一种单片机为核心的双电源自动转换开关控制器、CB级和PC级

吴艳飞、童正荣、邢文华、王俊峰

(天津工业大学计算机与通信工程学院,天津 300384）

摘要：设计了一种以STC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，可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。该控制器切换时间短，抗干扰能力强，可靠性高。

0 前言

随着社会科学技术的发展进步，生活水平的日益提高，人们对电力的依赖程度逐渐提高，电力系统的持续可靠性成为保障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），当电力系统出现故障时，如果不能及时供电，将带来巨大的损失[1]。自动转换开关设备 (ATSE) 旨在确保持续供电。ATSE由开关体和其他必要的电器组成。配备监控电源电路，检测电源故障，并且可以自动将一个或多个负载电路从一个电源转换为另一个[2]。1992年，在上海金茂大厦的设计中首次将ATSE引入我国。此后，这种开关装置在我国广泛应用于建筑工程等领域[3]。国际电工委员会标准将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。因此，随着ATSE技术的不断进步，其应用领域逐渐缩小。PC级ATSE结构简单、体积小、切换时间短、安全可靠，近年来逐渐占领了ATSE的主流市场[4]。ATSE在上海金茂大厦的设计中首次引入我国。此后，这种开关装置在我国广泛应用于建筑工程等领域[3]。国际电工委员会标准将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。因此，随着ATSE技术的不断进步，其应用领域逐渐缩小。PC级ATSE结构简单、体积小、切换时间短、安全可靠，近年来逐渐占领了ATSE的主流市场[4]。ATSE在上海金茂大厦的设计中首次引入我国。此后，这种开关装置在我国广泛应用于建筑工程等领域[3]。国际电工委员会标准将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。因此，随着ATSE技术的不断进步，其应用领域逐渐缩小。PC级ATSE结构简单、体积小、切换时间短、安全可靠，近年来逐渐占领了ATSE的主流市场[4]。国际电工委员会标准将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。因此，随着ATSE技术的不断进步，其应用领域逐渐缩小。PC级ATSE结构简单、体积小、切换时间短、安全可靠，近年来逐渐占领了ATSE的主流市场[4]。国际电工委员会标准将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。因此，随着ATSE技术的不断进步，其应用领域逐渐缩小。PC级ATSE结构简单、体积小、切换时间短、安全可靠，近年来逐渐占领了ATSE的主流市场[4]。

本文设计了一种以STC单片机为控制核心的双电源自动转换开关控制器。系统配备两种电源，常用电源和备用电源。一般情况下使用普通电源供电；设有电压检测模块，实时监测常用电源和备用电源的电压；相应的控制命令；提供电机和电闸切换模块，响应单片机的控制指令，快速进行电源切换操作。当系统判断常用电源出现故障（如欠压、过压、缺相）时，各模块协同工作，自动切换到备用电源；当系统判断普通电源恢复正常时，自动切换回普通电源。STC单片机具有体积小、数据处理速度快、抗干扰能力强、功耗低等特点[3]，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，为提高控制器的抗干扰能力，在电压检测电路中增加了光电隔离电路和滤波电路，有效隔离环境、电磁场等因素的干扰。；软件采用C语言及其内核函数编程，语法灵活；

1 整体系统设计

系统主要由电压检测模块（常用电源检测和备用电源检测）、电机模块、电动门模块、按键控制模块和故障报警模块组成。结构框图如图1所示。电源模块在常用电源和备用电源之间选择一个通道给单片机供电[5]；电压检测模块

检测常用电源和备用电源各相的电压，并将检测结果作为采样值发送给单片机。单片机对接收到的信号进行处理和判断。当检测到常用电源任一相电压信号异常时，单片机向继电器和电机发出控制指令，使电机反转，备用开关闭合，备用电源指示在控制面板上。灯亮，备用电源上电；当检测到公共电源恢复正常时，单片机向继电器和电机发出控制指令，使电机正转，断开备用开关，闭合公共开关，备用电源切换为普通电源。在控制面板上 常用电源指示灯亮。同时设计了故障报警模块和关键控制模块，便于及时排除故障和手动切换电源。

系统实现的主要功能如表1所示。状态1表示继电器控制电机，保持公共开关闭合，系统使用公共电源。状态2表示继电器控制电机，闭合后备断路器，系统使用后备电源，系统对外报警，出现普通停电。状态3表示继电器控制电机，公共开关保持闭合，系统使用公共电源两个模拟信号如何同时输入到单片机，系统对外报警，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

电压检测电路检测常用电源和备用电源输入的三相交流电压（NA、NB、NC），系统采集三相电压值作为常用电源的正常符号和备用电源。当检测到任一相电压异常时，表明电源出现故障。通过STC204D2单片机A/D模块编程，将采集到的信号模拟量转换为数字量，判断普通电源供电是否正常，然后控制继电器驱动电机切换电源供应。在电压信号检测电路中加入光电耦合电路和滤波电路，增强控制器硬件的抗干扰能力。

STC204D2单片机内部A/D转换采用均方根算法，电压公式可表示为：

式中：U为模拟转数字的电压值；T 是采样时间；uL(t) 是采样电压的瞬时值。

由于所有采集的点都是不连续的，所以公式是离散的，然后被数字化。离散公式为：

式中：N为每个周期的采样点数；uLj 是第 j 个电压采样值。

常用的电源火线NA作为电源部分，给系统供电，如图2所示，经过变压器后输出12V交流电，在R2和R3之间分压。当变压器输出为正电压时，NA点为正常分压；当变压器输出为负电压时，由于二极管 D1 的钳位电压，NA 将固定在 -0.7 V。最后将检测值输出到单片机的A14端口。系统收集 NA 的值作为电气正常的常用标志之一。

对图2的电路进行仿真，NA点的输出波形如图3所示。输入为220 V 50 Hz AC，测得的NA点电压约为1.94 V。

常用火线NB和NC一起检测，如图4所示。NB信号经R4、R5、R6分压，通过第一光耦U1输出两个模拟信号如何同时输入到单片机，作为集电极输入第二个光耦U2。C4的作用是稳定第二光耦的输入电压，C5和R10的作用是将信号转换成高电平输出给单片机。NB和NC之间有相位差，有电时在NBC处可以检测到直流信号，最后输出到单片机的A13口。NBC电压是常用电的标志之一。

对图4电路进行仿真，第一光耦输出点NB和NBC点的输出波形如图5所示。第一光耦导通，输出电压降低，C4充电。两个光耦依次导通，就是逐渐将NBC充电到高电平的电压。输入为220 V 50 Hz AC，模拟得到NBC点电压。该值约为 4.3 V。检测时间为 0.2 s。

2.2 常用和备用电源切换硬件实现

系统中有两个电源，一个是常用的，一个是备用的，每个都由一个断路器控制。在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为电机控制开关示意图。

公用开关闭合，使用公用电源。当电机反转时，后备断路器闭合，后备电源供电，如图6所示。

单片机通过cont0、cont1、cont2三个端口控制继电器J3、J1、J2，实现电机电源选择和电机功能旋转方向选择[6]，最后控制电机在常用电源和备用电源之间切换，如图7所示。 cont2驱动J2在常用电源和备用电源之间选择一个电源给电机供电；cont0 驱动 J3 控制电机的正反转。如果J2同时直接接普通电源和备用电源，切换时电流会很大，容易产生火花，比较危险。因此，cont1被设计用来驱动J1来控制备用电源的接入，在 J2 连接到备用电源之前，将检查备用电源。电是用来断开的，只有在正常电出现异常，需要备用电时才打开。

3 软件设计

软件设计部分包括显示程序和控制程序。显示程序用于显示检测到的实时电压值，供人工查询；控制程序用于实现单片机对继电器和电机的控制，完成常用电源与备用电源的转换。无花果。图8是控制程序的流程图。软件程序采用C语言编写，内部有特定的内核函数，提高了程序的效率；使用“指令冗余”技术，写入更多的单字节指令，并在双字节和三字节指令后增加两个单字。段指令NOP，增强了控制器软件的抗干扰能力[7]。

首先，初始化微控制器和继电器设置。然后，判断公共电源电压值。如果普通电源三相电压值都正常，继续判断备用电源输入电压值：如果备用电源正常，重新初始化新一轮判断；如果后备电源不正常，则发出后备报警，并继续检测后备电源，直到正常为止。. 如果公共电源任一相电压异常，公共电源报警，备用电源关闭，备用电源供电。之后，继续测试普通电源，直到恢复正常。备用电源将断开，公共电源将关闭。做出新一轮的判断。

系统软硬件结合，经过调试，可使单片机双电源自动开关控制器正常运行，完成电源开关功能。

测试控制器，测试内容如下：

测试条件：正常电源正常，然后断路（NA、NB、NC均为0V），备用电源正常。

测试结果：普通报警，待机电源关闭，由待机电源供电，切换时间约1s。

结果分析：在信号采集阶段，NB和NC通过图4中的两个光电耦合在NBC处获得稳定的电压值大约需要0.2s，开关动作时间0.@ >8 秒。

4。结论

本文设计了一种以单片机为核心的双电源自动转换开关控制器，并对其软硬件设计进行了深入探讨。控制器的电压检测模块可以实时检测常用和备用电源的供电状态；系统可自动判断电源的各种故障（如缺相、欠压、过压等），快速切换电源；控制面板可显示当前电源状态供手动查询。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；

参考

[1] 王顺尧，姚建军，王汝文．一种用于双电源转换的多功能智能控制器[J]. 低压电器, 2002 (4) : 2931.

[2] GB/T14048.11-2008。低压开关设备及控制设备[S]．2008.

[3] 陈忠礼. ATSE应用中应注意的几个问题[J]. 电气应用，2006 (5):155-157.

[4] 康鸿福，张兴波．基于STC系列单片机的智能温度控制器设计[J]. 电子技术应用, 2013, 39(5):8688.

[5] 赵荣康．智能双电源开关控制器的设计[J]. 微机与应用, 2010, 29(15): 2224.

[6] 苏禾，SSR 控制电机正反转电路设计[J]. 电子技术应用, 2009, 35(10.0@>: 65-60.1@>

[7] 杨开宇，柯辉，高寅涵，等。智能压紧力单片机测控系统抗干扰设计[J]. 计算机测控, 2013, 21(10.2@>:29262928.