基于單片機的自動轉(zhuǎn)換開關控制器設計

1. 引言（Introduction）
   隨著近幾年技術的進步和發(fā)展，在電源切換系統(tǒng)中出現(xiàn)了一種新型產(chǎn)品——自動轉(zhuǎn)換開關電器（ＡＴＳＥ），它由１個（或幾個）轉(zhuǎn)換開關電器和其它必需的電器組成，用于監(jiān)測電源電路，并將負載電路(出現(xiàn)故障)從一個電源自動轉(zhuǎn)至另一個（備用）電源的開關電器，是專用于電源轉(zhuǎn)換的新型產(chǎn)品，可以說自動轉(zhuǎn)換開關電器（ＡＴＳＥ）代表著電源切換系統(tǒng)類產(chǎn)品發(fā)展的方向[1]。它主要用在緊急供電系統(tǒng)，如：消防、電梯等供電系統(tǒng)，在民用住宅和商用住宅中有著廣泛的應用。其產(chǎn)品應用的場合決定了其可靠性尤為重要。轉(zhuǎn)換一旦失敗將會造成以下二種危害之一：電源間的短路或重要負荷斷電（甚至短暫停電），其后果都是嚴重的。這不僅僅會帶來經(jīng)濟損失（使生產(chǎn)停頓、金融癱瘓），也可能造成社會問題（使生命及安全處于危險之中）。因此，工業(yè)發(fā)達國家都把自動轉(zhuǎn)換開關電器的生產(chǎn)、使用列為重點加以限制與規(guī)范。
   縱觀國內(nèi)市場，長期以來，國內(nèi)使用的雙電源轉(zhuǎn)換裝置，都是設計院根據(jù)設計所需提出技術參數(shù)，由成套生產(chǎn)廠家利用刀開關、空氣開關、接觸器等電器元件組裝而成。由于先前我國相關部門、生產(chǎn)廠家對市場需求的忽視，以及缺乏系統(tǒng)性的考慮和相關國標的明確要求，此類產(chǎn)品普遍存在著結構復雜的缺陷，又因線路、元器件選擇及制造工藝上的質(zhì)量參差，使得我國ATSE的研制和生產(chǎn)相對落后于國外同類產(chǎn)品的先進水平。
    進入20世紀90年代中期，隨著法國、日本、新加坡、美國、韓國等國的多個品牌的ATSE產(chǎn)品先后打入中國市場，雖在一定程度上緩解了我國的市場需求，但由于國外的供電標準和供電環(huán)境和國內(nèi)的差異，以及價格方面的原因，研制適合我國國情的通用ATSE產(chǎn)品，日益為廣大電氣設計人員所重視和關注。
   近幾年，我國的自動轉(zhuǎn)換開關電器生產(chǎn)企業(yè)（尤其是生產(chǎn)CB級ATSE企業(yè)）迅速增加，其產(chǎn)品性能及產(chǎn)品質(zhì)量不一，給設計、使用部門選用造成一定困難，也由于對ATSE使用和選用不當，給國家財產(chǎn)造成很大損失。為了規(guī)范自動轉(zhuǎn)換開關電器（ATSE）產(chǎn)品的生產(chǎn)與選用，國家質(zhì)檢總局于2002年12月頒布了GB/T14048.11-2002《自動轉(zhuǎn)換開關電器》（等同IEC60947.6.1-1998）國家標準[2,3]，2003年4月1日實施。該標準將是今后ATSE生產(chǎn)制造企業(yè)、設計使用單位、商業(yè)活動共同遵循的一部技術性法規(guī)文件，也將是3C認證依據(jù)的技術法規(guī)。
   本論文中ATSE控制器的設計就是依據(jù)國家標準，設計的CB型ATSE的控制器。
   在ATSE（CB型）控制器的設計中，根據(jù)應用的場合和需要不同，控制器可分為兩種：一種采用繼電器實現(xiàn)，電路簡單，但只能檢測三相電源的斷路情況，對欠壓、過壓不能檢測，功能簡單；一種是采用智能控制器，不僅可以檢測斷路、欠壓、過壓情況，還有自動/電動設置、人機接口，可設置過壓欠壓值和轉(zhuǎn)換時間，功能強大。本文中ATSE控制器的設計，采用的是智能控制器，以51單片機為核心[4]，完成控制器的設計，實現(xiàn)ATSE的功能。文中從硬件和軟件設計兩部分來說明ATSE控制器的設計。
2.ATSE控制器的硬件設計（The hardware design of the ATSE controller）
  ATSE控制器的硬件部分主要由供電電源電路、兩路三相交流電電壓檢測電路、單片機、選項設置和位置檢測和電機控制電路組成，見圖1，分為兩塊電路板設計，一塊電路板實現(xiàn)電源電路和電機控制電路，另一塊電路板實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、單片機控制、選項設置和位置檢測等弱電電路，采用這種設計可防止強電和弱電之間的干擾，便于維護。
以下是各部分電路的簡要說明：

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1）供電電源電路：電源電路主要是為電機控制電路的繼電器和單片機控制以及電壓檢測電路提供兩路隔離＋12V和＋5V電源，一路為單片機控制和電機控制電路的繼電器供電，一路為電壓檢測電路的交流側(cè)的數(shù)據(jù)采集提供電源，目的是對強電和弱電提供安全和抗干擾隔離。＋12V和＋5V電源由220V交流電經(jīng)過變壓器、整流濾波電路和LM7812和LM7805芯片產(chǎn)生，電路框圖見圖2,其中輸入交流電選擇（繼電器）用來選擇用常用電源還是備用電源供電，用繼電器實現(xiàn)，當常用電源正常時用常用電源，否則用備用電源。
2）電機控制電路
 在控制器中，用交流電機的正反轉(zhuǎn)控制開關轉(zhuǎn)到相應的位置（如I位、Ⅱ位和0位），交流電機的正反轉(zhuǎn)由三根線（O，A，B）控制，一根（O）接零線，其余兩根中的一根（A）接火線，另一根（B）懸空時正轉(zhuǎn)，反之反轉(zhuǎn)。A,B兩根線由單片機的I/O口通過三極管控制繼電器的常開節(jié)點與火線連接，框圖見圖3。
3）兩路三相交流電電壓檢測電路
兩路三相交流電電壓檢測電路實現(xiàn)三相交流電電壓檢測，把220v交流電壓轉(zhuǎn)換為0－5V的直流電壓，通過AD轉(zhuǎn)換芯片（ADC0832）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量由單片機采集。該部分電路由六選一電路、分壓電路、整流濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和光耦隔離電路組成，見圖4。
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   六選一電路，單片機一次采樣一路交流電采樣[5]，此電路采用八個光耦（moc3083，220V光耦），其中六個接常用電源和備用電源的火線，另兩個接常用電源和備用電源的零線，每次使連接常用電源或備用電源的火線和零線的光耦選通，對本相交流電采樣，完成六選一功能，同時完成電隔離；分壓電路通過電阻分壓實現(xiàn)0－300V交流電降為0－5V交流電；整流濾波電路實現(xiàn)交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓；A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，由于控制器對采樣的精度和速度要求不高，所以選擇八位串行A/D采樣芯片ADC0832；光耦隔離實現(xiàn)交流電和單片機控制電路的電隔離，本系統(tǒng)采用中速光耦6N136實現(xiàn)。
4）選項設置及位置檢測電路
  選項設置電路設置控制器處于電動/自動狀態(tài)和在電動狀態(tài)下手動置0位、置Ⅰ位和置Ⅱ位，通過按鈕實現(xiàn)。ATSE控制器有兩種控制狀態(tài)即電動/自動狀態(tài)，在電動狀態(tài)下，通過按鈕設置開關處于0位、Ⅰ位和Ⅱ位，在自動狀態(tài)下，控制器根據(jù)常用電源和備用電源的狀態(tài)使開關處于0位、Ⅰ位和Ⅱ位，當常用電源正常，開關處于Ⅰ位；當備用電源正常，常用電源不正常，處于Ⅱ位；兩路都不正常，處于零位。
 位置檢測電路檢測0位、Ⅰ位和Ⅱ位的位置，當開關處于相應的位置時，對應的端口為0，單片機可以停止電機轉(zhuǎn)動。
5）單片機電路
 單片機是控制器的核心，完成整個控制器的控制功能，包括交流電壓選擇、電壓采樣、采樣數(shù)據(jù)處理、選項設置、電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制以及開關位置檢測等功能。
3.ATSE控制器的軟件設計（The software design of the ATSE controller）
ATSE控制器的核心控制器是單片機，應用中采用Atmel公司的AT89s52單片機，采用keil C51編程，軟件完成整個控制器的功能，包括輸入交流電采樣選擇、A/D轉(zhuǎn)換接口、電壓采樣、采樣數(shù)據(jù)處理、選項設置、電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制以及開關位置檢測等功能。軟件的整體框圖見圖5。以下部分是對軟件各部分的介紹。
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1）上電初始化
   上電初始化主要完成定時器初始化、端口初始化和各標志位的初始化功能。在控制器的設計中，交流電壓的數(shù)據(jù)采集是300ms采一路電壓，整個6路電壓需要1.8s完成，數(shù)據(jù)采集的定時是通過單片機的定時器1中斷完成[4]。定時器初始化完成定時器初值、工作模式的設置。
2）電動/自動檢測
   通過對電動/自動按鈕的采樣，決定控制器處于電動狀態(tài)還是自動狀態(tài)，高為自動狀態(tài)，低為電動狀態(tài)。
3）電動狀態(tài)
   控制器在電動狀態(tài)下，通過按鈕設置ATSE轉(zhuǎn)到0位、Ⅰ位和Ⅱ位。圖6是ATSE轉(zhuǎn)到0位的框圖，轉(zhuǎn)到Ⅰ位和Ⅱ位框圖相似。
4）自動狀態(tài)
    ATSE控制器在自動狀態(tài)下，完成輸入交流電采樣選擇、電壓采樣、采樣數(shù)據(jù)處理、電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制以及開關位置檢測等功能。見圖7。
定時選擇采樣的電壓：根據(jù)定時器的計數(shù)值（本設計為10ms中斷一次），即計數(shù)值為30（300ms），60（600ms）…180(1.8s)時選擇相應的交流電選通輸入。
   A/D采樣：在交流電選通輸入時，開啟A/D轉(zhuǎn)換芯片（ADC0832），采集數(shù)字量。
   數(shù)據(jù)處理：根據(jù)采集的數(shù)據(jù)判斷常用電源和備用電源是否正常，在系統(tǒng)中電壓的正常范圍為180－255v之間，在系統(tǒng)的設定中，220v對應的數(shù)字量為186，180V和255V對應的數(shù)字量分別為152和216，常用電源和備用電源中有一相電壓有故障，就認為不正常，并置相應的標志位。
    開關轉(zhuǎn)動控制：根據(jù)常用電源和備用電源是否正常，把開關轉(zhuǎn)到相應的位置，圖8為程序框圖。在圖8中，轉(zhuǎn)到0位、Ⅰ位和Ⅱ位的框圖見圖6。
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4.結論
   經(jīng)過實際工作的測試，本文中的ATSE控制器的設計，達到預期的目的，符合設計CB型ATSE的國家標準，完成了自動/電動設置、檢測斷路、欠壓、過壓情況，并根據(jù)設置和檢測情況使ATSE轉(zhuǎn)到相應的位置。
該控制器達到了產(chǎn)品生產(chǎn)的要求，現(xiàn)已經(jīng)投入批量生產(chǎn)。