基于AT89C51的電源切換控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)供電持續(xù)性的要求已越來越高，如要求供電電源采用兩路甚至兩路以上，一路為常用電源(如外線電源)，另外的為備用電源(如內(nèi)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(xiàn)故障時(shí)能自動(dòng)切換到另外的正常電源上，保證供電不問斷或間斷時(shí)間在允許的范圍內(nèi)。該電源切換裝置必須具有反應(yīng)靈敏、工作可靠、功能齊全、聲光指示等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的電源切換裝置采用模擬信號(hào)處理方式的控制器，反應(yīng)不靈敏，可靠性不高，且工作模式固定、單一。也有采用數(shù)字信號(hào)處理方式的控制器，但這種系統(tǒng)成本高，對(duì)工作環(huán)境要求苛刻。因此，設(shè)計(jì)出一種成本低、可靠性高、多工作模式、對(duì)工作環(huán)境沒有特殊要求的電源自動(dòng)切換控制器，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以單片機(jī)程序控制為基礎(chǔ)構(gòu)成的電源切換控制器，可以達(dá)到現(xiàn)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)過光電耦合，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電與弱電的良好隔離以及有效轉(zhuǎn)換。光電耦合器將每相電壓進(jìn)行取樣，然后送人模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的結(jié)果被單片機(jī)讀入。單片機(jī)根據(jù)用戶鍵入的功能命令，對(duì)采集到的三相電壓與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值進(jìn)行智能判斷，然后發(fā)出相應(yīng)的分閘、合閘指令(或聲光報(bào)警指令)，經(jīng)過接口電路，驅(qū)動(dòng)繼電器，使電源切換開關(guān)作相應(yīng)的動(dòng)作。如：某相電壓超過(或低于)規(guī)定的電壓值(簡(jiǎn)稱過壓或欠壓)時(shí)，應(yīng)有相應(yīng)的指示及聲光報(bào)警，以及根據(jù)用戶設(shè)定的工作模式去自動(dòng)切換電源，切換由繼電器帶動(dòng)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。最后，單片機(jī)還應(yīng)對(duì)切換后的開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)，以確定是否正常分閘或正常合閘，形成閉環(huán)控制回路，以免開關(guān)本身的故障造成系統(tǒng)不正常工作。

2 電路結(jié)構(gòu)
進(jìn)行硬件電路設(shè)汁時(shí)，既要考慮控制功能的實(shí)現(xiàn)又要充分利用軟件的功能來簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，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，BB1端接備用電源的某一相，BN端接備用電源的中線。用光電耦合器IS604作為強(qiáng)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，與之類似)，IS604內(nèi)采用雙向發(fā)光管，轉(zhuǎn)換效率高，外界電壓輕微變化，IS604就有相應(yīng)的輸出。R1為統(tǒng)調(diào)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(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809性價(jià)比極高，其IN0～I(xiàn)N2接入常用電源三相電壓的取樣值，IN3～I(xiàn)N5接入備用電源三相電壓的取樣值，在單片機(jī)AT89C51的地址線A0、Al、A2的控制下，輪流讀入每相取樣值的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，單片機(jī)AT89C51中的程序根據(jù)這些瞬時(shí)取樣值與內(nèi)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值相比較，做出相應(yīng)的判斷，通過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(wěn)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(jī)的腳位有限，為了擴(kuò)展單片機(jī)的功能腳，采用了8255并行擴(kuò)展芯片。如圖3所示，將8255的PAO～PA5用作工作模式指示(該圖中沒畫出發(fā)光二極管，8255可通過限流電阻直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管)，PCO～PC5作備用電源某相過壓或欠壓指示?？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(jī)工作)可能使單片機(jī)程序進(jìn)入死循環(huán)或死機(jī)，加入看門狗電路MAX813L。單片機(jī)程序正常時(shí)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)由PBO輸出喂狗脈沖，否則，MAX813L在1．6s后將單片機(jī)復(fù)位，單片機(jī)復(fù)位后根據(jù)74LS373鎖存的8255tA口的狀態(tài)，恢復(fù)原來的工作模式，進(jìn)入相應(yīng)的服務(wù)程序，這樣，程序的運(yùn)行基本上不受影響。此時(shí)，看門狗將單片機(jī)及8255等復(fù)位，但741S373在不掉電時(shí)，維持復(fù)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(shè)置。這也是沒有采用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(bào)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(dāng)P1．1出現(xiàn)高電平、Pl.3出現(xiàn)低電平時(shí)，繼電器線圈K1A通電，其常開觸點(diǎn)K1C閉合，常閉觸點(diǎn)K1D”斷開，接通交流220V的常用電源閘刀控制線路，同時(shí)斷開備用電源合閘控制繼電器線圈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(tǒng)安全運(yùn)行。該控制器還有分閘控制電路，電路形式與圖4類似，但不須接成互鎖形式。

3 軟件設(shè)計(jì)
電源切換系統(tǒng)一般有幾種工作模式，如：自投自復(fù)、自投不自復(fù)、只常、只備、發(fā)電，它們各有特點(diǎn)。自投自復(fù)的主要特點(diǎn)是，當(dāng)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(fù)的主要特點(diǎn)，類似自投自復(fù)，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(duì)常用電源及備用電源進(jìn)行檢測(cè)指示；只備類似只常，只使用備用電源；發(fā)電則是指?jìng)溆秒娫从砂l(fā)電電源構(gòu)成時(shí)，應(yīng)有發(fā)電指令輸出以及卸載指令輸出。這些工作模式對(duì)應(yīng)的硬件電路基本一樣，只是軟件編程時(shí)應(yīng)有針對(duì)性和選擇性。另外，為進(jìn)一步提高程序的穩(wěn)定性和抗干擾能力，在程序中還應(yīng)設(shè)軟件陷阱等抗干擾措施。由 于8255的復(fù)位時(shí)間比單片機(jī)長(zhǎng)，所以在上電復(fù)位后，對(duì)8255進(jìn)行初始化之前，程序中要插入適當(dāng)?shù)难訒r(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(cè)子程序、判斷子程序的思路，存參考文獻(xiàn)[I]中有具體的闡述。

4 結(jié)語
該電源切換控制器不僅能實(shí)現(xiàn)自投自復(fù)、只常、只備、自投不自復(fù)、發(fā)電、自動(dòng)脫扣檢測(cè)、斷電再扣等工作模式，還能劉控制后的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，以免開關(guān)本身的故障造成供電不正常。經(jīng)過1年多的試用，控制器運(yùn)行穩(wěn)定，從縮小電路板而積方面考慮，現(xiàn)已準(zhǔn)備對(duì)其進(jìn)行硬件升級(jí)。