如何用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制器設(shè)計(jì)

1. 引言（Introduction）

隨著近幾年技術(shù)的進(jìn)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(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器（ＡＴＳＥ），它由１個(gè)（或幾個(gè)）轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器和其它必需的電器組成，用于監(jiān)測(cè)電源電路，并將負(fù)載電路(出現(xiàn)故障)從一個(gè)電源自動(dòng)轉(zhuǎn)至另一個(gè)（備用）電源的開(kāi)關(guān)電器，是專(zhuān)用于電源轉(zhuǎn)換的新型產(chǎn)品，可以說(shuō)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器（ＡＴＳＥ）代表著電源切換系統(tǒng)類(lèi)產(chǎn)品發(fā)展的方向。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(yīng)用。其產(chǎn)品應(yīng)用的場(chǎng)合決定了其可靠性尤為重要。轉(zhuǎn)換一旦失敗將會(huì)造成以下二種危害之一：電源間的短路或重要負(fù)荷斷電（甚至短暫停電），其后果都是嚴(yán)重的。這不僅僅會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失（使生產(chǎn)停頓、金融癱瘓），也可能造成社會(huì)問(wèn)題（使生命及安全處于危險(xiǎn)之中）。因此，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都把自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器的生產(chǎn)、使用列為重點(diǎn)加以限制與規(guī)范。

縱觀國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)使用的雙電源轉(zhuǎn)換裝置，都是設(shè)計(jì)院根據(jù)設(shè)計(jì)所需提出技術(shù)參數(shù)，由成套生產(chǎn)廠家利用刀開(kāi)關(guān)、空氣開(kāi)關(guān)、接觸器等電器元件組裝而成。由于先前我國(guó)相關(guān)部門(mén)、生產(chǎn)廠家對(duì)市場(chǎng)需求的忽視，以及缺乏系統(tǒng)性的考慮和相關(guān)國(guó)標(biāo)的明確要求，此類(lèi)產(chǎn)品普遍存在著結(jié)構(gòu)復(fù)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(guó)ATSE的研制和生產(chǎn)相對(duì)落后于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代中期，隨著法國(guó)、日本、新加坡、美國(guó)、韓國(guó)等國(guó)的多個(gè)品牌的ATSE產(chǎn)品先后打入中國(guó)市場(chǎng)，雖在一定程度上緩解了我國(guó)的市場(chǎng)需求，但由于國(guó)外的供電標(biāo)準(zhǔn)和供電環(huán)境和國(guó)內(nèi)的差異，以及價(jià)格方面的原因，研制適合我國(guó)國(guó)情的通用ATSE產(chǎn)品，日益為廣大電氣設(shè)計(jì)人員所重視和關(guān)注。

近幾年，我國(guó)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器生產(chǎn)企業(yè)（尤其是生產(chǎn)CB級(jí)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(shè)計(jì)、使用部門(mén)選用造成一定困難，也由于對(duì)ATSE使用和選用不當(dāng)，給國(guó)家財(cái)產(chǎn)造成很大損失。為了規(guī)范自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器（ATSE）產(chǎn)品的生產(chǎn)與選用，國(guó)家質(zhì)檢總局于2002年12月頒布了GB/T14048.11-2002《自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器》（等同IEC60947.6.1-1998）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[2,3]，2003年4月1日實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)將是今后ATSE生產(chǎn)制造企業(yè)、設(shè)計(jì)使用單位、商業(yè)活動(dòng)共同遵循的一部技術(shù)性法規(guī)文件，也將是3C認(rèn)證依據(jù)的技術(shù)法規(guī)。

本論文中ATSE控制器的設(shè)計(jì)就是依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的CB型ATSE的控制器。

在ATSE（CB型）控制器的設(shè)計(jì)中，根據(jù)應(yīng)用的場(chǎng)合和需要不同，控制器可分為兩種：一種采用繼電器實(shí)現(xiàn)，電路簡(jiǎn)單，但只能檢測(cè)三相電源的斷路情況，對(duì)欠壓、過(guò)壓不能檢測(cè)，功能簡(jiǎn)單；一種是采用智能控制器，不僅可以檢測(cè)斷路、欠壓、過(guò)壓情況，還有自動(dòng)/電動(dòng)設(shè)置、人機(jī)接口，可設(shè)置過(guò)壓欠壓值和轉(zhuǎn)換時(shí)間，功能強(qiáng)大。本文中ATSE控制器的設(shè)計(jì)，采用的是智能控制器，以51單片機(jī)為核心[4]，完成控制器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)ATSE的功能。文中從硬件和軟件設(shè)計(jì)兩部分來(lái)說(shuō)明ATSE控制器的設(shè)計(jì)。

2.ATSE控制器的硬件設(shè)計(jì)（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(cè)電路、單片機(jī)、選項(xiàng)設(shè)置和位置檢測(cè)和電機(jī)控制電路組成，見(jiàn)圖1，分為兩塊電路板設(shè)計(jì)，一塊電路板實(shí)現(xiàn)電源電路和電機(jī)控制電路，另一塊電路板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、單片機(jī)控制、選項(xiàng)設(shè)置和位置檢測(cè)等弱電電路，采用這種設(shè)計(jì)可防止強(qiáng)電和弱電之間的干擾，便于維護(hù)。

以下是各部分電路的簡(jiǎn)要說(shuō)明：

1）供電電源電路：電源電路主要是為電機(jī)控制電路的繼電器和單片機(jī)控制以及電壓檢測(cè)電路提供兩路隔離＋12V和＋5V電源，一路為單片機(jī)控制和電機(jī)控制電路的繼電器供電，一路為電壓檢測(cè)電路的交流側(cè)的數(shù)據(jù)采集提供電源，目的是對(duì)強(qiáng)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(guò)變壓器、整流濾波電路和LM7812和LM7805芯片產(chǎn)生，電路框圖見(jiàn)圖2,其中輸入交流電選擇（繼電器）用來(lái)選擇用常用電源還是備用電源供電，用繼電器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)常用電源正常時(shí)用常用電源，否則用備用電源。

2）電機(jī)控制電路

在控制器中，用交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置（如I位、Ⅱ位和0位），交流電機(jī)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(shí)正轉(zhuǎn)，反之反轉(zhuǎn)。A,B兩根線由單片機(jī)的I/O口通過(guò)三極管控制繼電器的常開(kāi)節(jié)點(diǎn)與火線連接，框圖見(jiàn)圖3。

3）兩路三相交流電電壓檢測(cè)電路

兩路三相交流電電壓檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)三相交流電電壓檢測(cè)，把220v交流電壓轉(zhuǎn)換為0－5V的直流電壓，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換芯片（ADC0832）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量由單片機(jī)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(jiàn)圖4。

六選一電路，單片機(jī)一次采樣一路交流電采樣[5]，此電路采用八個(gè)光耦（moc3083，220V光耦），其中六個(gè)接常用電源和備用電源的火線，另兩個(gè)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(duì)本相交流電采樣，完成六選一功能，同時(shí)完成電隔離；分壓電路通過(guò)電阻分壓實(shí)現(xiàn)0－300V交流電降為0－5V交流電；整流濾波電路實(shí)現(xiàn)交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓；A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，由于控制器對(duì)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(shí)現(xiàn)交流電和單片機(jī)控制電路的電隔離，本系統(tǒng)采用中速光耦6N136實(shí)現(xiàn)。

4）選項(xiàng)設(shè)置及位置檢測(cè)電路

選項(xiàng)設(shè)置電路設(shè)置控制器處于電動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)和在電動(dòng)狀態(tài)下手動(dòng)置0位、置Ⅰ位和置Ⅱ位，通過(guò)按鈕實(shí)現(xiàn)。ATSE控制器有兩種控制狀態(tài)即電動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)，在電動(dòng)狀態(tài)下，通過(guò)按鈕設(shè)置開(kāi)關(guān)處于0位、Ⅰ位和Ⅱ位，在自動(dòng)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(kāi)關(guān)處于0位、Ⅰ位和Ⅱ位，當(dāng)常用電源正常，開(kāi)關(guān)處于Ⅰ位；當(dāng)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(cè)電路檢測(cè)0位、Ⅰ位和Ⅱ位的位置，當(dāng)開(kāi)關(guān)處于相應(yīng)的位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的端口為0，單片機(jī)可以停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

5）單片機(jī)電路

單片機(jī)是控制器的核心，完成整個(gè)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(xiàng)設(shè)置、電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制以及開(kāi)關(guān)位置檢測(cè)等功能。

3.ATSE控制器的軟件設(shè)計(jì)（The software design of the ATSE controller）

ATSE控制器的核心控制器是單片機(jī)，應(yīng)用中采用Atmel公司的AT89s52單片機(jī)，采用keil C51編程，軟件完成整個(gè)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(xiàng)設(shè)置、電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制以及開(kāi)關(guān)位置檢測(cè)等功能。軟件的整體框圖見(jiàn)圖5。以下部分是對(duì)軟件各部分的介紹。

1）上電初始化

上電初始化主要完成定時(shí)器初始化、端口初始化和各標(biāo)志位的初始化功能。在控制器的設(shè)計(jì)中，交流電壓的數(shù)據(jù)采集是300ms采一路電壓，整個(gè)6路電壓需要1.8s完成，數(shù)據(jù)采集的定時(shí)是通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器1中斷完成[4]。定時(shí)器初始化完成定時(shí)器初值、工作模式的設(shè)置。

2）電動(dòng)/自動(dòng)檢測(cè)

通過(guò)對(duì)電動(dòng)/自動(dòng)按鈕的采樣，決定控制器處于電動(dòng)狀態(tài)還是自動(dòng)狀態(tài)，高為自動(dòng)狀態(tài)，低為電動(dòng)狀態(tài)。

3）電動(dòng)狀態(tài)

控制器在電動(dòng)狀態(tài)下，通過(guò)按鈕設(shè)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(dòng)狀態(tài)

ATSE控制器在自動(dòng)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(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制以及開(kāi)關(guān)位置檢測(cè)等功能。見(jiàn)圖7。

定時(shí)選擇采樣的電壓：根據(jù)定時(shí)器的計(jì)數(shù)值（本設(shè)計(jì)為10ms中斷一次），即計(jì)數(shù)值為30（300ms），60（600ms）…180(1.8s)時(shí)選擇相應(yīng)的交流電選通輸入。

A/D采樣：在交流電選通輸入時(shí)，開(kāi)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(shè)定中，220v對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為186，180V和255V對(duì)應(yīng)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(rèn)為不正常，并置相應(yīng)的標(biāo)志位。

開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)控制：根據(jù)常用電源和備用電源是否正常，把開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)到相應(yīng)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(jiàn)圖6。

4.結(jié)論

經(jīng)過(guò)實(shí)際工作的測(cè)試，本文中的ATSE控制器的設(shè)計(jì)，達(dá)到預(yù)期的目的，符合設(shè)計(jì)CB型ATSE的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，完成了自動(dòng)/電動(dòng)設(shè)置、檢測(cè)斷路、欠壓、過(guò)壓情況，并根據(jù)設(shè)置和檢測(cè)情況使ATSE轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置。

該控制器達(dá)到了產(chǎn)品生產(chǎn)的要求，現(xiàn)已經(jīng)投入批量生產(chǎn)。