基于單片機(jī)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)控制器設(shè)計(jì)

1. 引言（Introduction）
隨著近幾年技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，在電源切換系統(tǒng)中出現(xiàn)了一種新型產(chǎn)品――自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（ＡＴＳＥ），它由１個(gè)（或幾個(gè)）轉(zhuǎn)換開關(guān)電器和其它必需的電器組成，用于監(jiān)測(cè)電源電路，并將負(fù)載電路(出現(xiàn)故障)從一個(gè)電源自動(dòng)轉(zhuǎn)至另一個(gè)（備用）電源的開關(guān)電器，是專用于電源轉(zhuǎn)換的新型產(chǎn)品，可以說自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（ＡＴＳＥ）代表著電源切換系統(tǒng)類產(chǎn)品發(fā)展的方向[1]。它主要用在緊急供電系統(tǒng)，如：消防、電梯等供電系統(tǒng)，在民用住宅和商用住宅中有著廣泛的應(yīng)用。其產(chǎn)品應(yīng)用的場(chǎng)合決定了其可靠性尤為重要。轉(zhuǎn)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(fù)荷斷電（甚至短暫停電），其后果都是嚴(yán)重的。這不僅僅會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)損失（使生產(chǎn)停頓、金融癱瘓），也可能造成社會(huì)問題（使生命及安全處于危險(xiǎn)之中）。因此，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都把自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器的生產(chǎn)、使用列為重點(diǎn)加以限制與規(guī)范。
縱觀國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)使用的雙電源轉(zhuǎn)換裝置，都是設(shè)計(jì)院根據(jù)設(shè)計(jì)所需提出技術(shù)參數(shù)，由成套生產(chǎn)廠家利用刀開關(guān)、空氣開關(guān)、接觸器等電器元件組裝而成。由于先前我國(guó)相關(guān)部門、生產(chǎn)廠家對(duì)市場(chǎng)需求的忽視，以及缺乏系統(tǒng)性的考慮和相關(guān)國(guó)標(biāo)的明確要求，此類產(chǎn)品普遍存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺陷，又因線路、元器件選擇及制造工藝上的質(zhì)量參差，使得我國(guó)ATSE的研制和生產(chǎn)相對(duì)落后于國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。
進(jìn)入20世紀(jì)90年代中期，隨著法國(guó)、日本、新加坡、美國(guó)、韓國(guó)等國(guó)的多個(gè)品牌的ATSE產(chǎn)品先后打入中國(guó)市場(chǎng)，雖在一定程度上緩解了我國(guó)的市場(chǎng)需求，但由于國(guó)外的供電標(biāo)準(zhǔn)和供電環(huán)境和國(guó)內(nèi)的差異，以及價(jià)格方面的原因，研制適合我國(guó)國(guó)情的通用ATSE產(chǎn)品，日益為廣大電氣設(shè)計(jì)人員所重視和關(guān)注。
近幾年，我國(guó)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器生產(chǎn)企業(yè)（尤其是生產(chǎn)CB級(jí)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(shè)計(jì)、使用部門選用造成一定困難，也由于對(duì)ATSE使用和選用不當(dāng)，給國(guó)家財(cái)產(chǎn)造成很大損失。為了規(guī)范自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（ATSE）產(chǎn)品的生產(chǎn)與選用，國(guó)家質(zhì)檢總局于2002年12月頒布了GB/T14048.11-2002《自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器》（等同IEC60947.6.1-1998）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[2,3]，2003年4月1日實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)將是今后ATSE生產(chǎn)制造企業(yè)、設(shè)計(jì)使用單位、商業(yè)活動(dòng)共同遵循的一部技術(shù)性法規(guī)文件，也將是3C認(rèn)證依據(jù)的技術(shù)法規(guī)。
本論文中ATSE控制器的設(shè)計(jì)就是依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的CB型ATSE的控制器。
在ATSE（CB型）控制器的設(shè)計(jì)中，根據(jù)應(yīng)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(xiàn)，電路簡(jiǎn)單，但只能檢測(cè)三相電源的斷路情況，對(duì)欠壓、過壓不能檢測(cè)，功能簡(jiǎn)單；一種是采用智能控制器，不僅可以檢測(cè)斷路、欠壓、過壓情況，還有自動(dòng)/電動(dòng)設(shè)置、人機(jī)接口，可設(shè)置過壓欠壓值和轉(zhuǎn)換時(shí)間，功能強(qiáng)大。本文中ATSE控制器的設(shè)計(jì)，采用的是智能控制器，以51單片機(jī)為核心[4]，完成控制器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)ATSE的功能。文中從硬件和軟件設(shè)計(jì)兩部分來說明ATSE控制器的設(shè)計(jì)。
2.ATSE控制器的硬件設(shè)計(jì)（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(cè)電路、單片機(jī)、選項(xiàng)設(shè)置和位置檢測(cè)和電機(jī)控制電路組成，見圖1，分為兩塊電路板設(shè)計(jì)，一塊電路板實(shí)現(xiàn)電源電路和電機(jī)控制電路，另一塊電路板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、單片機(jī)控制、選項(xiàng)設(shè)置和位置檢測(cè)等弱電電路，采用這種設(shè)計(jì)可防止強(qiáng)電和弱電之間的干擾，便于維護(hù)。
以下是各部分電路的簡(jiǎn)要說明：

1）供電電源電路：電源電路主要是為電機(jī)控制電路的繼電器和單片機(jī)控制以及電壓檢測(cè)電路提供兩路隔離＋12V和＋5V電源，一路為單片機(jī)控制和電機(jī)控制電路的繼電器供電，一路為電壓檢測(cè)電路的交流側(cè)的數(shù)據(jù)采集提供電源，目的是對(duì)強(qiáng)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)過變壓器、整流濾波電路和LM7812和LM7805芯片產(chǎn)生，電路框圖見圖2,其中輸入交流電選擇（繼電器）用來選擇用常用電源還是備用電源供電，用繼電器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)常用電源正常時(shí)用常用電源，否則用備用電源。