基于51單片機的自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)控制器設計

1. 引言（Introduction）

隨著(zhù)近幾年技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，在電源切換系統中出現了一種新型產(chǎn)品——自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)電器（ＡＴＳＥ），它由１個(gè)（或幾個(gè)）轉換開(kāi)關(guān)電器和其它必需的電器組成，用于監測電源電路，并將負載電路(出現故障)從一個(gè)電源自動(dòng)轉至另一個(gè)（備用）電源的開(kāi)關(guān)電器，是專(zhuān)用于電源轉換的新型產(chǎn)品，可以說(shuō)自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)電器（ＡＴＳＥ）代表著(zhù)電源切換系統類(lèi)產(chǎn)品發(fā)展的方向[1]。它主要用在緊急供電系統，如：消防、電梯等供電系統，在民用住宅和商用住宅中有著(zhù)廣泛的應用。其產(chǎn)品應用的場(chǎng)合決定了其可靠性尤為重要。轉換一旦失敗將會(huì )造成以下二種危害之一：電源間的短路或重要負荷斷電（甚至短暫停電），其后果都是嚴重的。這不僅僅會(huì )帶來(lái)經(jīng)濟損失（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之中）。因此，工業(yè)發(fā)達國家都把自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)電器的生產(chǎn)、使用列為重點(diǎn)加以限制與規范。

縱觀(guān)國內市場(chǎng)，長(cháng)期以來(lái)，國內使用的雙電源轉換裝置，都是設計院根據設計所需提出技術(shù)參數，由成套生產(chǎn)廠(chǎng)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。由于先前我國相關(guān)部門(mén)、生產(chǎn)廠(chǎng)家對市場(chǎng)需求的忽視，以及缺乏系統性的考慮和相關(guān)國標的明確要求，此類(lèi)產(chǎn)品普遍存在著(zhù)結構復雜的缺陷，又因線(xiàn)路、元器件選擇及制造工藝上的質(zhì)量參差，使得我國ATSE的研制和生產(chǎn)相對落后于國外同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

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

近幾年，我國的自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)電器生產(chǎn)企業(yè)（尤其是生產(chǎn)CB級ATSE企業(yè)）迅速增加，其產(chǎn)品性能及產(chǎn)品質(zhì)量不一，給設計、使用部門(mén)選用造成一定困難，也由于對ATSE使用和選用不當，給國家財產(chǎn)造成很大損失。為了規范自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)電器（ATSE）產(chǎn)品的生產(chǎn)與選用，國家質(zhì)檢總局于2002年12月頒布了GB/T14048.11-2002《自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)電器》（等同IEC60947.6.1-1998）國家標準[2,3]，2003年4月1日實(shí)施。該標準將是今后ATSE生產(chǎn)制造企業(yè)、設計使用單位、商業(yè)活動(dòng)共同遵循的一部技術(shù)性法規文件，也將是3C認證依據的技術(shù)法規。

本論文中ATSE控制器的設計就是依據國家標準，設計的CB型ATSE的控制器。

在A(yíng)TSE（CB型）控制器的設計中，根據應用的場(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，電路簡(jiǎn)單，但只能檢測三相電源的斷路情況，對欠壓、過(guò)壓不能檢測，功能簡(jiǎn)單；一種是采用智能控制器，不僅可以檢測斷路、欠壓、過(guò)壓情況，還有自動(dòng)/電動(dòng)設置、人機接口，可設置過(guò)壓欠壓值和轉換時(shí)間，功能強大。本文中ATSE控制器的設計，采用的是智能控制器，以51單片機為核心[4]，完成控制器的設計，實(shí)現ATSE的功能。文中從硬件和軟件設計兩部分來(lái)說(shuō)明ATSE控制器的設計。

2.ATSE控制器的硬件設計（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電路、單片機、選項設置和位置檢測和電機控制電路組成，見(jiàn)圖1，分為兩塊電路板設計，一塊電路板實(shí)現電源電路和電機控制電路，另一塊電路板實(shí)現數據采集、單片機控制、選項設置和位置檢測等弱電電路，采用這種設計可防止強電和弱電之間的干擾，便于維護。

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控制電路的繼電器和單片機控制以及電壓檢測電路提供兩路隔離＋12V和＋5V電源，一路為單片機控制和電機控制電路的繼電器供電，一路為電壓檢測電路的交流側的數據采集提供電源，目的是對強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，當常用電源正常時(shí)用常用電源，否則用備用電源。

2）電機控制電路

在控制器中，用交流電機的正反轉控制開(kāi)關(guān)轉到相應的位置（如I位、Ⅱ位和0位），交流電機的正反轉由三根線(xiàn)（O，A，B）控制，一根（O）接零線(xiàn)，其余兩根中的一根（A）接火線(xiàn)，另一根（B）懸空時(shí)正轉，反之反轉。A,B兩根線(xiàn)由單片機的I/O口通過(guò)三極管控制繼電器的常開(kāi)節點(diǎn)與火線(xiàn)連接，框圖見(jiàn)圖3。

3）兩路三相交流電電壓檢測電路

兩路三相交流電電壓檢測電路實(shí)現三相交流電電壓檢測，把220v交流電壓轉換為0－5V的直流電壓，通過(guò)AD轉換芯片（ADC0832）轉換為數字量由單片機采集。該部分電路由六選一電路、分壓電路、整流濾波電路、A/D轉換電路和光耦隔離電路組成，見(jiàn)圖4。

六選一電路，單片機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(xiàn)，另兩個(gè)接常用電源和備用電源的零線(xiàn)，每次使連接常用電源或備用電源的火線(xiàn)和零線(xiàn)的光耦選通，對本相交流電采樣，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0－300V交流電降為0－5V交流電；整流濾波電路實(shí)現交流電壓轉換為直流電壓；A/D轉換實(shí)現模擬量到數字量的轉換，由于控制器對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)現交流電和單片機控制電路的電隔離，本系統采用中速光耦6N136實(shí)現。

4）選項設置及位置檢測電路

選項設置電路設置控制器處于電動(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。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，當常用電源正常，開(kāi)關(guān)處于Ⅰ位；當備用電源正常，常用電源不正常，處于Ⅱ位；兩路都不正常，處于零位。

位置檢測電路檢測0位、Ⅰ位和Ⅱ位的位置，當開(kāi)關(guān)處于相應的位置時(shí)，對應的端口為0，單片機可以停止電機轉動(dòng)。

5）單片機電路

單片機是控制器的核心，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、采樣數據處理、選項設置、電機正轉和反轉控制以及開(kāi)關(guān)位置檢測等功能。