基于AT89C51的电源切换控制器的设计与实现
0 引言
随着现代工业的发展和社会的进步，人们对供电持续性的要求已越来越高，如要求供电电源采用两路甚至两路以上，一路为常用电源（如外线电源），另外的为备用电源（如内部的发电电源）。因此，需要一种能在电源之间进行自动切换的装置，以保证某路正在使用的电源在出现故障时能自动切换到另外的正常电源上，保证供电不间断或间断时间在允许的范围内。该电源切换装置必须具有反应灵敏、工作可靠、功能齐全、声光指示等特点。传统的电源切换装置采用模拟信号处理方式的控制器，反应不灵敏，可靠性不高，且工作模式固定、单一。也有采用数字信号处理方式的控制器，但这种系统成本高，对工作环境要求苛刻。因此，设计出一种成本低、可靠性高、多工作模式、对工作环境没有特殊要求的电源自动切换控制器，具有重要的现实意义。
本文以单片机程序控制为基础构成的电源切换控制器，可以达到现实要求。
1 控制器组成和基本原理
硬件原理方框图如图1所示。
图1 硬件原理方框图
将常用电源A、B、C三相电压，备用电源A、B、C三相电压送入控制器，经过光电耦合，实现强电与弱电的良好隔离以及有效转换。光电耦合器将每相电压进行取样，然后送入模数转换器中，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正常工作。
2 电路结构
进行硬件电路设计时，既要考虑控制功能的实现又要充分利用软件的功能来简化硬件结构，即做到软硬兼施。
2.1 输入电路
输入电路如图2所示。
图2 输入电路原理图
在图2中，CC1端接常用电源的某一相，CN端接常用电源的中线，BB1端接备用电源的某一相，BN端接备用电源的中线。用光电耦合器IS604作为强电与弱电的隔离(实际电路中有6个IS604，为缩小电路图的篇幅，这里只画出常用电源的某一相，其它光电耦合器的相关电路连接，与之类似)，IS604内采用双向发光管，转换效率高，外界电压轻微变化，IS604就有相应的输出。R1为统调电阻，使每个光电耦合器在相同输入时，有相同直流输出，以克服光电耦合器之间的误差，避免造成误判。模数转换器ADC0809性价比极高，其IN0～IN2接入常用电源三相电压的取样值，IN3～IN5接入备用电源三相电压的取样值，在单片机AT89C51的地址线A0、A1、A2的控制下，轮流读入每相取样值的模数转换结果，单片机AT89C51中的程序根据这些瞬时取样值与内设的标准值相比较，做出相应的判断，通过P1口，P2口，P3口进行输出控制及指示。继电器K5的作用是将常用电源或备用电源的某相电压输入变压器T1降压、整流、稳压后作为控制器的工作电源。
2.2 AT89C51及外围电路
由于单片机的脚位有限，为了扩展单片机的功能脚，采用了8255并行扩展芯片。如图3所示，将8255的PA0～PA5用作工作模式指示（该图中没画出发光二极管，8255可通过限流电阻直接驱动发光二极管），PC0～PC5作备用电源某相过压或欠压指示。考虑到电源切换控制器的工作环境恶劣，因干扰或其它原因（如待机工作）可能使单片机程序进入死循环或死机，加入看门狗电路MAX813L。单片机程序正常时在规定时间内由PB0输出喂狗脉冲，否则，MAX813L在1.6s后将单片机复位，单片机复位后根据74LS373锁存的8255PA口的状态，恢复原来的工作模式，进入相应的服务程序，这样，程序的运行基本上不受影响。此时，看门狗将单片机及8255等复位，但74LS373在不掉电时，维持复位前的信息。只有整个控制器都掉电，74LS373才不保存原有信息，这样 74LS373不影响以后的工作模式设置。这也是没有采用EEPROM而采用74LS373保存控制器工作模式的原因。AT89C51的 P2.0～P2.5为常用电源某相电压的过压或欠压指示。P2.6～P2.7可以用作电网发电的发电指令和卸载指令输出。P1.0～P1.7及 P3.0～P3.5用作基本的I/O口，可以通过按键扫描的方式接受新的工作模式指令以及某路电源分闸、合闸指令输出、报警发音输出。
图3 AT89C51及外围电路
2.3 继电器控制电路
继电器控制电路如图4所示。
图4 继电器控制电路
在图4中，只画出常用电源合闸控制及备用电源合闸控制电路。常用电源合闸控制继电器的线圈K1A与备用电源合闸控制继电器的常闭触点K2D串接在一起，这样当P1.1出现高电平、P1.3出现低电平时，继电器线圈K1A通电，其常开触点K1C闭合，常闭触点K1D断开，接通交流220V的常用电源闸刀控制线路，同时断开备用电源合闸控制继电器线圈K2A的电源，两个继电器接成互锁的形式，以保证任何时刻只有一路电源被合闸接通，确保供电系统安全运行。该控制器还有分闸控制电路，电路形式与图4类似，但不须接成互锁形式。
3 软件设计
电源切换系统一般有几种工作模式，如：自投自复、自投不自复、只常、只备、发电，它们各有特点。自投自复的主要特点是，当常用电源不正常时，而备用电源正常时就接通备用电源，两路电源都正常时，接通常用电源；自投不自复的主要特点，类似自投自复，但在使用备用电源时如果备用电源正常则不切换到常用电源；只常则不管常用电源是否正常都使用常用电源，但能对常用电源及备用电源进行检测指示；只备类似只常，只使用备用电源；发电则是指备用电源由发电电源构成时，应有发电指令输出以及卸载指令输出。这些工作模式对应的硬件电路基本一样，只是软件编程时应有针对性和选择性。另外，为进一步提高程序的稳定性和抗干扰能力，在程序中还应设软件陷阱等抗干扰措施。由于8255的复位时间比单片机长，所以在上电复位后，对8255进行初始化之前，程序中要插入适当的延时，使8255能正常工作。主程序流程图如图5所示。软件中的检测子程序、判断子程序的思路，在参考文献[1]中有具体的阐述。
图5 主程序流程图
4 结语
该电源切换控制器不仅能实现自投自复、只常、只备、自投不自复、发电、自动脱扣检测、断电再扣等工作模式，还能对控制后的开关状态进行检测，以免开关本身的故障造成供电不正常。经过1年多的试用，控制器运行稳定，从缩小电路板面积方面考虑，现已准备对其进行硬件升级。
