中心議題：

• 雙電源開關控製器的工作原理
• 雙電源開關控製器的硬件係統設計
• 雙電源開關控製器的軟件設計

解決方案：

• 選擇自帶A/D轉換器和輸入捕捉功能且有較豐富I/O的單片機
• 單片機對常用和備用電源進行頻率檢測
• 實時檢測常用和備用電源的電壓
• 控製器采用RS485總線與外界進行通信

隨著科技的進步和社會的發展，人們的生活水平不斷地提高，各行業對供電的可靠性、安全性
、連續性提出了越來越高的要求

，很多場合需要采用兩路電源來保證供電的可靠性和連續性。例如商場、銀行、醫院、通信部門
、交通部門以及國防軍事等部門都要求能連續不間斷地安全供電。而智能型雙電源開關控製器能夠很好地解決上述問題
，為可靠
、lianxudigongdiantigongqiangyoulidebaozheng。muqianzaihenduoqiyehelingyudoushiyonglezhinengxingshuangdianyuankaiguankongzhiqi，tayouzheguangkuodeshichangqianjingheyingyongjiazhi。benwenjieshaodezhinengxingshuangdianyuankaiguankongzhiqizhuyaoyoukongzhidanyuan(PIC16F884單片機)和執行機構(兩台三極或四極塑殼斷路器)組成。控製單元主要負責各種信號的辨識檢測、運算處理和控製輸出。執行機構則快速準確地響應控製單元的各種控製命令，從而構成一個功能強大、工作穩定
、可靠的控製係統。

1工作原理

智能型雙電源開關控製器以單片機PIC16F884為核心，對兩路供電電源(常用電源和備用電源)的電壓、頻率和相位進行實時檢測。當其中一路電源(常用電源或備用電源)的電壓發生過壓、欠壓或是缺相時，控製器就會發出電機切換命令
，使供電電源自動切換到另一路電源(備用電源或常用電源)上
，以此來保障供電的連續性。控製器的工作方式主要有自動方式和手動方式兩種。控製器的結構框圖如圖1所示，組成模塊如圖2所示。


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1.1自動工作模式

自動工作模式可分為：自投自複、自投不自複和電網-發電機三種方式。其中，前兩種主要應用於電網-電網供電模式
，而第三種則是應用於電網和發電機供電模式。

(1)自投自複模式：控製器對兩路電源進行監控，當兩路電源都正常工作時，則負載由常用電源供電
；當常用電源發生故障(過壓、欠壓或缺相)時，控製器發出電機切換命令使電源自動切換到備用電源，此時負載由備用電源供電
；當常用電源恢複正常時，控製器再次發出電機切換命令使負載供電由備用電源返回到常用電源。

(2)自投不自複模式：其工作方式和自投自複類似，但隻有當備用電源也出現故障時才自動返回到常用電源
，否則將一直由備用電源給負載供電。

(3)電網-發電機模式：當常用電源發生故障時，控製器輸出發電機啟動命令，經短暫延時後斷開常用電源
，此時負載由發電機供電

；當常用電源恢複正常時，控製器輸出發電機停機命令同時電源自動切換到常用電源上，負載返回到由常用電源供電模式。

1.2手動模式

在手動模式下，電源不能自動切換而需要人為操作，主要有常用電源供電、備用電源供電和斷電再扣方式。
常用電源供電：強製常用斷路器閉合，備用斷路器斷開。
備用電源供電：強製備用斷路器閉合，常用斷路器斷開。
斷電再扣：同時強製斷開常用斷路器和備用斷路器或是閉合因故障而斷開的所有斷路器。

2硬件係統設計

2.1單片機的選擇

控製器要求對交流電壓
、頻率和相位進行檢測
，有多路控製信號的輸入和輸出，為了節約成本和係統的穩定性，應選擇自帶A/D轉換器和輸入捕捉功能且有較豐富I/O的(de)單(dan)片(pian)機(ji)。此(ci)外(wai)，控(kong)製(zhi)器(qi)裏(li)的(de)強(qiang)電(dian)信(xin)號(hao)和(he)繼(ji)電(dian)器(qi)等(deng)元(yuan)件(jian)會(hui)對(dui)單(dan)片(pian)機(ji)產(chan)生(sheng)很(hen)大(da)的(de)幹(gan)擾(rao)，這(zhe)就(jiu)要(yao)求(qiu)單(dan)片(pian)機(ji)能(neng)夠(gou)有(you)較(jiao)好(hao)的(de)抗(kang)幹(gan)擾(rao)能(neng)力(li)。綜(zong)上(shang)考(kao)慮(lv)，本(ben)設(she)計(ji)選(xuan)擇(ze)了(le)PIC16F884單片機。它是Microchip公司目前主推的產品，采用精簡指令集(RISC)機構和一次性可編程(OTP)技術使得PIC16F884單片機具有高速的穩定性和非常強的抗幹擾能力；8KB的閃存、256B的EEPROM、10位A/D轉換器和CCP輸入捕捉
，完全可以滿足本控製器的設計要求。

2.2頻率檢測

danpianjiduichangyonghebeiyongdianyuanjinxingpinlvjiance，genjujiancedejieguolaipanduandianyuanshifoufashengguzhang，ranhoujinxingxiangyingdekongzhicaozuo。pinlvjiancedianluzhuyaoyiguangouTLP521-1和施密特觸發器CD40106為主要器件構成。頻率檢測的硬件電路如圖3所示。電網中的交流電經變壓器後變換為電壓較低的交流信號U1，U1經過光耦TLP521-1後就變成了同頻率的方波信號。為了防止光耦內部的二極管被反向電流擊穿
，在光耦外部反向接了1個二極管。為了使光耦輸出的方波信號更加規整，為單片機測量頻率做好準備，在光耦的輸出級加了施密特觸發器CD40106。利用PIC16F884單片機的輸入捕捉(CCP)功能記錄第一個上升沿的時間t1和下一個上升沿的時間t2，則信號的周期T=(t2-t1)μs。為了提高測量的精度
，采用多次測量取平均值的方法來實現。


2.3電壓檢測

電壓檢測主要用來實時檢測常用和備用電源的電壓。PIC16F884單片機有14通道的10位A/D轉換器，可以滿足電壓采樣的精度。由於PIC16F884單片機隻能對0～5V間的單極性電壓進行檢測
，故需要對交流電壓進行提升使它成為單極性的電壓信號。電壓檢測電路如圖4所示[1]。

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電路采用單電源供電的運放MCP604構(gou)成(cheng)無(wu)限(xian)增(zeng)益(yi)多(duo)路(lu)反(fan)饋(kui)二(er)階(jie)低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)，除(chu)能(neng)夠(gou)對(dui)交(jiao)流(liu)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)電(dian)壓(ya)提(ti)升(sheng)外(wai)，還(hai)可(ke)以(yi)濾(lv)除(chu)交(jiao)流(liu)信(xin)號(hao)中(zhong)的(de)高(gao)頻(pin)成(cheng)分(fen)，防(fang)止(zhi)交(jiao)流(liu)采(cai)樣(yang)發(fa)生(sheng)混(hun)疊(die)效(xiao)應(ying)。交(jiao)流(liu)工(gong)頻(pin)信(xin)號(hao)的(de)采(cai)集(ji)，一(yi)般(ban)以(yi)其(qi)有(you)效(xiao)值(zhi)進(jin)行(xing)計(ji)算(suan)：
，其中，N為1個周期內的采樣點數(本係統中取N=40)，ui為第i個采樣值。為了能夠在1個工頻周期內采樣到40個點，需要每隔500μs啟動1次A/D轉換。此過程可以用CCP的特殊觸發事件來完成。將CCP的特殊觸發事件設置成啟動A/D轉換，在程序中初始化CCP寄存器的值為0X1F4(500?滋s)即可。上述方法的缺點是在1個周期內的采樣點數N為定值(40)，而(er)由(you)於(yu)電(dian)網(wang)的(de)波(bo)動(dong)，電(dian)網(wang)電(dian)壓(ya)的(de)頻(pin)率(lv)可(ke)能(neng)會(hui)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，會(hui)造(zao)成(cheng)測(ce)量(liang)的(de)誤(wu)差(cha)，因(yin)此(ci)
，為(wei)了(le)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)電(dian)壓(ya)采(cai)集(ji)的(de)精(jing)度(du)，還(hai)使(shi)用(yong)了(le)頻(pin)率(lv)跟(gen)蹤(zong)法(fa)。首(shou)先(xian)利(li)用(yong)單(dan)片(pian)機(ji)測(ce)出(chu)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)的(de)頻(pin)率(lv)，然(ran)後(hou)根(gen)據(ju)頻(pin)率(lv)來(lai)計(ji)算(suan)1個周期內的采樣點數N，這樣可以大大降低因頻率變換而造成的測量誤差。

2.4通信接口

為了使控製器能夠方便地與上層控製平台進行聯網通信，實現控製器的遠程控製、遠程監控等功能，本設計為控製器添加了通信接口，采用簡單經濟、廣泛應用於工業上的RS485總線與外界進行通信。RS485采用差分信號進行傳輸，有較好的抗幹擾能力
，通過轉換模塊很容易實現從RS485到RS232的信號轉換，從而便於和上位計算機通信。選用了Maxim公司的MAX485芯片作為通信控製的主要器件
，其工作電源為+5V

，采用半雙工通信方式，能夠將TTL電平轉換為RS485電平
，內部包含了1個驅動器和1個收發器，通過串口可以方便地與PIC16F884進行通信。MAX485的接口電路如圖5所示。


2.5其他部分接口
消防檢測：控(kong)製(zhi)器(qi)設(she)有(you)一(yi)組(zu)無(wu)源(yuan)消(xiao)防(fang)信(xin)號(hao)的(de)輸(shu)入(ru)端(duan)子(zi)
，信(xin)號(hao)輸(shu)入(ru)采(cai)用(yong)光(guang)耦(ou)隔(ge)離(li)
，以(yi)提(ti)高(gao)抗(kang)幹(gan)擾(rao)能(neng)力(li)。並(bing)且(qie)帶(dai)有(you)一(yi)組(zu)無(wu)源(yuan)反(fan)饋(kui)信(xin)號(hao)輸(shu)出(chu)端(duan)子(zi)可(ke)將(jiang)開(kai)關(guan)的(de)到(dao)位(wei)信(xin)號(hao)返(fan)回(hui)到(dao)消(xiao)防(fang)設(she)備(bei)。

LCD顯示：控製器的人機界麵由LCD(1602)和發光二極管(LED)組成。控製器的各種工作狀態和工作模式通過相應的LED顯示。通過LCD和按鍵組成的人機交互方式對控製器的各種參數和工作狀態進行相應的查詢
、修改和設定等操作。

電機切換：利用三極管的開關電路驅動相應的繼電器動作，從而實現電機的啟動、停機、正轉和反轉等。

開關狀態檢測：利用開關檢測電路可以使控製器對係統中各個開關狀態進行實時監控
，以便發出各種準確的控製命令。

3軟件設計

程序采用C語言，在MPLAB+ICD2的開發環境下進行編寫
，控製程序采用模塊化設計。主要模塊有：係統初始化、A/D采集、CCP頻率測量
、開關狀態檢測
、顯示報警、輸出驅動、係統參數整定和存儲等。係統的控製軟件流程圖如圖6所示。


4可靠性和穩定性分析

智zhi能neng型xing雙shuang電dian源yuan開kai關guan控kong製zhi器qi主zhu要yao運yun用yong在zai一yi些xie對dui供gong電dian質zhi量liang要yao求qiu較jiao高gao的de場chang合he，因yin此ci，控kong製zhi器qi的de穩wen定ding性xing和he可ke靠kao性xing是shi設she計ji的de重zhong點dian和he難nan點dian。本ben係xi統tong中zhong有you強qiang電dian和he弱ruo電dian共gong存cun且qie相xiang互hu影ying響xiang的de情qing況kuang，為wei了le提ti高gao係xi統tong抗kang幹gan擾rao能neng力li

，各ge個ge部bu分fen都dou采cai用yong了le光guang電dian隔ge離li和he濾lv波bo技ji術shu。在zai係xi統tong中zhong增zeng加jia專zhuan門men的de濾lv波bo模mo塊kuai以yi保bao證zheng係xi統tong的de穩wen定ding性xing。係xi統tong的de電dian源yuan采cai用yong雙shuang線xian圈quan輸shu出chu的de變bian壓ya器qi，使shi得de係xi統tong電dian源yuan和he信xin號hao通tong道dao保bao持chi物wu理li上shang的de隔ge離li。另ling外wai，還hai采cai用yong了le軟ruan件jian濾lv波bo和he看kan門men狗gou等deng技ji術shu以yi增zeng強qiang係xi統tong的de可ke靠kao性xing。

本係統所設計的智能型雙電源開關控製器能夠對兩路電源的過壓、欠壓和缺相進行準確的檢測和監控，能夠自由、精確地在兩路電源中自動切換
，有廣泛的使用價值和廣闊的市場前景。