基于单片机的智能双电源自动切换系统

基于单片机的智能双电源自动切换系统内容摘要：

发展，经历了以低压电器分立元件构成自动转换装置，以模拟电路应用为主的机电一体化产品，以高性能的新型电器元件为基础并采用以CPU 为核心的智能型专用控制器的发展历程。 电源自动切 换装置目前在我国经历了四个发展阶段，即两接触器型、两断路器型、励磁式专用转换开关和电动式专用转换开关。 两接触器型转换开关为第一代，是我国最早生产的双电源转换开关，它是由两台接触器搭接而成的简易电源，这种装置缺点是线圈长期通电耗能易烧毁，产品的接通分断能力低，触头易抖动、熔焊，其产品可靠性很低，尤其是在带负荷转换时易出现爆炸性事故，因而在工程中越来越少采用，这类产品在国外已被淘汰并禁止使用。 两断路器式转换开关为第二代，也就是我国国家标准和 IEC标准中所提到的 CB 级自动转换开关，它是有两断路器改造而成，另配机械 联锁装置，可具有短路或过电流保护功能，但是机械连锁不可靠。 励磁式专用转换开关为第三代，它是由励磁式接触器外加控制器构成的一个整体装置，机械连锁可靠，转换由电磁线圈产生吸引力来驱动开关，速度快，但触头灭弧系统是以分断一次电弧要求设计的，用在河北工可程大学毕业设计说明书 5 双电源电路切换，也存在不合理因素。 电动式专用转换开关为第四代，是 PC 级自动转换开关，其主体为符合隔离开关，为机电一体式开关电器，转换由电机驱动，转换平稳且速度快，并且具有过 0 位功能，是目前国内外市场较理想的电源转换产目前国内的产品市场还不成熟，表现在 : （ 1）行业内大多数用 户，对电源自动切换装置还比较陌生，真正对其标准有深入了解、研究的制造商也不多，用熟悉的开关 (接触器、断路器、隔离开关 )，仅通过增加电源检测和自动转换功能作为电源转换开关是许多厂商最快捷、开发成本最低的解决方案。 而中国、国际电工委员会 (IEC)、 UL 都为双电源自动转换开关制订了专门的标准，说明其他现有的开关不能完全满足自动转换开关特定的要求，它也应该像其他传统的开关一样，是一类有专门用途的开关装置，应该按照标准要求专门设计、制造。 （ 2）名称不规范。 国家标准的中文名称是 :自动转换开关电器。 既然有标准，名称就应该规范、唯一。 （ 3）因为自动转换开关还没有实行 CCC 认证，全国已经有 100 多个品牌，还可以帖牌，产品质量参差不齐。 自动转换开关在使用过程中不是经常动作的开关，所以，不同品牌的质量差异不宜区别，有质量问题的也不容易在短时间发现，导致产品的质量、可靠性常常被忽视，而可靠性恰恰是最重要的指标，这是目前阻碍我国技术、质量提高的最大障碍。 自动转换开关的工作性质，决定了其故障会带来重大的损失，所以，安全可靠性是设计、制造和选用最关键的指标。 针对我国市场缺乏高性能自动转换开关的现状，法国、日本、新加坡、美国、韩国等的 多个品牌的产品先后打入中国市场。 以美国产品为代表的自动转换开关技术代表着当今世界的先进水平。 因为，这类产品率先是在军工领域得到使用，如雷达、通讯、航天等领域，而美国在上述领域处于世界领先地位。 因此，美国对自动转换开关产品有较高的要求，他们将此产品视为电源的一部分，为了提高其产品可靠性，不惜采用黄金作为触头材料。 因此，在产品开发、研制方面投入较大。 目前美国生产这类产品规模较大的企业有三至四家，如 ONAN、 ASCO、 GEZENIm，他们生产的产品除了基本型外，还有瞬时并联性、旁路一隔离型、延时转换型等。 为了满足 不停电电源要求，国外一些大公司推出以可控硅为主的电子式自动转换开关，额定工作电流 100~1200A，检测。 它主要应用在电子商务网站、计算机数据中心、半导体芯片制造业及紧急救援中心等要害部门。 电源自动切换装置的发展趋向主要包括两个方面，其一是开关主体，具备很高的抗冲击电流能力，并且可以频繁转换。 具有可靠的机械联锁，确保任何状态下两路电源不能并列运行 :不允许带熔丝或脱跳装置，以防止双电源开关因过载而造成输出端无电现象。 具备 O 位功能，并且隔离距离大，以便能够承受更高的冲击电压 (8KV)以上。 四级开关具备 N 级先 合后分的功能，以防止在装置转换时，不同系统中 N 线上电位漂移，使电河北工可程大学毕业设计说明书 6 流走向不一致或分流，造成剩余电流保护装置误动作。 其二是控制器，采用微处理器智能化产品，检测模块应具有较高的检测精度和宽的参数设定范围，包括电压、频率、延时时间等。 具备良好的电磁兼容性，应能承受住主回路的电压波动，浪涌保护，谐波干扰，电磁干扰等。 转换时间快，且延时可调。 可为用户提供各种信号及消防联动接口，通信接口。 本论文研究的主要内容 本论文的主要任务是设计出地震局智能控制中心后备发电机自动切换装置，使之具有高性能、高可靠性、智能化和安全 性等特点，该装置的硬件采用 AT89C51 单片机为核心，软件采用汇编语言和 C 语言编程，可以灵活设置各种运行方式及时间参数，在常用电源发生故障时，能根据设定的转换程序准确完成常用电源和备用电源之间的转换，定期检测后备发电机是否有电并对其充电，从而最大限度地保证供电的连续性。 本论文的研究过程中，主要包括几个方面的工作 : （ 1）研究后备发电机自动切换装置的技术现状，以及存在的问题和可发展的方面。 （ 2）选取适合的芯片和开发工具，以及性能可靠、抗干扰性强的元器件。 （ 3）确定本系统所采取的数据测量方法和数据处理算法 ，并确定系统整体方案设计。 （ 4）设计满足系统功能要求的硬件电路。 （ 5）利用汇编语言开发软件。 （ 6）工作总结及展望未来。 小结 本论文为地震局智能中心设计后备发电机的自动切换装置，主要为软件系统的设计。 地震局为重要场不能断电的场合，因此，对其电源自动切换的设计应当十分稳定可靠，保证不断电。 设计其检测电路，转换电路，充电电路，看门狗等，并且进行软件编程调试，为地震局设计一套安全、可靠、稳定、操作性强的供电系统。 河北工可程大学毕业设计说明书 7 2 总体设计方案 系统功能 系统的作用 电源自动切换系 统定义是由一个或多个转换开关电器和其他必需的电器组成，用于监测电源电路、将一个或多个负载电路从一个电源自动转换至另一个电源的自动电器。 后备发电机自切换系统有两路电源，一路是来自变电站的市电，一路是地震局内部的后备发电机，这个系统的作用有： （ 1）监测两路电源； （ 2）两路电源的自动切换； （ 3）检测蓄电池是否有电或充电完闭； （ 4）定期每个月给后蓄电池充电。 系统转换过程及自动充电功能 后备电源采用 60KVA 的发电机，转换电源期间中断向负载供电。 系统指定一个常用电源位置，其操作程序由两个自动转换过 程组成 : （ 1）如果常用电源被检测到出现偏差，则启动延时程序，延时时间到，自动将负载从常用电源转换至备用电源。 （ 2）如果常用电源恢复正常，则启动延时，延时时间到，自动将负载返回换接到常用电源。 自动充电功能由看门狗电路组成，每个月自动检测后备发电机是否有电，并且完成对其充电。 系统性能指标 （ 1）转换时间：触头转换时间 —— 从第一组主触头断开常用电源起至第二组主触头闭合备用电源为止的时间。 转换动作时间 — 主电源被监测到偏差的瞬间起至主触头闭合备用电源为止的时间 (含机构动作时间 )，不包括特意引入 (控制器 )的延时。 总动作时间 — 转换动作时间与特意引入 (控制器 )的延时之和。 返回转换时间 — 从常用电源完全恢复正常的瞬间起至一组主触头闭合常用电源的瞬间为止的时间加上特意引入的延时。 断电时间— 从各相电弧最终熄灭的瞬时起至主触头闭合另一个电源为止的转换过程时间，包括特意引入的延时。 河北工可程大学毕业设计说明书 8 （ 2） .额定接通和分断能力：额定接通和分断能力是制造厂规定的，在规定条件下足以能够接通与分断的电流值。 对于交流，额定接通和分断能力用电流的交 流分量有效值表示。 （ 3）额定短时耐受电流：额定短时耐受电流是制造厂规定的，在国家标准 GB 厅 一 20202 的 条规定的试验条件下，电器能够承载的短时耐受电流值。 对于电流，额定短时耐受电流值用电流的交流分量有效值表示。 （ 4）额定短时分断能力：额定短时分断能力是指应能分断额定短路分断能力及以下的任何电流。 在额定工作电压、额定频率与规定的功率因数 (或时间常数 )下，电器的短路分断能力值，用预期分断电流值表示。 电源转换控制器基本功能 （ 1）电压检测功能 克服了以往电源自动转换装置只能检测常用、备用两路电源各一相的缺点，控制器对常用、备用电源各自的 A、 B、 C 三 相电压进行监控，保证了转换条件的完整性和准确性。 并指示常用、备用电源的状态及当前接入的电源状态。 （ 2）故障电压阀值可设定 不同的应用场合下对电压故障界定条件各不相同。 本控制器将故障电压种类 分为过压和失压，高于额定值的 l巧 %判为过电压，低于 60 一 85%判为欠电压。 而不同的欠电压阀值可以设定。 （ 3）具有“自复”功能 自复是指在转换至备用电源后，一旦常用电源供电恢复，控制器给出从备用电源转换至常用电源的信号。 系统实现方案选择 概括的说，简单、可靠、安全就是此系统最基本的要求，可靠的分析转换是系统的核心。 总体结构 从系统需满足检测、充电、转换方面的功能来讲，硬件原理总框图可作如下设计，如图 21 所示： 河北工可程大学毕业设计说明书 9 图 2 1 硬件原理总框图 光电耦合器将每相电压进行取样，然后送模入数转换器中，模数转换后的结果被单片机读入。 单片机根据用户键入的功能命令，对采集到的三相电压与标准设定值进行智能判断，然后发出相应的分闸、合闸、延时指令 (或声光报警指令 )，经过接口电路，驱动继电器，使电源切换开关作相应的动作。 如：某相电压超过 (或低于 )规定的电压值 (简称过压或欠压 )时，应有相应的指示及声光报警，以及根据用户设定的工作模式去自动切换电源，切换由继电器带动开关来实现。 最后，单片机还应对切换后的开关进行检测，以确定是否正常分闸或正常合闸，形成闭环控制回路，以免开关本身的故障造成系统不市电 三相输入 后备电源 三相输入 光电耦合 光电耦合 模数转换 单片机 分闸 合闸 控制 功能状态 选择 声光 显示 继电器 定期检测并充电 河北工可程大学毕业设计说明书 10 正常工作。 此外，通过看门狗程序自动定期检测后备发电机是否有电，并对其进行充电。 核心控制芯片的选择 系统的核心控制芯片选用 ATMEL 公司生产的 AT89C51 单片机，这种单片机的最大特点是片内含有 FLASH 存储器，在便携式、省电和特殊信息保存的仪器中十分有 用，单片机的引脚功能图如图 22 所示： 图 22 89C51 引脚图 图 22 AT89C51 引脚图 AT89C51 是一种低功耗、高性能的的位单片机，片内带有一个 4KB 的 FLASH 可编程、可擦除只读器，它采用了 CMOS 工艺和 ATMEL 公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与 MCS51 兼容。 片内的 FLASH 存储器允许在系统内改编序或用常规的非易失性可编程存储器来编程。 AT89C51 是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到零，并提供两种可软件来选择的省电方式 —— 空闲和掉电方式。 在空闲方式中， CPU 停止工作，而 RAM、定时 /计数器、串行口和中断系统都继续工作。 在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，故只保存片内 RAM 的内容，直到下一次硬件复位为止。 AT89C51 的主要工作特性： （ 1） 8031CPU； 河北工可程大学毕业设计说明书 11 （ 2） 4KB 的快速擦写 FLASH 存储器，用于程序存储，可擦写次数为了 1000 次； （ 3） 256B 的 RAM 其中高 128B 字节地址被特殊功能寄存器 SFR 占用 ； （ 4） 32 根可编程 I/O 线； （ 5） 2 个可编程 16 位定时器； （ 6）具有 6 个中断源、 5 个中断矢量、 2 级优先权的中断系统； （ 7）一个数据指针 DPTR； （ 8） 1 个可编程的全双工串行通信口； （ 9）具有“空闲”和“掉电”两种低功耗工作方式； （ 10）可编程的 3 级程序锁定位； （ 11）工作电源的电压为 5（ 1177。 ） V； （ 12）振荡器最高频率为 MHZ； （ 13）编程频率 MHZ~24MHZ，编程电流启动电流 1mA，编程电压 VPP 为 5V 或 12V。 河北工可程大学毕业设计说明书 12 3 系统硬件电路设计 单独一个 89C51 是无法工作的，它必须和其它相应的外围设备一起才能构成一个完 整的系统。 单片机及外围电路 ⑴复位电路 复位。