基于單片機的雙電源自動切換開關控制器*

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）

基于單片機的雙電源自動切換開關控制器*

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）

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。

單片機；雙電源；控制器；自動切換；抗干擾

O 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。

圖1 自動轉換開關控制器系統框圖

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。

表1 系統實現的主要功能

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（N-A、N-B、N-C）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N-A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。

圖2 常用電A相電壓檢測電路

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。

圖3 NA點輸出波形圖

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。N-B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。

圖4 常用電B、C相電壓檢測電路

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。

圖5 NB點與NBC點的輸出波形

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，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。

圖6 電機控制電閘示意圖

圖7 單片機控制繼電器驅動電機示意圖

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］。

圖8 控制程序流程圖

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N-B、N-C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。

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

［2］GB/T14048.11-2008.低壓開關設備和控制設備［S］.2008.

［3］陳眾勵.ATSE應用中需關注的幾個問題［J］.電氣應用，2006（5）：155-157.

［4］康洪富，張興波.基于STC系列單片機的智能溫度控制器設計［J］.電子技術應用，2013，39（5）：86-88.

［5］趙榮康.智能型雙電源開關控制器的設計［J］.微型機與應用，2010，29（15）：22-24.

［6］蘇和，時述有.SSR控制的電動機正反轉電路設計［J］.電子技術應用，2009，35（12）：65-66.

［7］楊開宇，柯慧，高印寒，等.智能壓裝力單片機測控系統的抗干擾設計［J］.計算機測量與控制，2013，21（11）：2926-2928.

武彥飛（1993 -），通信作者，女，學士，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。

邢文華（1993 -），男，學士，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.基于單片機的雙電源自動切換開關控制器［J］.微型機與應用，2016，35（9）：41-43，47.

天津市應用基礎與前沿技術研究計劃（青年項目）（5JCQNJC01800）；天津市級大學生創新創業訓練計劃項目（201410060037）；天津市高等學校科技發展基金計劃項目（20140706）

2016-01-01）