智能双电源自动切换项目设计方案.docx
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智能双电源自动切换项目设计方案
智能双电源自动切换项目设计方案
1绪论
1.1电源自动切换系统概述
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，保证供电不问断或间断时间在允许的围。
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。
国际电工委员会（IEC）于1989年6月发布了第一版《自动转换开关电器》标准（正C60947一6一l），并于1994年和1997年9月分别进行了两次修正，第三次修正工作正在进行中。
我国现行有关《自动转换开关电器》推荐标准（GB厅14048.11）等同采用IEC60947一6一l（1998）标准，并于2002年10月发布，2003年4月开始实施。
我国有众多的低压电器生产厂家，结合自己产品的特点开发出不同类型的自动转换开关，同时我国也是自动转换开关市场潜力最大的国家，这种需求主要受到三个方面的因素影响。
第一，受对供电质量的要求不断提高的影响，随着家庭电气化的普及和企业自动化程度的提高，对电源的质量要求和连续供电的要求在不断提高;第二，受电力供应的供需矛盾的影响，虽然我国发电装机容量从1987年1亿KW到2006年6.2亿KW，但电力供需形势十分严峻。
电力供应的供需矛盾迫使许多企业购买小型发电机来满足重要设备的用电需求，由此刺激了自动转换开关的需求;第三，受重要公共建筑安全的影响，出于对重要公共建筑消防安全的考虑，相应的建筑规中对消防设施的可靠供电有严格的规定。
如《高层民用建筑设计防火规》（GB50045一1995）、《民用建筑电气设计规》（JGJ汀16一1992）以及《供配电系统设计规》（GBSOO52一1995）中都对供电电源的数量有严格的规定:
“一级负荷应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源不致同时受到损坏。
一级负荷中特别重要的负荷，除上述两个电源外，还必须增设应急电源，并严禁将其他负荷接入应急供电系统”。
因此，在有双电源供电的场合，就必须使用转换开关。
我国《供配电系统设计规》中根据对供电可靠性的要求及中断供电在政治、经济上所造成损失或影响的程度对电力负荷进行分级，并应符合下列规定:
（1）符合下列情况之一时，应为一级负荷:
① 中断供电将造成人身伤亡时;
② 中断供电将在政治、经济上造成重大损失时。
例如:
重大设备损坏、重大产品报废、用重要原料生产的产品大量报废、国民经济中重点企业的连续生产过程被打乱需要长时间才能恢复等;
③ 中断供电将影响有重大政治、经济意义的用电单位的正常工作。
例如:
重要交通枢纽、重要通信枢纽、重要宾馆、大型体育场馆、经常用于国际活动的大量人员集中的公共场所等用电单位中的重要电力负荷。
在一级负荷中，当中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷，应视为特别重要的负荷。
（2）符合下列情况之一时，应为二级负荷:
① 中断供电将在政治、经济上造成重大损失时。
例如:
主要设备损坏、大量产品报废、连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复、重点企业大量减产等;
② 中断供电将影响重要用电单位的正常工作。
例如:
交通枢纽、通信枢纽等用电单位中的重要电力负荷，以及中断供电将造成大型影剧院、大型商场等较多人员集中的重要的公共场所秩序混乱。
（3）不属于一级和二级负荷者应为三级负荷。
由此可见，电源自动切换装置作为消防负荷和其他重要负荷的末端互投装置，在工程中得到了广泛的应用，正确合理的选择装置可以确保重要负荷的可靠供电，双电源自动切换装置在重要负荷的供电系统中是不可缺少和重要的一个环节。
本论文研究和设计了一种基于89C51单片机的电源自动切换装置，当常用电源由于某种原因失电后，只要条件满足，装置启动，投到备用电源，从而对用电设备迅速恢复供电。
基于单片机的设处理系统数据处理速度快，具有良好的可计编程实时特性;硬件和软件接口方便，可以与其它数字系统或设备相互兼容;开发方便，可以灵活地通过软件对系统的特性和应用目标进行修改和升级;具有良好的系统健壮性，可靠性较高;易于实现系统集成，可以提供高度的规性。
由此使得该装置具有精度高、速度快、可靠性高、集成度高、接口方便、灵活性好等优点。
1.2单片机概述
单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展很快。
单片机是在一块半导体硅片上集成了微处理器（CPU），存储器（RAM，ROM，EPROM）和各种输入，输出接接口（定时器/计数器，并行I/O口，串行口，A/D转换器以及脉宽调制器PWM等）一块集成芯片具有一台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，即单片机。
1.2.1单片机的特点
单片机结构上最大的特点就是把CPU，存储器，I/O接口电路等集成在一块超大规模的芯片上，单片机这种特殊的结构形式，使其具有多显著特点。
1集成度高、体积小、可靠性高
单片机将各功能部件集成在一块芯片上，部采用总线结，减少了芯片间的连线，大量的数据传输在单片机部进行，不易受外界干扰。
另外，用单片机构成的应用系统结构简单，体积小，极易对系统进行电磁屏蔽等干扰措施。
所以，单片机应用系统具有较高的可靠性和抗干扰能力。
2控制能力强
单片机采用面向控制的指令系统，有很丰富的条件分支转移指令，有很强的位处理功能，可以直接对I/O接口进行输入/输出操作逻辑运算，特别适用于实时控制。
3性能价格比高
高性能、低价格是单片机最显著的特点之一，其应用系统具有印制电路板小、接插件少、硬件成本低、安装调试简单方便等特点，使单片机应用系统的性价比大大高二其它系统。
4使用方便、容易产品化
单片机选择围宽，可以用通用单片机，也可以用专用单片机。
单机系统扩展方便、硬件设计简单、开发工具完善、开发周期短，容易将单片机系统产品化，很快投入实际应用。
1.2.2单片机的应用
单片机的应用提高了机电产品的技术水平和自动化程度，对各行各业的技术改造和产品更新换代起到了重要的推动作用。
其应用领域已从工业控制、仪器仪表、机电一体化设备等迅速发展到了家用电器、办公自动化、汽车电子等广大领域。
1仪器仪表
在各种仪器仪表中引入单片机，使仪表数字化、智能化、微型化，可以提高仪器仪表的智能化程度和测量精度，可以简化仪器仪表的硬件结构。
在仪器仪表量使用单片机已经是一种趋势，使仪器仪表智能化取得了令人瞩目的进展。
2工业控制
单片机广泛应用于各种工业控制系统中，如数控机床、工业机器人、温度控制等。
3机电一体化
机电一体化是机械工业的发展方向，机电一体化产品是指集机械技术、通信技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品。
单片机作为机电一体化产品中的控制器，能发挥其体积小、控制功能强的优点，使机电产品体积缩小，功能增强，提高机电产品的自动化、智能化程度。
4家用电器
家用电器普遍采用单片机取代伟统的控制电路，如洗衣机、电冰箱、空调、彩电、微波炉、电子玩具等。
家电器配上了单片机后，功能增强、智能化程度提高、使用更加方便，倍受人们喜爱，同时也身价倍增。
1.3国外发展研究概况
电源自动切换装置的历史悠久，在将电作为主要能源后，由于对重要负荷的供电存在不同电源间的转换问题，装置必然会得到应用。
但由于需求有限，以往并未把它作为一种独立的或者说是某一种特定的大类产品来看待。
以往的电源自动切换装置一般都是由设计、电气成套企业或用户直接用接触器、继电器、刀开关或由断路器、机械联锁、控制器构成双电源转换系统。
伴随各种用户或用电系统对提高自动化程度的需求和新技术的应用，电源自动切换装置逐渐得到发展和应用。
特别是20世纪80年代以后，国外公司推出的不同型式的转换装置纷纷进入我国市场。
我国在20世纪90年代中期，针对国市场需求，众多研究开发单位和生产制造企业开始专门研究开发和生产营销电源自动切换装置，使之得到了快速的发展，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，是目前国外市场较理想的电源转换产目前国的产品市场还不成熟，表现在:
（1）行业大多数用户，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。
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、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、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、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。
1.4本论文研究的主要容
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。
1.5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。
2总体设计方案
2.1系统功能
2.1.1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。
2.1.2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。
2.1.3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。
（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14048.11一20032的8.3.4.3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。
2.1.4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。
2.2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。
2.2.1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2-1所示：
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。
2.2.2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2-2所示：
图2-289C51引脚图
图2-2AT89C51引脚图
AT89C51是一种低功耗、高性能的的位单片机，片带有一个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MCS-51兼容。
片的FLASH存储器允许在系统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RAM的容，直到下一次硬件复位为止。
AT89C51的主要工作特性：
（1）8031CPU；
（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（1±0.2）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。
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。
3.1单片机及外围电路
⑴复位电路
复位是单片机初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，也需按复位键以重新启动。
80C51的RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即两个机器周期）以上，若使用频率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4μS才能完成复位操作，复位电路如图3-1所示：
RST
图3-1复位电路
此复位电路在RST端和正电源VCC之间接一个按纽，当按纽按下时，VCC的+5V电平就会直接加到RST端。
即使按下按纽的动作较快，也会使按纽保持接通达数十毫秒，所以，保证能满足复位的时间要求。
⑵时钟电路
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
本单片机的时钟电路如图3-2所示：
X1
X2
图3-2时钟电路
在80C51部有一个高增益放大器，其输入端为芯片引脚X1，输出端为引脚X2，在芯片的外部通过这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。
电路中对电容C11和C12的要求不是很严格，如使用高质的晶振，则不管频率多少，C11、C12一般都选择优取向30pF。
晶体的振荡频率围通常是1.2MHz~12MHz，晶体振荡器频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也快。
⑶扩展电路
在设计89C51电路的时候，出现了I/O口不够的问题，需要进行扩展，本系统用一个8255芯片进行扩展，图面3-3是8255与89C51的接口电路：
RST
Q5
图3-389C51扩展电路
8255部的A组B组控制电路，根据CPU的命令控制8255的工作方式。
每组从读/写控制逻辑接受各种命令，从部数据总线接受控制字并发出适当的令到相应的控制PB口及PC口的低4位。
8255部读写控制逻辑用于管理所有的数据、控制字或状态字的传递，它接受来自CPU的地址及控制信号来控制各个端口的工作状态。
其端口选择及其功能如表3-1所示：
表3-18255的端口选择及其功能
A1
A0
RD
WR
CS
功能说明
0
0
0
1
0
A口
数据总线
0
1
0
1
0
B口
数据总线
1
0
0
1
0
C口
数据总线
0
0
1
0
0
数据总线
A口
0
1
1
0
0
数据总线
B口
1
0
1
0
0
数据总线
C口
1
1
1
0
0
数据总线
控制寄存器
1
数据总线为三态
1
1
0
1
0
非法状态
1
1
0
数据总线为三态
AT89C51通过锁存器74LS373与扩展芯片8255连接，图中8255的和片选信号
接到74LS373的Q5口，端口地址选择信号A1、A0由P0.1、P0.2经74LS373锁存后提供。
⑷显示电路
该电路由红黄绿三个LED灯和电阻串联而成，主要用于单片机所监控的状态显示，状态及灯亮情况如表3-2：
表3-2LED灯状态显示：
电路工作状态
亮灯
正常
绿灯
异常
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