武彦飞，童峥嵘，邢文华，王俊峰
（天津理工大学 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、诊断和控制的功能。系统电源出现故障时，短时间内能够自动从故障电源切换到备用电源供电。给出了该控制器的硬件及软件设计方案。该控制器切换时间短且抗干扰性强，具有较高的可靠性。
0引言
随着社会科技的发展与进步，生活水平的日益提高，人们对电的依赖性逐渐加强，电力系统的连续可靠性成为保障正常生活的重要指标。特别是一些重要用电场所（医院、机场、大型生产线、银行等），电力系统出现故障时，如果不能及时供电，将会带来巨大损失［1］。自动转换开关(Automatic Transfer Switching Equipment，ATSE）便是为了确保供电连续而设计的。ATSE 由开关主体和其他必需的电器组成，设有监测电源电路对电源进行故障检测，并且能够自动将一个或几个负载电路从一个电源转换至另一个电源［2］。1992年在上海金茂大厦的设计中我国首次引入ATSE，此后在我国的建筑工程等领域，这种开关装置得到了普遍应用［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、切换时间长且可靠性较差，故随着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、切换时间短且安全可靠，近年来逐渐占据了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。系统设有常用与备用两个电源，正常情况下常用电源供电；设有电压检测模块对常用、备用电源电压进行实时监测；设有单片机控制模块对采集电压进行处理与判断，并根据判断结果发出相应控制命令；设有电机与电闸切换模块响应单片机的控制命令，快速进行电源切换动作。当系统判断常用电源出现故障（如欠压、过压、断相）时，各模块协同运作，自动切换到备用电源供电；当系统判断常用电源恢复正常时，再自动切换回常用电源供电。STC单片机具有体积小、数据处理速度快、抗干扰性强和功耗低的特点［3］，保障该控制器的有效性。相较于传统的以单片机为基础的双电源自动转换开关控制器，为了提高本控制器的抗干扰能力，在电压检测电路中加入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；用内部逻辑关系代替实际的硬件连接，避免大量中间连线的干扰，保障该控制器的可靠性。
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、电闸模块、按键控制模块以及故障报警模块组成，结构框图如图1所示。电源模块在常用电源与备用电源之间选择一路为单片机供电［5］;电压检测模块
对常用电源与备用电源各个相的电压进行检测，检测结果作为采样值送入单片机。单片机对接收到的信号进行处理与判断，当检测出常用电源有任意一相电压信号不正常时，单片机对继电器与电机发出控制命令，使电机反转，备用电闸闭合，控制面板上备用电源指示灯亮，备用电源供电；当检测出常用电源恢复正常后，单片机对继电器与电机发出控制命令，使电机正转，备用电闸断开，常用电闸闭合，从备用电源切换到常用电源供电，控制面板上常用电源指示灯亮。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以及人工切换电源。
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，保持常用电闸闭合，系统使用常用电源。状态2表示继电器控制电机，使备用电闸闭合，系统使用备用电源，系统向外报警，常用电故障。状态3表示继电器控制电机，保持常用电闸闭合，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
电压检测电路对常用电源与备用电源输入的三相交流电压（NA、NB、NC）进行检测，系统采集三相电压值作为常用电源与备用电源正常的标志。当检测到其中任何一相电压不正常时，表明电源发生故障。通过STC204D2单片机A/D模块编程把所采集到的信号模拟量转换为数字量,判断常用电源是否供电正常，进而控制继电器，驱动电机切换电源。在电压信号检测电路中加入光电耦合电路和滤波电路，增强控制器硬件抗干扰能力。
STC204D2单片机内部A/D转换采用均方根算法，电压的公式可以表示为：
式中：U为模拟量转换为数字量的电压值；T为采样时间；uL(t）为采样电压瞬时值。
由于采集到的都是不连续的点，所以将公式离散后进行数字化。离散后的公式为：
式中：N为每个周期的采样点个数；uLj为第j个电压采样值。
常用电源火线NA作为电源部分为系统供电，如图2所示。经过变压器后输出12 V交流电，在R2与R3之间进行分压。变压器输出为正电压时，NA点为正常分压；变压器输出为负电压时，由于二极管D1的钳位电压作用，NA将固定在-0.7 V。最终将检测值输出到单片机A14口。系统采集NA的值作为常用电正常的标志之一。
对图2电路进行仿真，NA点输出波形如图3所示。输入为220 V 50 Hz交流电，测得NA点电压值约为1.94 V。
常用电火线NB与NC一同检测，如图4所示。NB信号经过R4、R5、R6分压，经过第一个光电耦合器U1输出，作为第二个光电耦合器U2的集电极输入。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的作用是将信号转变为高电平输出给单片机。NB与NC间存在相位差，同时有电时NBC处能够检测到直流信号，最终输出给单片机A13口。NBC电压作为常用电的标志之一。
对图4电路进行仿真，第一个光电耦合器输出NB点与NBC点的输出波形如图5。第一个光电耦合器导通，输出电压降低，为C4充电，两个光电耦合器依次导通，为NBC逐渐充到高电平的电压，输入为220 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。
2.2常用、备用电源切换的硬件实现
系统存在常用、备用两路电源，各由一个电闸控制。两个电闸间设计一个由电机控制的切换装置，电机正转时， 图6电机控制电闸示意图
常用电闸闭合，常用电源供电。电机反转时，备用电闸闭合，备用电源供电，如图6。
单片机通过cont0、cont1、cont2三个端口控制继电器J3、J1、J2，实现电机供电选择、电机旋转方向选择的功能［6］，最终控制电机进行常用、备用电源切换，如图7。cont2驱动J2在常用电与备用电之间选择一路电为电机供电；cont0驱动J3控制电机的正转与反转。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控制备用电的接入，在J2接入备用电之前对备用电进行断开处理，仅当常用电不正常需要备用电时再去接通。
3软件设计
软件设计部分包括显示程序与控制程序。显示程序用来显示检测到的实时电压值，供人工查询；控制程序用来实现单片机对继电器与电机的控制，完成常用、备用电源之间的转换。图8为控制程序流程图。软件程序采用C语言及其内部特定的内核函数编写，提高了程序运行效率；采用“指令冗余”技术，多编写单字节指令，在双字节、三字节指令后面加两条单字节指令NOP，增强了控制器软件抗干扰能力［7］。
首先，对单片机以及继电器进行初始化设置。然后，对常用电源电压值进行判断。如果常用电源三相电压值均正常，则继续对备用电源输入电压值进行判断：备用电源正常，重新初始化进行新一轮判断；备用电源不正常，则备用报警，持续检测备用电源直至其正常为止。如果常用电源有任一相电压不正常，则常用报警，备用合闸，使备用电源供电，之后持续对常用电源进行检测直至其恢复正常，备用断闸，常用合闸，常用电源重新供电，初始化进行新一轮判断。
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。
对控制器进行测试，测试内容如下：
测试条件：常用电正常，然后断路（NA、NB、NC全为0 V），备用电正常。
测试结果：常用报警，备用电合闸，由备用电供电，切换时间约1 s。
结果分析：在信号采集阶段，图4中NB、NC经两个光电耦合在NBC处得到稳定电压值约用时0.2 s，电闸动作0.8 s。
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，并对其硬件与软件设计进行了深入讨论。该控制器的电压检测模块能够实时检测常用、备用电源的供电状况；系统能够自动判断电源出现的各种故障（如断相、欠压、过压等），并快速进行电源切换；控制面板能够显示当前供电状态供人工查询。与此同时，系统信号采集采用均方根算法，保证了数据的精确性与可靠性；软件编程采用C语言，语法灵活、运行速度快、效率高；在系统的硬件与软件设计中均采取了抗干扰措施，显著提高了控制器的可靠性。
参考文献
［1］ 王舜尧，姚建军，王汝文．一种多功能双电源转换智能控制器［J］.低压电器，2002(4) : 2931.
［2］ GB/T14048.112008．低压开关设备和控制设备［S］．2008.
［3］ 陈众励.ATSE应用中需关注的几个问题［J］.电气应用，2006(5):155157.
［4］ 康洪富，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):8688.
［5］ 赵荣康.智能型双电源开关控制器的设计 ［J］.微型机与应用，2010,29(15)：2224.
［6］ 苏和，时述有.SSR控制的电动机正反转电路设计［J］.电子技术应用，2009,35(12)：6566.
［7］ 杨开宇，柯慧，高印寒，等.智能压装力单片机测控系统的抗干扰设计［J］.计算机测量与控制,2013，21(11):29262928.
