智能型雙電源開關(guān)控制器的設(shè)計

隨著科技的進步和社會的發(fā)展，人們的生活水平不斷地提高，各行業(yè)對供電的可靠性、安全性、連續(xù)性提出了越來越高的要求，很多場合需要采用兩路電源來保證供電的可靠性和連續(xù)性。例如商場、銀行、醫(yī)院、通信部門、交通部門以及國防軍事等部門都要求能連續(xù)不間斷地安全供電。而智能型雙電源開關(guān)控制器能夠很好地解決上述問題，為可靠、連續(xù)地供電提供強有力的保證。目前在很多企業(yè)和領(lǐng)域都使用了智能型雙電源開關(guān)控制器，它有著廣闊的市場前景和應(yīng)用價值。本文介紹的智能型雙電源開關(guān)控制器主要由控制單元(PIC16F884單片機)和執(zhí)行機構(gòu)(兩臺三極或四極塑殼斷路器)組成?？刂茊卧饕撠?zé)各種信號的辨識檢測、運算處理和控制輸出。執(zhí)行機構(gòu)則快速準(zhǔn)確地響應(yīng)控制單元的各種控制命令，從而構(gòu)成一個功能強大、工作穩(wěn)定、可靠的控制系統(tǒng)。
1 工作原理
    智能型雙電源開關(guān)控制器以單片機PIC16F884為核心，對兩路供電電源(常用電源和備用電源)的電壓、頻率和相位進行實時檢測。當(dāng)其中一路電源(常用電源或備用電源)的電壓發(fā)生過壓、欠壓或是缺相時，控制器就會發(fā)出電機切換命令，使供電電源自動切換到另一路電源(備用電源或常用電源)上，以此來保障供電的連續(xù)性?？刂破鞯墓ぷ鞣绞街饕凶詣臃绞胶褪謩臃绞絻煞N?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，組成模塊如圖2所示。

1.1 自動工作模式
    自動工作模式可分為：自投自復(fù)、自投不自復(fù)和電網(wǎng)-發(fā)電機三種方式。其中，前兩種主要應(yīng)用于電網(wǎng)-電網(wǎng)供電模式，而第三種則是應(yīng)用于電網(wǎng)和發(fā)電機供電模式。
    (1)自投自復(fù)模式：控制器對兩路電源進行監(jiān)控，當(dāng)兩路電源都正常工作時，則負載由常用電源供電；當(dāng)常用電源發(fā)生故障(過壓、欠壓或缺相)時，控制器發(fā)出電機切換命令使電源自動切換到備用電源，此時負載由備用電源供電；當(dāng)常用電源恢復(fù)正常時，控制器再次發(fā)出電機切換命令使負載供電由備用電源返回到常用電源。
    (2)自投不自復(fù)模式：其工作方式和自投自復(fù)類似，但只有當(dāng)備用電源也出現(xiàn)故障時才自動返回到常用電源，否則將一直由備用電源給負載供電。
    (3)電網(wǎng)-發(fā)電機模式：當(dāng)常用電源發(fā)生故障時，控制器輸出發(fā)電機啟動命令，經(jīng)短暫延時后斷開常用電源，此時負載由發(fā)電機供電；當(dāng)常用電源恢復(fù)正常時，控制器輸出發(fā)電機停機命令同時電源自動切換到常用電源上，負載返回到由常用電源供電模式。
1.2 手動模式
    在手動模式下，電源不能自動切換而需要人為操作，主要有常用電源供電、備用電源供電和斷電再扣方式。
    常用電源供電：強制常用斷路器閉合，備用斷路器斷開。
    備用電源供電：強制備用斷路器閉合，常用斷路器斷開。
    斷電再扣：同時強制斷開常用斷路器和備用斷路器或是閉合因故障而斷開的所有斷路器。
2 硬件系統(tǒng)設(shè)計
2.1 單片機的選擇
    控制器要求對交流電壓、頻率和相位進行檢測，有多路控制信號的輸入和輸出，為了節(jié)約成本和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)選擇自帶A/D轉(zhuǎn)換器和輸入捕捉功能且有較豐富I/O的單片機。此外，控制器里的強電信號和繼電器等元件會對單片機產(chǎn)生很大的干擾，這就要求單片機能夠有較好的抗干擾能力。綜上考慮，本設(shè)計選擇了PIC16F884單片機。它是Microchip公司目前主推的產(chǎn)品，采用精簡指令集(RISC)機構(gòu)和一次性可編程(OTP)技術(shù)使得PIC16F884單片機具有高速的穩(wěn)定性和非常強的抗干擾能力；8 KB的閃存、256 B的EEPROM、10位A/D轉(zhuǎn)換器和CCP輸入捕捉，完全可以滿足本控制器的設(shè)計要求。[!--empirenews.page--]
2.2 頻率檢測
    單片機對常用和備用電源進行頻率檢測，根據(jù)檢測的結(jié)果來判斷電源是否發(fā)生故障，然后進行相應(yīng)的控制操作。頻率檢測電路主要以光耦TLP521-1和施密特觸發(fā)器CD40106為主要器件構(gòu)成。頻率檢測的硬件電路如圖3所示。電網(wǎng)中的交流電經(jīng)變壓器后變換為電壓較低的交流信號U1，U1經(jīng)過光耦TLP521-1后就變成了同頻率的方波信號。為了防止光耦內(nèi)部的二極管被反向電流擊穿，在光耦外部反向接了1個二極管。為了使光耦輸出的方波信號更加規(guī)整，為單片機測量頻率做好準(zhǔn)備，在光耦的輸出級加了施密特觸發(fā)器CD40106。利用PIC16F884單片機的輸入捕捉(CCP)功能記錄第一個上升沿的時間t1和下一個上升沿的時間t2，則信號的周期T=(t2-t1) μs。為了提高測量的精度，采用多次測量取平均值的方法來實現(xiàn)。

2.3  電壓檢測
    電壓檢測主要用來實時檢測常用和備用電源的電壓。PIC16F884單片機有14通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器，可以滿足電壓采樣的精度。由于PIC16F884單片機只能對0～5 V間的單極性電壓進行檢測，故需要對交流電壓進行提升使它成為單極性的電壓信號。電壓檢測電路如圖4所示[1]。

    電路采用單電源供電的運放MCP604構(gòu)成無限增益多路反饋二階低通濾波器，除能夠?qū)涣餍盘栠M行電壓提升外，還可以濾除交流信號中的高頻成分，防止交流采樣發(fā)生混疊效應(yīng)。交流工頻信號的采集，一般以其有效值進行計算：，其中，N為1個周期內(nèi)的采樣點數(shù)(本系統(tǒng)中取N=40)，ui為第i個采樣值。為了能夠在1個工頻周期內(nèi)采樣到40個點，需要每隔500 μs啟動1次A/D轉(zhuǎn)換。此過程可以用CCP的特殊觸發(fā)事件來完成。將CCP的特殊觸發(fā)事件設(shè)置成啟動A/D轉(zhuǎn)換，在程序中初始化CCP寄存器的值為0X1F4(500 ?滋s)即可。上述方法的缺點是在1個周期內(nèi)的采樣點數(shù)N為定值(40)，而由于電網(wǎng)的波動，電網(wǎng)電壓的頻率可能會發(fā)生變化，會造成測量的誤差，因此，為了進一步提高電壓采集的精度，還使用了頻率跟蹤法。首先利用單片機測出交流電壓的頻率，然后根據(jù)頻率來計算1個周期內(nèi)的采樣點數(shù)N，這樣可以大大降低因頻率變換而造成的測量誤差。
2.4 通信接口
    為了使控制器能夠方便地與上層控制平臺進行聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)控制器的遠程控制、遠程監(jiān)控等功能，本設(shè)計為控制器添加了通信接口，采用簡單經(jīng)濟、廣泛應(yīng)用于工業(yè)上的RS485總線與外界進行通信。RS485采用差分信號進行傳輸，有較好的抗干擾能力，通過轉(zhuǎn)換模塊很容易實現(xiàn)從RS485到RS232的信號轉(zhuǎn)換，從而便于和上位計算機通信。選用了Maxim公司的MAX485芯片作為通信控制的主要器件，其工作電源為+5 V，采用半雙工通信方式，能夠?qū)TL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平，內(nèi)部包含了1個驅(qū)動器和1個收發(fā)器，通過串口可以方便地與PIC16F884進行通信。MAX485的接口電路如圖5所示。[!--empirenews.page--]

2.5 其他部分接口
    消防檢測：控制器設(shè)有一組無源消防信號的輸入端子，信號輸入采用光耦隔離，以提高抗干擾能力。并且?guī)в幸唤M無源反饋信號輸出端子可將開關(guān)的到位信號返回到消防設(shè)備。
    LCD顯示：控制器的人機界面由LCD(1602)和發(fā)光二極管(LED)組成?？刂破鞯母鞣N工作狀態(tài)和工作模式通過相應(yīng)的LED顯示。通過LCD和按鍵組成的人機交互方式對控制器的各種參數(shù)和工作狀態(tài)進行相應(yīng)的查詢、修改和設(shè)定等操作。
    電機切換：利用三極管的開關(guān)電路驅(qū)動相應(yīng)的繼電器動作，從而實現(xiàn)電機的啟動、停機、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)等。
    開關(guān)狀態(tài)檢測：利用開關(guān)檢測電路可以使控制器對系統(tǒng)中各個開關(guān)狀態(tài)進行實時監(jiān)控，以便發(fā)出各種準(zhǔn)確的控制命令。
3 軟件設(shè)計
    程序采用C語言，在MPLAB+ICD2的開發(fā)環(huán)境下進行編寫，控制程序采用模塊化設(shè)計。主要模塊有：系統(tǒng)初始化、A/D采集、CCP頻率測量、開關(guān)狀態(tài)檢測、顯示報警、輸出驅(qū)動、系統(tǒng)參數(shù)整定和存儲等。系統(tǒng)的控制軟件流程圖如圖6所示。

4 可靠性和穩(wěn)定性分析
    智能型雙電源開關(guān)控制器主要運用在一些對供電質(zhì)量要求較高的場合，因此，控制器的穩(wěn)定性和可靠性是設(shè)計的重點和難點。本系統(tǒng)中有強電和弱電共存且相互影響的情況，為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，各個部分都采用了光電隔離和濾波技術(shù)。在系統(tǒng)中增加專門的濾波模塊以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的電源采用雙線圈輸出的變壓器，使得系統(tǒng)電源和信號通道保持物理上的隔離。另外，還采用了軟件濾波和看門狗等技術(shù)以增強系統(tǒng)的可靠性。
    本系統(tǒng)所設(shè)計的智能型雙電源開關(guān)控制器能夠?qū)陕冯娫吹倪^壓、欠壓和缺相進行準(zhǔn)確的檢測和監(jiān)控，能夠自由、精確地在兩路電源中自動切換，有廣泛的使用價值和廣闊的市場前景。
參考文獻
[1] 李海濤，儀維，吳筱堅，等.PIC單片機應(yīng)用開發(fā)典型模塊[M].北京:人民教育出版社，2007.
[2] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第三版)[M].北京:高等教育出版社，2001.
[3] Microchip Technology Inc.PICl6F884 datasheet.2008.