基于单片机的自动转换开关控制器设计

1. 引言（Introduction）
   随着近几年技术的进步和发展，在电源切换系统中出现了一种新型产品——自动转换开关电器（ＡＴＳＥ），它由１个（或几个）转换开关电器和其它必需的电器组成，用于监测电源电路，并将负载电路(出现故障)从一个电源自动转至另一个（备用）电源的开关电器，是专用于电源转换的新型产品，可以说自动转换开关电器（ＡＴＳＥ）代表着电源切换系统类产品发展的方向[1]。它主要用在紧急供电系统，如：消防、电梯等供电系统，在民用住宅和商用住宅中有着广泛的应用。其产品应用的场合决定了其可靠性尤为重要。转换一旦失败将会造成以下二种危害之一：电源间的短路或重要负荷断电（甚至短暂停电），其后果都是严重的。这不仅仅会带来经济损失（使生产停顿、金融瘫痪），也可能造成社会问题（使生命及安全处于危险之中）。因此，工业发达国家都把自动转换开关电器的生产、使用列为重点加以限制与规范。
   纵观国内市场，长期以来，国内使用的双电源转换装置，都是设计院根据设计所需提出技术参数，由成套生产厂家利用刀开关、空气开关、接触器等电器元件组装而成。由于先前我国相关部门、生产厂家对市场需求的忽视，以及缺乏系统性的考虑和相关国标的明确要求，此类产品普遍存在着结构复杂的缺陷，又因线路、元器件选择及制造工艺上的质量参差，使得我国ATSE的研制和生产相对落后于国外同类产品的先进水平。
    进入20世纪90年代中期，随着法国、日本、新加坡、美国、韩国等国的多个品牌的ATSE产品先后打入中国市场，虽在一定程度上缓解了我国的市场需求，但由于国外的供电标准和供电环境和国内的差异，以及价格方面的原因，研制适合我国国情的通用ATSE产品，日益为广大电气设计人员所重视和关注。
   近几年，我国的自动转换开关电器生产企业（尤其是生产CB级ATSE企业）迅速增加，其产品性能及产品质量不一，给设计、使用部门选用造成一定困难，也由于对ATSE使用和选用不当，给国家财产造成很大损失。为了规范自动转换开关电器（ATSE）产品的生产与选用，国家质检总局于2002年12月颁布了GB/T14048.11-2002《自动转换开关电器》（等同IEC60947.6.1-1998）国家标准[2,3]，2003年4月1日实施。该标准将是今后ATSE生产制造企业、设计使用单位、商业活动共同遵循的一部技术性法规文件，也将是3C认证依据的技术法规。
   本论文中ATSE控制器的设计就是依据国家标准，设计的CB型ATSE的控制器。
   在ATSE（CB型）控制器的设计中，根据应用的场合和需要不同，控制器可分为两种：一种采用继电器实现，电路简单，但只能检测三相电源的断路情况，对欠压、过压不能检测，功能简单；一种是采用智能控制器，不仅可以检测断路、欠压、过压情况，还有自动/电动设置、人机接口，可设置过压欠压值和转换时间，功能强大。本文中ATSE控制器的设计，采用的是智能控制器，以51单片机为核心[4]，完成控制器的设计，实现ATSE的功能。文中从硬件和软件设计两部分来说明ATSE控制器的设计。
2.ATSE控制器的硬件设计（The hardware design of the ATSE controller）
  ATSE控制器的硬件部分主要由供电电源电路、两路三相交流电电压检测电路、单片机、选项设置和位置检测和电机控制电路组成，见图1，分为两块电路板设计，一块电路板实现电源电路和电机控制电路，另一块电路板实现数据采集、单片机控制、选项设置和位置检测等弱电电路，采用这种设计可防止强电和弱电之间的干扰，便于维护。
以下是各部分电路的简要说明：

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1）供电电源电路：电源电路主要是为电机控制电路的继电器和单片机控制以及电压检测电路提供两路隔离＋12V和＋5V电源，一路为单片机控制和电机控制电路的继电器供电，一路为电压检测电路的交流侧的数据采集提供电源，目的是对强电和弱电提供安全和抗干扰隔离。＋12V和＋5V电源由220V交流电经过变压器、整流滤波电路和LM7812和LM7805芯片产生，电路框图见图2,其中输入交流电选择（继电器）用来选择用常用电源还是备用电源供电，用继电器实现，当常用电源正常时用常用电源，否则用备用电源。
2）电机控制电路
 在控制器中，用交流电机的正反转控制开关转到相应的位置（如I位、Ⅱ位和0位），交流电机的正反转由三根线（O，A，B）控制，一根（O）接零线，其余两根中的一根（A）接火线，另一根（B）悬空时正转，反之反转。A,B两根线由单片机的I/O口通过三极管控制继电器的常开节点与火线连接，框图见图3。
3）两路三相交流电电压检测电路
两路三相交流电电压检测电路实现三相交流电电压检测，把220v交流电压转换为0－5V的直流电压，通过AD转换芯片（ADC0832）转换为数字量由单片机采集。该部分电路由六选一电路、分压电路、整流滤波电路、A/D转换电路和光耦隔离电路组成，见图4。
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   六选一电路，单片机一次采样一路交流电采样[5]，此电路采用八个光耦（moc3083，220V光耦），其中六个接常用电源和备用电源的火线，另两个接常用电源和备用电源的零线，每次使连接常用电源或备用电源的火线和零线的光耦选通，对本相交流电采样，完成六选一功能，同时完成电隔离；分压电路通过电阻分压实现0－300V交流电降为0－5V交流电；整流滤波电路实现交流电压转换为直流电压；A/D转换实现模拟量到数字量的转换，由于控制器对采样的精度和速度要求不高，所以选择八位串行A/D采样芯片ADC0832；光耦隔离实现交流电和单片机控制电路的电隔离，本系统采用中速光耦6N136实现。
4）选项设置及位置检测电路
  选项设置电路设置控制器处于电动/自动状态和在电动状态下手动置0位、置Ⅰ位和置Ⅱ位，通过按钮实现。ATSE控制器有两种控制状态即电动/自动状态，在电动状态下，通过按钮设置开关处于0位、Ⅰ位和Ⅱ位，在自动状态下，控制器根据常用电源和备用电源的状态使开关处于0位、Ⅰ位和Ⅱ位，当常用电源正常，开关处于Ⅰ位；当备用电源正常，常用电源不正常，处于Ⅱ位；两路都不正常，处于零位。
 位置检测电路检测0位、Ⅰ位和Ⅱ位的位置，当开关处于相应的位置时，对应的端口为0，单片机可以停止电机转动。
5）单片机电路
 单片机是控制器的核心，完成整个控制器的控制功能，包括交流电压选择、电压采样、采样数据处理、选项设置、电机正转和反转控制以及开关位置检测等功能。
3.ATSE控制器的软件设计（The software design of the ATSE controller）
ATSE控制器的核心控制器是单片机，应用中采用Atmel公司的AT89s52单片机，采用keil C51编程，软件完成整个控制器的功能，包括输入交流电采样选择、A/D转换接口、电压采样、采样数据处理、选项设置、电机正转和反转控制以及开关位置检测等功能。软件的整体框图见图5。以下部分是对软件各部分的介绍。
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1）上电初始化
   上电初始化主要完成定时器初始化、端口初始化和各标志位的初始化功能。在控制器的设计中，交流电压的数据采集是300ms采一路电压，整个6路电压需要1.8s完成，数据采集的定时是通过单片机的定时器1中断完成[4]。定时器初始化完成定时器初值、工作模式的设置。
2）电动/自动检测
   通过对电动/自动按钮的采样，决定控制器处于电动状态还是自动状态，高为自动状态，低为电动状态。
3）电动状态
   控制器在电动状态下，通过按钮设置ATSE转到0位、Ⅰ位和Ⅱ位。图6是ATSE转到0位的框图，转到Ⅰ位和Ⅱ位框图相似。
4）自动状态
    ATSE控制器在自动状态下，完成输入交流电采样选择、电压采样、采样数据处理、电机正转和反转控制以及开关位置检测等功能。见图7。
定时选择采样的电压：根据定时器的计数值（本设计为10ms中断一次），即计数值为30（300ms），60（600ms）…180(1.8s)时选择相应的交流电选通输入。
   A/D采样：在交流电选通输入时，开启A/D转换芯片（ADC0832），采集数字量。
   数据处理：根据采集的数据判断常用电源和备用电源是否正常，在系统中电压的正常范围为180－255v之间，在系统的设定中，220v对应的数字量为186，180V和255V对应的数字量分别为152和216，常用电源和备用电源中有一相电压有故障，就认为不正常，并置相应的标志位。
    开关转动控制：根据常用电源和备用电源是否正常，把开关转到相应的位置，图8为程序框图。在图8中，转到0位、Ⅰ位和Ⅱ位的框图见图6。
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4.结论
   经过实际工作的测试，本文中的ATSE控制器的设计，达到预期的目的，符合设计CB型ATSE的国家标准，完成了自动/电动设置、检测断路、欠压、过压情况，并根据设置和检测情况使ATSE转到相应的位置。
该控制器达到了产品生产的要求，现已经投入批量生产。