基于单片机的双电源自动切换开关控制器

武彦飞，童峥嵘，邢文华，王俊峰

（天津理工大学 计算机与通信工程学院，天津 300384）

随着社会科技的发展与进步，生活水平的日益提高，人们对电的依赖性逐渐加强，电力系统的连续可靠性成为保障正常生活的重要指标。特别是一些重要用电场所（医院、机场、大型生产线、银行等），电力系统出现故障时，如果不能及时供电，将会带来巨大损失［1］。自动转换开关(Automatic Transfer Switching Equipment，ATSE）便是为了确保供电连续而设计的。ATSE 由开关主体和其他必需的电器组成，设有监测电源电路对电源进行故障检测，并且能够自动将一个或几个负载电路从一个电源转换至另一个电源［2］。1992年在上海金茂大厦的设计中我国首次引入ATSE，此后在我国的建筑工程等领域，这种开关装置得到了普遍应用［3］。国际电工委员会标准将ATSE分为CB级和PC级。CB级ATSE结构复杂、体积大、切换时间长且可靠性较差，故随着ATSE技术的不断进步，其应用领域逐渐缩小。PC级ATSE结构简单、体积小、切换时间短且安全可靠，近年来逐渐占据了ATSE的主流市场［4］。

本文设计了一种以STC单片机为控制核心的双电源自动转换开关控制器。系统设有常用与备用两个电源，正常情况下常用电源供电；设有电压检测模块对常用、备用电源电压进行实时监测；设有单片机控制模块对采集电压进行处理与判断，并根据判断结果发出相应控制命令；设有电机与电闸切换模块响应单片机的控制命令，快速进行电源切换动作。当系统判断常用电源出现故障（如欠压、过压、断相）时，各模块协同运作，自动切换到备用电源供电；当系统判断常用电源恢复正常时，再自动切换回常用电源供电。STC单片机具有体积小、数据处理速度快、抗干扰性强和功耗低的特点［3］，保障该控制器的有效性。相较于传统的以单片机为基础的双电源自动转换开关控制器，为了提高本控制器的抗干扰能力，在电压检测电路中加入光电隔离电路和滤波电路，有效隔离环境、电磁场等因素的干扰；软件采用C语言及其内核函数编程，语法灵活；用内部逻辑关系代替实际的硬件连接，避免大量中间连线的干扰，保障该控制器的可靠性。

1系统总体设计

系统主要由电压检测模块（常用电检测和备用电检测）、电机模块、电闸模块、按键控制模块以及故障报警模块组成，结构框图如图1所示。电源模块在常用电源与备用电源之间选择一路为单片机供电［5］;电压检测模块

对常用电源与备用电源各个相的电压进行检测，检测结果作为采样值送入单片机。单片机对接收到的信号进行处理与判断，当检测出常用电源有任意一相电压信号不正常时，单片机对继电器与电机发出控制命令，使电机反转，备用电闸闭合，控制面板上备用电源指示灯亮，备用电源供电；当检测出常用电源恢复正常后，单片机对继电器与电机发出控制命令，使电机正转，备用电闸断开，常用电闸闭合，从备用电源切换到常用电源供电，控制面板上常用电源指示灯亮。同时设计故障报警模块和按键控制模块，便于及时进行故障检修以及人工切换电源。

系统实现的主要功能如表1所示。状态1表示继电器控制电机，保持常用电闸闭合，系统使用常用电源。状态2表示继电器控制电机，使备用电闸闭合，系统使用备用电源，系统向外报警，常用电故障。状态3表示继电器控制电机，保持常用电闸闭合，系统使用常用电源，系统向外报警，备用电源故障。状态4表示系统不工作。

2硬件设计

2.1实时电压检测

电压检测电路对常用电源与备用电源输入的三相交流电压（NA、NB、NC）进行检测，系统采集三相电压值作为常用电源与备用电源正常的标志。当检测到其中任何一相电压不正常时，表明电源发生故障。通过STC204D2单片机A/D模块编程把所采集到的信号模拟量转换为数字量,判断常用电源是否供电正常，进而控制继电器，驱动电机切换电源。在电压信号检测电路中加入光电耦合电路和滤波电路，增强控制器硬件抗干扰能力。

STC204D2单片机内部A/D转换采用均方根算法，电压的公式可以表示为：

式中：U为模拟量转换为数字量的电压值；T为采样时间；uL(t）为采样电压瞬时值。

由于采集到的都是不连续的点，所以将公式离散后进行数字化。离散后的公式为：

式中：N为每个周期的采样点个数；uLj为第j个电压采样值。

常用电源火线NA作为电源部分为系统供电，如图2所示。经过变压器后输出12 V交流电，在R2与R3之间进行分压。变压器输出为正电压时，NA点为正常分压；变压器输出为负电压时，由于二极管D1的钳位电压作用，NA将固定在-0.7 V。最终将检测值输出到单片机A14口。系统采集NA的值作为常用电正常的标志之一。

对图2电路进行仿真，NA点输出波形如图3所示。输入为220 V 50 Hz交流电，测得NA点电压值约为1.94 V。

常用电火线NB与NC一同检测，如图4所示。NB信号经过R4、R5、R6分压，经过第一个光电耦合器U1输出，作为第二个光电耦合器U2的集电极输入。其中C4的作用是使第二个光电耦合器输入电压稳定，C5与R10的作用是将信号转变为高电平输出给单片机。NB与NC间存在相位差，同时有电时NBC处能够检测到直流信号，最终输出给单片机A13口。NBC电压作为常用电的标志之一。

对图4电路进行仿真，第一个光电耦合器输出NB点与NBC点的输出波形如图5。第一个光电耦合器导通，输出电压降低，为C4充电，两个光电耦合器依次导通，为NBC逐渐充到高电平的电压，输入为220 V 50 Hz交流电，仿真得到NBC点电压值约为4.3 V。检测时间为0.2 s。

2.2常用、备用电源切换的硬件实现

系统存在常用、备用两路电源，各由一个电闸控制。两个电闸间设计一个由电机控制的切换装置，电机正转时， 图6电机控制电闸示意图

常用电闸闭合，常用电源供电。电机反转时，备用电闸闭合，备用电源供电，如图6。

单片机通过cont0、cont1、cont2三个端口控制继电器J3、J1、J2，实现电机供电选择、电机旋转方向选择的功能［6］，最终控制电机进行常用、备用电源切换，如图7。cont2驱动J2在常用电与备用电之间选择一路电为电机供电；cont0驱动J3控制电机的正转与反转。若J2直接同时接入常用电与备用电，则切换时电流较大，容易产生火花，比较危险，故设计cont1驱动J1控制备用电的接入，在J2接入备用电之前对备用电进行断开处理，仅当常用电不正常需要备用电时再去接通。

3软件设计

软件设计部分包括显示程序与控制程序。显示程序用来显示检测到的实时电压值，供人工查询；控制程序用来实现单片机对继电器与电机的控制，完成常用、备用电源之间的转换。图8为控制程序流程图。软件程序采用C语言及其内部特定的内核函数编写，提高了程序运行效率；采用“指令冗余”技术，多编写单字节指令，在双字节、三字节指令后面加两条单字节指令NOP，增强了控制器软件抗干扰能力［7］。

首先，对单片机以及继电器进行初始化设置。然后，对常用电源电压值进行判断。如果常用电源三相电压值均正常，则继续对备用电源输入电压值进行判断：备用电源正常，重新初始化进行新一轮判断；备用电源不正常，则备用报警，持续检测备用电源直至其正常为止。如果常用电源有任一相电压不正常，则常用报警，备用合闸，使备用电源供电，之后持续对常用电源进行检测直至其恢复正常，备用断闸，常用合闸，常用电源重新供电，初始化进行新一轮判断。

系统软件与硬件相结合，经过调试后，能够使单片机双电源自动切换开关控制器正常运行，完成电源切换的功能。

对控制器进行测试，测试内容如下：

测试条件：常用电正常，然后断路（NA、NB、NC全为0 V），备用电正常。

测试结果：常用报警，备用电合闸，由备用电供电，切换时间约1 s。

结果分析：在信号采集阶段，图4中NB、NC经两个光电耦合在NBC处得到稳定电压值约用时0.2 s，电闸动作0.8 s。

4结论

本文设计了一种以单片机为核心的双电源自动转换开关控制器，并对其硬件与软件设计进行了深入讨论。该控制器的电压检测模块能够实时检测常用、备用电源的供电状况；系统能够自动判断电源出现的各种故障（如断相、欠压、过压等），并快速进行电源切换；控制面板能够显示当前供电状态供人工查询。与此同时，系统信号采集采用均方根算法，保证了数据的精确性与可靠性；软件编程采用C语言，语法灵活、运行速度快、效率高；在系统的硬件与软件设计中均采取了抗干扰措施，显著提高了控制器的可靠性。

参考文献

［1］ 王舜尧，姚建军，王汝文．一种多功能双电源转换智能控制器［J］.低压电器，2002(4) : 2931.

［2］ GB/T14048.112008．低压开关设备和控制设备［S］．2008.

［3］ 陈众励.ATSE应用中需关注的几个问题［J］.电气应用，2006(5):155157.

［4］ 康洪富，张兴波.基于STC系列单片机的智能温度控制器设计［J］.电子技术应用，2013,39(5):8688.

［5］ 赵荣康.智能型双电源开关控制器的设计 ［J］.微型机与应用，2010,29(15)：2224.

［6］ 苏和，时述有.SSR控制的电动机正反转电路设计［J］.电子技术应用，2009,35(12)：6566.

［7］ 杨开宇，柯慧，高印寒，等.智能压装力单片机测控系统的抗干扰设计［J］.计算机测量与控制,2013，21(11):29262928.

多个单片机的通信方式

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下面简述常用单片机之间的通信方式

1. 采用硬件UART进行异步串行通信。 这是一种占用口线少，有效、可靠的通信方式；但遗憾的是许多小型单片机没有硬件UART，有些也只有1个UART，如果系统还要与上位机通信的话，硬件资源是不够的。这种方法一般用于单片机有硬件UART且不需与外界进行串行通信或采用双UART单片机的场合。2. 采用片内SPI接口或I2C总线模块串行通信形式。 SPI/I2C接口具有硬件简单、软件编程容易等特点，但目前大多数单片机不具备硬件SPI/I2C模块。

3. 利用软件模拟SPI/I2C模式通信 ，这种方式很难模拟从机模式，通信双方对每一位要做出响应，通信速率与软件资源的开销会形成一个很大的矛盾，处理不好会导致系统整体性能急剧下降。这种方法只能用于通信量极少的场合。

4. 口对口并行通信，利用单片机的口线直接相连，加上1～2条握手信号线。 这种方式的特点是通信速度快，1次可以传输4位或8位，甚至更多，但需要占用大量的口线，而且数据传递是准同步的。在一个单片机向另一个单片机传送1个字节以后，必须等到另一个单片机的接收响应信号后才能传送下一个数据。一般用于一些硬件口线比较富裕的场合。

5. 利用双口RAM作为缓冲器通信。 这种方式的最大特点就是通信速度快，两边都可以直接用读写存储器的指令直接操作；但这种方式需要大量的口线，而且双口RAM的价格很高，一般只用于一些对速度有特殊要求的场合。

从上面几种方案来看，各种方法对硬件都有很大的要求与限制，特别是难以在功能简单的单片机上实现，因此寻求一种简单、有效的，能在各种单片机之间通信的方法具有重要的意义。③、④方案中，双方单片机要传递的每一位或每一个字节做出响应，通信数据量较大时会耗费大量的软件资源，这在一些实时性要求高的地方是不允许的。

针对这一问题，假设在单片机之间增加1个数据缓冲器，大批数据先写入缓冲区，然后再让对方去取，各个单片机对数据缓冲器都是主控模式，这样必然会大大提高通信效率。谈到数据缓冲，我们马上会想到并行RAM，但是并行RAM需要占用大量的口线（数据线+地址线+读写线+片选线+握手线），一般在16条以上。这是一个让人望而生畏的数字，而且会大大增加PCB面积并给布线带来一定的困难，极少有人采用这种方式。串行接口的RAM在市场上很少见，不但难以买到而且价格很高。移位寄存器也可以做数据缓冲器，但目前容量最大的也只128位，因为是“先进先出”结构，所以不管传递数据多少，接收方必须移完整个寄存器，灵活性差而且大容量的移位寄存器也是少见难买的。一种被称为“铁电存储器”芯片的出现，给我们带来了解决方法。

利用铁电存储器作为数据缓冲器的通信方式 铁电存储器是美国Ramtran公司推出的一种非易失性存储器件，简称FRAM。与普通EEPROM、Flash-ROM相比，它具有不需写入时间、读写次数无限，没有分布结构可以连续写放的优点，因此具有RAM与EEPROM的双得特性，而且价格相对较低。

现在大多数的单片机系统配备串行EEPROM（如24CXX、93CXX等）用来存储参数。如果用1片FRAM代替原有EEPROM，使它既能存储参数，又能作串行数据通信的缓冲器。2个（或多个）单片机与1片FRAM接成多主-从的I2C总线方式，增加几条握手线，即可得到简单高效的通信硬件电路。在软件方面，只要解决好I2C多主-从的控制冲突与通信协议问题，即可实现简单、高效、可靠的通信了。

实例（双单片机结构，多功能低功耗系统）（1）硬件 W78LE52与EMC78P458组成一个电池供电、可远程通信的工业流量计。78P458采用32.768kHz晶振，工作电流低，不间断工作，实时采集传感器的脉冲及温度、压力等一些模拟量；W78LE52采11.0592MHz晶振，由于它的工作电流较大，采用间断工作，负责流量的非线性校正、参数输入、液晶显示、与上位机通信等功能，它的UART用于远程通信。2个单片机共用1片I2C接口的FRAM（FM24CL16）组成二主一从的I2C总线控制方式，W78LE52的P3.5、P3.2分别与78P458的P51、P50连接作握手信号线A与B。我们把握手线A（简称A线）定义为总线控制、指示线，主要用于获取总线控制权与判别总线是否“忙”；握手线B（简称B线）定义为通知线，主要用于通知对方取走数据。

（2）I2C总线仲裁 由于我们采用的是二主一从的I2C总线方式，因此防止2个主机同时去操作从机（防冲突）是一个非常重要的问题。带有硬件I2C模块的器件一般是这样的，器件内部有1个总线仲裁器与总线超时定时器：当总线超时定时器超时后指示总线空闲，这时单片机可以发出获取总线命令，总线仲裁器通过一系列操作后确认获取总线成功或失败；超时定时器清零，以后的每一个SCL状态变化对总线所有主机的超时定时器进行清零，以防止它溢出，指示总线正处于“忙”状态，直到一个主机对总线控制结束不再产生SCL脉冲；超时定时器溢出，总线重新回到“空闲”状态。但是目前大多数单片机没有配备硬件I2C模块，而且当2个主机的工作频率相差较大时，超时定时器定时值只能设为较大的值，这样也会影响总线的使用效率。

下面介绍一种用软件模拟I2C总线仲裁的方式（I2C读写操作程序的软件模拟十分多见，这里不再多述）：用1条握手线A，当A线高电平时，指示总线空闲；当其中一个主机要获取总线控制权时，先查询总线是否空闲，“忙”则退出，空闲则向A线发送一个测试序列（如：1000101011001011），在每次发送位“1”后读取的A线状态。如果读取状态为“0”，马上退出，说明有其它器件已经抢先获取总线；如果一个序列读取的A线状态都正确，则说明已成功获得总线控制权，这时要拉低A线以指示总线“忙”，直到读写高A线，使总线回到“空闲”状态。不同的主机采用不同的测试序列，或产生随机测试序列，测试序列长度可以选得长一些，这样可以增加仲裁的可靠性。

（3）通信协议 一个可靠通信体系，除了好的硬件电路外，通信协议也至关重要。在单片机系统RAM资源与执行速度都非常有限的情况下，一个简捷有效的协议是非常重要的。下面具体介绍一种比较适用于单片机通信的协议，数据以包的形式传送。数据包结构：

①包头——指示数据包的开始，有利于包完整性检测，有时可省略；

②地址——数据包要传送的目标地址，若只有双机通信或硬件区分地址可以省略；

③包长度——指示整个数据包的长度；

④命令——指示本数据包的作用；

⑤参数——需要传送的数据与参数；

⑥校验——验证数据包的正确性，可以是和校验、异或校验、CRC校验等或者是它们的组合；

⑦包尾——指示数据包的结尾，有利于包完整性检测，有时可省略。

（4）通信流程 首先，要在FRAM里划分好各个区域，各个单片机的参数区、数据接收区等。然后，单片机可以向另一个单片机发送数据包，发送完毕之后通过向握手线B发送1个脉冲通知对方取走数据；接收方读取数据并进行处理后，向FRAM内发送方的数据接收区写入回传数据或通信失败标志，再向握手线B发送1个脉冲回应发送方。

如果需要单片机2发送的话，只需交换一下操作过程即可。

总结 通过实践可知，以上方法是可行的。与其它方法相比具有发下优点：

①简单。占用单片机口线少（SCL、SDA、握手线A、握手线B）。

②通用。软件模拟I2C主机方式，可以在任何种类的单片机之间通信。

③高效。由于采用数据缓冲，可以在不同时钟频率、不同速度的单片机之间通信；读写数据时，可以I2C总线的最高速度进行，可以实现1次传送大量数据；在一个单片机向FRAM传送数据时，另一个单片机无须一一作出响应或等待，可以进行其它程序操作，提高软件工作效率。

④灵活。通信硬件接口对于各个单片机是对等的，通过软件配置，每个单片机既可以根据需要主动发送通信，也可以只响应其它单片机的呼叫。

⑤容易扩展。通过增加地址识别线，修改通信协议，即可做到多机通信。

以下是需要注意的地方：

①为了提高通信效率，握手线B最好使用中断端口，负脉冲宽度一定要满足速度较低单片机中断信号要求。如果没有中断的话应增加1条口线，用改变端口状态的方法通知对方，等待对方查询，而不是负脉冲。

②向对方发送负脉冲时，应屏蔽自己的中断。

③由于参数与通信缓冲区同时设在同一片FRAM内，要避免对参数部分的误操作。一个较好的解决办法是把参数存放在地址的后半部分（A2=1），在进行通信操作时，把FRAM的WP引脚拉高（地址在后半部分的单元写保护），这样可以有效地防止测验时对参数区误操作。

④由于I2C总线在一个时间段内只有1个主机和1个从机，所以当1个单片机正在写通信数据时，另一个单片机是不能对FRAM进行操作的。如果需要实时、频繁地读取FRAM中参数的话，请预先将参数读入RAM单元使用或另外增加专门存放参数的芯片。

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