行常用、備用電源切換，如圖7。cont2驅動J2在常用電與備用電之間選擇一路電為電機供電；cont0驅動J3控制電機的正轉與反轉。若J2直接同時接入常用電與備用電，則切換時電流較大，容易產生火花，比較危險，故設計cont1驅動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軟件設計
軟件設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、備用電源之間的轉換。圖8為控制程序流程圖。軟件程序采用C語言及其內部特定的內核函數編寫，提高了程序運行效率；采用“指令冗余”技術，多編寫單字節指令，在雙字節、三字節指令后面加兩條單字節指令NOP，增強了控制器軟件抗干擾能力［7］。
首先，對單片機以及繼電器進行初始化設置。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，之后持續對常用電源進行檢測直至其恢復正常，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。
系統軟件與硬件相結合，經過調試后，能夠使單片機雙電源自動切換開關控制器正常運行，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。
測試結果：常用報警，備用電合閘，由備用電供電，切換時間約1 s。
結果分析：在信號采集階段，圖4中NB、NC經兩個光電耦合在NBC處得到穩定電壓值約用時0.2 s，電閘動作0.8 s。
4結論
本文設計了一種以單片機為核心的雙電源自動轉換開關控制器，并對其硬件與軟件設計進行了深入討論。該控制器的電壓檢測模塊能夠實時檢測常用、備用電源的供電狀況；系統能夠自動判斷電源出現的各種故障（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供人工查詢。與此同時，系統信號采集采用均方根算法，保證了數據的精確性與可靠性；軟件編程采用C語言，語法靈活、運行速度快、效率高；在系統的硬件與軟件設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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