基于單片機的自動轉換開關控制器設計

1. 引言（Introduction）
隨著近幾年技術的進步和發展，在電源切換系統中出現了一種新型產品――自動轉換開關電器（ＡＴＳＥ），它由１個（或幾個）轉換開關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)從一個電源自動轉至另一個（備用）電源的開關電器，是專用于電源轉換的新型產品，可以說自動轉換開關電器（ＡＴＳＥ）代表著電源切換系統類產品發展的方向[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廣泛的應用。其產品應用的場合決定了其可靠性尤為重要。轉換一旦失敗將會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。這不僅僅會帶來經濟損失（使生產停頓、金融癱瘓），也可能造成社會問題（使生命及安全處于危險之中）。因此，工業發達國家都把自動轉換開關電器的生產、使用列為重點加以限制與規范。
縱觀國內市場，長期以來，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參數，由成套生產廠家利用刀開關、空氣開關、接觸器等電器元件組裝而成。由于先前我國相關部門、生產廠家對市場需求的忽視，以及缺乏系統性的考慮和相關國標的明確要求，此類產品普遍存在著結構復雜的缺陷，又因線路、元器件選擇及制造工藝上的質量參差，使得我國ATSE的研制和生產相對落后于國外同類產品的先進水平。
進入20世紀90年代中期，隨著法國、日本、新加坡、美國、韓國等國的多個品牌的ATSE產品先后打入中國市場，雖在一定程度上緩解了我國的市場需求，但由于國外的供電標準和供電環境和國內的差異，以及價格方面的原因，研制適合我國國情的通用ATSE產品，日益為廣大電氣設計人員所重視和關注。
近幾年，我國的自動轉換開關電器生產企業（尤其是生產CB級ATSE企業）迅速增加，其產品性能及產品質量不一，給設計、使用部門選用造成一定困難，也由于對ATSE使用和選用不當，給國家財產造成很大損失。為了規范自動轉換開關電器（ATSE）產品的生產與選用，國家質檢總局于2002年12月頒布了GB/T14048.11-2002《自動轉換開關電器》（等同IEC60947.6.1-1998）國家標準[2,3]，2003年4月1日實施。該標準將是今后ATSE生產制造企業、設計使用單位、商業活動共同遵循的一部技術性法規文件，也將是3C認證依據的技術法規。
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ATSE（CB型）控制器的設計中，根據應用的場合和需要不同，控制器可分為兩種：一種采用繼電器實現，電路簡單，但只能檢測三相電源的斷路情況，對欠壓、過壓不能檢測，功能簡單；一種是采用智能控制器，不僅可以檢測斷路、欠壓、過壓情況，還有自動/電動設置、人機接口，可設置過壓欠壓值和轉換時間，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，實現ATSE的功能。文中從硬件和軟件設計兩部分來說明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，見圖1，分為兩塊電路板設計，一塊電路板實現電源電路和電機控制電路，另一塊電路板實現數據采集、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要說明：

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交流電經過變壓器、整流濾波電路和LM7812和LM7805芯片產生，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，用繼電器實現，當常用電源正常時用常用電源，否則用備用電源。