基于A(yíng)T89C51的電源切換控制器的設計與實(shí)現

0 引言
隨著(zhù)現代工業(yè)的發(fā)展和社會(huì )的進(jìn)步，人們對供電持續性的要求已越來(lái)越高，如要求供電電源采用兩路甚至兩路以上，一路為常用電源(如外線(xiàn)電源)，另外的為備用電源(如內部的發(fā)電電源)。因此，需要一種能在電源之間進(jìn)行自動(dòng)切換的裝置，以保證某路正在使用的電源在出現故障時(shí)能自動(dòng)切換到另外的正常電源上，保證供電不問(wèn)斷或間斷時(shí)間在允許的范圍內。該電源切換裝置必須具有反應靈敏、工作可靠、功能齊全、聲光指示等特點(diǎn)。傳統的電源切換裝置采用模擬信號處理方式的控制器，反應不靈敏，可靠性不高，且工作模式固定、單一。也有采用數字信號處理方式的控制器，但這種系統成本高，對工作環(huán)境要求苛刻。因此，設計出一種成本低、可靠性高、多工作模式、對工作環(huán)境沒(méi)有特殊要求的電源自動(dòng)切換控制器，具有重要的現實(shí)意義。

本文以單片機程序控制為基礎構成的電源切換控制器，可以達到現實(shí)要求。

1 控制器組成和基本原理
硬件原理方框圖如圖1所示。

B、C三相電壓送人控制器，經(jīng)過(guò)光電耦合，實(shí)現強電與弱電的良好隔離以及有效轉換。光電耦合器將每相電壓進(jìn)行取樣，然后送人模數轉換器中，模數轉換后的結果被單片機讀入。單片機根據用戶(hù)鍵入的功能命令，對采集到的三相電壓與標準設定值進(jìn)行智能判斷，然后發(fā)出相應的分閘、合閘指令(或聲光報警指令)，經(jīng)過(guò)接口電路，驅動(dòng)繼電器，使電源切換開(kāi)關(guān)作相應的動(dòng)作。如：某相電壓超過(guò)(或低于)規定的電壓值(簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)壓或欠壓)時(shí)，應有相應的指示及聲光報警，以及根據用戶(hù)設定的工作模式去自動(dòng)切換電源，切換由繼電器帶動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現。最后，單片機還應對切換后的開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢測，以確定是否正常分閘或正常合閘，形成閉環(huán)控制回路，以免開(kāi)關(guān)本身的故障造成系統不正常工作。

2 電路結構
進(jìn)行硬件電路設汁時(shí)，既要考慮控制功能的實(shí)現又要充分利用軟件的功能來(lái)簡(jiǎn)化硬件結構，即做到軟硬兼施。

2.l 輸入電路
輸入電路如圖2所示。

在圖2中，CC1端接常用電源的某一相，CN端接常用電源的中線(xiàn)，BB1端接備用電源的某一相，BN端接備用電源的中線(xiàn)。用光電耦合器IS604作為強電與弱電的隔離(實(shí)際電路中有6個(gè)IS604，為縮小電路圖的篇幅，這里只畫(huà)出常用電源的某一相，其它光電耦合器的相關(guān)電路連接，與之類(lèi)似)，IS604內采用雙向發(fā)光管，轉換效率高，外界電壓輕微變化，IS604就有相應的輸出。R1為統調電阻，使每個(gè)光電耦合器在相同輸入時(shí)，有相同直流輸出，以克服光電耦合器之間的誤差，避免造成誤判。模數轉換器ADC0809性?xún)r(jià)比極高，其IN0～IN2接入常用電源三相電壓的取樣值，IN3～IN5接入備用電源三相電壓的取樣值，在單片機AT89C51的地址線(xiàn)A0、Al、A2的控制下，輪流讀入每相取樣值的模數轉換結果，單片機AT89C51中的程序根據這些瞬時(shí)取樣值與內設的標準值相比較，做出相應的判斷，通過(guò)P1口，P2口，P3口進(jìn)行輸出控制及指示。繼電器K5的作用是將常用電源或備用電源的某相電壓輸入變壓器_T1降壓、整流、穩壓后作為控制器的工作電源。

2．2 AT89C51及外圍電路
由于單片機的腳位有限，為了擴展單片機的功能腳，采用了8255并行擴展芯片。如圖3所示，將8255的PAO～PA5用作工作模式指示(該圖中沒(méi)畫(huà)出發(fā)光二極管，8255可通過(guò)限流電阻直接驅動(dòng)發(fā)光二極管)，PCO～PC5作備用電源某相過(guò)壓或欠壓指示?？紤]到電源切換控制器的工作環(huán)境惡劣．因干擾或其它原因(如待機工作)可能使單片機程序進(jìn)入死循環(huán)或死機，加入看門(mén)狗電路MAX813L。單片機程序正常時(shí)在規定時(shí)間內由PBO輸出喂狗脈沖，否則，MAX813L在1．6s后將單片機復位，單片機復位后根據74LS373鎖存的8255tA口的狀態(tài)，恢復原來(lái)的工作模式，進(jìn)入相應的服務(wù)程序，這樣，程序的運行基本上不受影響。此時(shí)，看門(mén)狗將單片機及8255等復位，但741S373在不掉電時(shí)，維持復位前的信息。只有整個(gè)控制器都掉電，74LS373才不保存原有信息，這樣74LS373不影響以后的工作模式設置。這也是沒(méi)有采用EEPROM而采用74L373保存控制器工作模式的原因。AT89C5l的P2．0～P2.5為常用電源某相電壓的過(guò)壓或欠壓指示。P2．6～P2.7可以用作電網(wǎng)發(fā)電的發(fā)電指令和卸載指令輸出。Pl.O～P1．7及P3.O～P3．5用作基本的I／O口，可以通過(guò)按鍵掃描的方式接受新的工作模式指令以及某路電源分閘、合閘指令輸出、報警發(fā)音輸出。

2．3繼電器控制電路
繼電器控制電路如圖4所示。

在圖4中，只畫(huà)出常用電源合閘控制及備用電源合閘控制電路。常用電源合閘控制繼電器的線(xiàn)圈KA與備用電源合閘控制繼電器的常閉觸點(diǎn)K2D串接在一起，這樣當P1．1出現高電平、Pl.3出現低電平時(shí)，繼電器線(xiàn)圈K1A通電，其常開(kāi)觸點(diǎn)K1C閉合，常閉觸點(diǎn)K1D”斷開(kāi)，接通交流220V的常用電源閘刀控制線(xiàn)路，同時(shí)斷開(kāi)備用電源合閘控制繼電器線(xiàn)圈K2A的電源，兩個(gè)繼電器接成互鎖的形式，以保證任何時(shí)刻只有一路電源被合閘接通，確保供電系統安全運行。該控制器還有分閘控制電路，電路形式與圖4類(lèi)似，但不須接成互鎖形式。

3 軟件設計
電源切換系統一般有幾種工作模式，如：自投自復、自投不自復、只常、只備、發(fā)電，它們各有特點(diǎn)。自投自復的主要特點(diǎn)是，當常用電源不正常時(shí)，而備用電源正常時(shí)就接通備用電源，兩路電源都正常時(shí)，接通常用電源；自投不自復的主要特點(diǎn)，類(lèi)似自投自復，但在使用備用電源時(shí)如果備用電源正常則不切換到常用電源；只常則不管常用電源是否正常都使用常用電源，但能對常用電源及備用電源進(jìn)行檢測指示；只備類(lèi)似只常，只使用備用電源；發(fā)電則是指備用電源由發(fā)電電源構成時(shí)，應有發(fā)電指令輸出以及卸載指令輸出。這些工作模式對應的硬件電路基本一樣，只是軟件編程時(shí)應有針對性和選擇性。另外，為進(jìn)一步提高程序的穩定性和抗干擾能力，在程序中還應設軟件陷阱等抗干擾措施。由 于8255的復位時(shí)間比單片機長(cháng)，所以在上電復位后，對8255進(jìn)行初始化之前，程序中要插入適當的延時(shí)，使8255能正常工作。主程序流程圖如圖5所示。軟件中的檢測子程序、判斷子程序的思路，存參考文獻[I]中有具體的闡述。

4 結語(yǔ)
該電源切換控制器不僅能實(shí)現自投自復、只常、只備、自投不自復、發(fā)電、自動(dòng)脫扣檢測、斷電再扣等工作模式，還能劉控制后的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行檢測，以免開(kāi)關(guān)本身的故障造成供電不正常。經(jīng)過(guò)1年多的試用，控制器運行穩定，從縮小電路板而積方面考慮，現已準備對其進(jìn)行硬件升級。