童正荣，邢文华，王俊峰
(天津理工大学 天津计算机与通信工程学院 300384)
摘要：设计了一种STC以单片机为核心的双电源自动转换开关控制器具有自动检测、诊断和控制功能。当系统电源出现故障时，它可以在短时间内自动从故障电源切换到备用电源。给出了控制器的硬件和软件设计方案。控制器切换时间短，抗干扰性强，可靠性高。
关键词:单片机；双电源；控制器；自动切换；抗干扰
0引言
随着社会科学技术的发展和进步，生活水平的提高，人们对电力的依赖逐渐增强，电力系统的持续可靠性已成为保证正常生活的重要指标。特别是在一些重要的用电场所(医院、机场、大型生产线、银行等)。)，如果电力系统出现故障，如果不能及时供电，【1】将造成巨大损失。开关自动转换(Automatic Transfer Switching Equipment，ATSE)设计是为了保证连续供电。ATSE 由开关主体和其他必要的电器组成，有一个监控电源电路来检测电源故障，一个或多个负载电路可以自动从一个电源转换为另一个电源2。1992年在上海金茂大厦设计中首次引进中国ATSE，此后，该开关装置在我国建筑工程等领域得到了广泛的应用。国际电工委员会标准ATSE分为CB级和PC级。CB级ATSE结构复杂，体积大，切换时间长，可靠性差ATSE随着技术的不断进步，其应用领域逐渐缩小。PC级ATSE近年来，，体积小，切换时间短，安全可靠，近年来逐渐占据ATSE主流市场4。
本文设计了一种以STC单片机是控制核心的双电源自动转换开关控制器。系统配备两个常用和备用电源，正常情况下供电，实时监测常用和备用电源电压，单片机控制模块处理和判断采集电压，并根据判断结果发出相应的控制命令；电机和开关切换模块响应单片机控制命令，快速切换电源。当系统判断常用电源故障（如欠压、过压、断相）时，各模块协同运行，自动切换到备用电源；当系统判断常用电源恢复正常时，自动切换回常用电源。STC单片机具有体积小、数据处理速度快、抗干扰性强、功耗低，保证了控制器的有效性。与传统的基于单片机的双电源自动转换开关控制器相比，在电压检测电路中添加光电隔离电路和滤波电路，有效隔离环境、电磁场等因素；软件采用C语言及其核心函数编程，语法灵活；用内部逻辑关系代替实际硬件连接，避免大量中间连接的干扰，保证控制器的可靠性。
1系统总体设计
系统主要由电压检测模块（常用电检测和备用电检测）、电机模块、开关模块、关键控制模块和故障报警模块组成，结构框图如图1所示。电源模块选择常用电源和备用电源之间的单片电源5；电压检测模块
检测常用电源和备用电源各相的电压，检测结果作为采样值送入单片机。单片机处理和判断接收到的信号。当检测到任何一相电压信号异常时，单片机向继电器和电机发出控制命令，使电机反转，关闭备用开关，控制面板上备用电源指示灯亮，备用电源供电；当检测到常用电源恢复正常时，单片机向继电器和电机发出控制命令，使电机正转，备用开关断开，常用开关关闭，控制面板上常用的电源指示灯从备用电源切换到常用电源供电。同时设计故障报警模块和按键控制模块，便于及时进行故障检修和人工切换电源。
系统的主要功能如表1所示。状态1表示继电器控制电机，保持常用开关关闭，系统使用常用电源。状态2表示继电器控制电机，关闭备用开关，系统使用备用电源，系统向外报警，常用电源故障。状态3表示继电器控制电机，保持常用开关关闭，系统使用常用电源，系统向外报警，备用电源故障。状态4表示系统不工作。
2硬件设计
2.1实时电压检测
输入常用电源和备用电源的三相交流电压检测电路(NA、NB、NC)系统采集三相电压值作为常用电源和备用电源的正常标志。当检测到任何一相电压异常时，表示电源故障。通过STC204D2单片机A/D模块编程将收集到的信号模拟量转换为数字量，判断常用电源是否正常，然后控制继电器，驱动电机切换电源。将光电耦合电路和滤波电路添加到电压信号检测电路中，以提高控制器硬件的抗干扰能力。
STC204D2单片机内部A/D均方根算法用于转换，电压公式可表示为：
式中：U将模拟量转换为数字量的电压值；T采样时间；uL(t)采样电压的瞬时值。
公式离散后数字化，因为收集的点是不连续的。离散后的公式如下:
式中：N每个周期的采样点数；uLj为第j电压采样值。
常用的电源火线NA系统供电作为电源部分，如图2所示。变压器后输出12 V交流电，在R2与R三分压。当变压器输出为正电压时，NA当变压器输出为负电压时，由于二极管D1.钳位电压作用，NA将固定在-0.7 V。最后，检测值输出到单片机A14口。系统采集NA该值是常用电正常的标志之一。
模拟图2电路，NA点输出波形如图3所示。输入为220 V 50 Hz测量交流电NA点电压值约为1.94 V。
常用电火线NB与NC共同检测，如图4所示。NB信号经过R4、R5、R第一个光电耦合器通过6分压U1作为第二个光电耦合器输出U集电极输入。其中C4的作用是使第二个光电耦合器输入电压稳定，C5与R10的功能是将信号转换为高电平输出到单片机。NB与NC同时，电时存在相位差NBC直流信号可以在任何地方检测到，最片机A13口。NBC电压是常用电的标志之一。
模拟图4电路，第一个光电耦合器输出NB点与NBC点的输出波形如图5所示。第一个光电耦合器导通，输出电压降低C4充电，两个光电耦合器依次导通NBC输入为220的高电平电压 V 50 Hz交流电，仿真得到NBC点电压值约为4.3 V。检测时间为0.2 s。
2.实现2常用备用电源切换硬件
该系统有两个常用和备用的电源，每个都由一个开关控制。两个开关之间设计了一个由电机控制的开关装置，当电机正转时， 图6电机控制电闸示意图
常用电闸关闭，常用电源供电。电机反转时，备用电闸关闭，备用电源供电，如图6所示。
单片机通过cont0、cont1、cont控制继电器三个端口J3、J1、J2.实现电机供电选择和电机旋转方向选择的功能6，最终控制常用备用电源切换，如图7所示。cont2驱动J2选择常用电和备用电之间的一路电为电机供电；cont0驱动J3控制电机的正转和反转。若J2直接同时接入常用电与备用电，则切换时电流较大，容易产生火花，比较危险，故设计cont1驱动J1在J2接入备用电前断开备用电，常用电异常需要备用电时再接通。
3软件设计
软件设计包括显示程序和控制程序。显示程序用于显示人工查询检测到的实时电压值；控制程序用于控制单片机对继电器和电机的控制，完成常用和备用电源之间的转换。图8是控制程序流程图。软件程序采用C语言及其特定的内核函数编写，提高了程序的运行效率；采用指令冗余技术，编写更多的单字节指令，在双字节和三字节指令后添加两个单字节指令NOP，提高了控制器软件的抗干扰能力7。
首先，初始化设置单片机和继电器。然后判断常用电源的电压值。如果常用电源三相电压值正常，继续判断备用电源输入电压值：备用电源正常，新一轮判断初始化；备用电源异常，备用报警，继续检测备用电源直至正常。如果常用电源有任何相电压异常，则常用报警、备用关闭和备用电源供电，然后继续检测常用电源，直至恢复正常，备用关闭、常用关闭、常用电源重新供电、新一轮初始化判断。
系统软件与硬件相结合，经过调试后，能够使单片机双电源自动切换开关控制器正常运行，完成电源切换的功能。
测试控制器如下：
测试条件：常用电正常，断路(NA、NB、NC全为0 V)，备用电正常。
试验结果：常用报警，备用电合闸，备用电供电，切换时间约1 s。
结果分析：在信号采集阶段，图4NB、NC两个光电耦合NBC稳定电压值约0.2 s，电闸动作0.8 s。
4结论
本文设计了以单片机为核心的双电源自动转换开关控制器，并对其硬件和软件设计进行了深入讨论。控制器电压检测模块可实时检测常用备用电源的电源状态；系统可自动判断各种故障（如断相、欠压、过压等），并快速切换电源；控制面板可显示手动查询的当前电源状态。同时，系统信号采集采用均方根算法，保证数据的准确性和可靠性；软件编程采用C语言，语法灵活，运行速度快，效率高；系统硬件和软件设计采用抗干扰措施，显著提高了控制器的可靠性。
参考文献
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