智能双电源自动切换项目设计方案

1 智能双电源自动切换项目设计方案 1 绪论 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，保证供电不问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。 国际电工委员会 ( 1989 年 6 月发布了第一版自动转换开关电器标准 (正 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 ( 同采用 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 2006 年 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，相应的建筑规范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范 ( 1995)、民用建筑电气设计规范 ( 汀 16 一 1992)以及供配电系统设计规范 ( 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范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 : 中断供电将造成人身伤亡时 ; 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 ; 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 : 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 ; 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 89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，可以提供高度的规范性。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。 3 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（ 存储器（ 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 ）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。 片机的特点 单片机结构上最大的特点就是把 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。 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，内部采用总线结，减少了芯片间的连线，大量的数据传输在单片机内部进行，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。 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。 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。 使用方便、容易产品化 单片机选择范围 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。 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。 4 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。在仪器仪表中大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。 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。 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。 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。 内外发展研究概况 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院设计、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，针对国内市场需求，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 5 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 B 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 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 ( 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 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 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 1001200A，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 6 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 (8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。 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 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。 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。 7 2 总体设计方案 统功能 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。 统转换过程及自动充电功能 后备电源采用 60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。 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 8 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） 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 20032 的 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。 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。 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。 9 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示： 图 2 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 10 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。 心控制芯片的选择 系统的核心控制芯片选用 司生产的 片机，这种单片机的最大特点是片内含有 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示： 图 2 89脚图 图 2脚图 一种低功耗、高性能的的位单片机，片内带有一个 4 编程、可擦除只读器，它采用了 艺和 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 容。片内的 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。 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 11 选择的省电方式 空闲和掉电方式。在空闲方式中， 止工作，而 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 内容，直到下一次硬件复位为止。 主要工作特性： （ 1） 8031 （ 2） 4快速擦写 储器，用于程序存储，可擦写次数为了 1000 次； （ 3） 256B 的 中高 128B 字节地址被特殊功能寄存器 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 （ 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 V； （ 12）振荡器最高频率为 （ 13）编程频率 4程电流启动电流 1程电压 5V 或 12V。 12 3 系统硬件电路设计 单独一个 89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。 片机及外围电路 复位电路 复位是单片机初 始化操作，其主要功能是把 000H，使单片机从 0000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。 80 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 6晶振，则复位信号持续时间应超过 4 S 才能完成复位操作，复位电路如图 3示： 图 3位电路 13 此复位电路在 和正电源 间接一个按纽，当按纽按下时， +5。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。 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示： 2 图 3钟电路 在 80部有一个高增益放大器，其输入端为芯片引脚 出端为引脚 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 要求不是很严格，如使用高质的晶振，则不管频率多少，般都选择优取向 30体的振荡频率范围通常是 2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。 扩展电路 在设计 89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 8255 与 89接口电路： 14 5 15 图 389展电路 8255 内部的 A 组 B 组控制电路，根据 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，从内部数据总线接受控制字并发出适当的令到相应的控制及 的低 4 位。 8255 内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 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示： 表 38255 的端口选择及其功能 0 R 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 过锁存器 74扩展芯片 8255 连接，图中 8255 的和片选信号 4 ，端口地址选择信号 74存后提供。 显示电路 该电路由红黄绿三个 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 表 3状态显示 ： 电路工作状态 亮灯 正常 绿灯 异常 黄灯 16 报警 红灯 硬件显示电路图如图 3 3 显示电路 硬件看门狗电路 看门狗如 3示： 8255） 89 3门狗电路 看门狗 如下特征： 17 1 2 3 4 5 6i t u m be r R e v i s i i z a t e : 26 - M a y - 20 08 S he e t o f F i l e : C : D o c um e nt s a n d S e tt i ng s A d m i ni s t r a t 桌面 其他 自动切换原理图 BD r a w n B y : 3 + 5710K S P E A K E . 41 2 3 4 5 6i t u m be r R e v i s i i z a t e : 26 - M a y - 20 08 S he e t o f F i l e : C : D o c um e nt s a n d S e tt i ng s A d m i ni s t r a t 桌面 其他 自动切换原理图 BD r a w n B y :0 1u FV i 12 2V i 5 51 00. 1 12 V + 5电池变压器 3 0u 1）本身能独立工作，基本上不信赖于 在一个固定的时间间隔内与之打一次交道，表明整个系统“目前沿属正常”。 （ 2）当 入死循环之后，能及时发现并使整个系统复位。 报警电路 图 3示为声音报警电路，其工作原理为：当系统故障时，给单片机的 置1 使 通，蜂鸣器发出声音报警。 3音的报警电路 充电及稳压电路 此电路用于给单片机片内外供电，同时给蓄电池提供充电电路，稳压。充电使用220V/12V 变压器（型号），滤波后经稳压管 7812 和 7805 分别转换成 +12V 和 +5V，其中 +12V 用于驱动后备发电机（即柴油发电机）起动， +5V 用于为单片机及其外围电路提供电压。 充电及稳压电路如 3示： 8255） 3电及稳压电路 此电路通过三级管的基集与 8255 的 相连，通过看门狗的程序定期为蓄电池充好电。 键盘电路 本系统键盘电路使用的是 4*4 矩阵式键盘，如图面 3示，每个按键开关位于行列的交叉处，采用逐行扫描的方法识别键 盘。 本次设计中键盘电路将实现以下功能： （ 1） 动复位： 硬件看门狗，当 1 键按下时，使 0，实 18 现手动清 0； （ 2）继电器 动合闸：调试时若 能闭合，可用 2 键检测是否为硬件有问题，也可以在系统完成后作为手动合闸按钮； （ 3）二极管手动复位：若显示电路的二极管（主要是报警灯，即红灯或黄灯）在软件清 0 后仍亮，则可按 3 键将其清 0； （ 4）蓄电池手动充电：若蓄电池电压低于最低值，则可按 4 键手动启动发电机给蓄电池充电； （ 5）蜂鸣器清 0：清除警报解除后的蜂鸣器误响。 （ 6）其余 键盘用于以后功能扩展使用。 3键盘电路图 信号调理电路 当市电或后备电输入时，需经整流、变压、再检测，再将检测到的信号传给单片机1 2 3 4 5 6i t u m be r R e v i s i i z a t e : 22 - M a y - 20 08 S he e t o f F i l e : C : D o c um e nt s a n d S e tt i ng s A d m i ni s t r a t 桌面 其他 自动切换原理图 BD r a w n B y : 04P A 13P A 22P A 31P A 440P A 539P A 638P A 737P B 018P B 119P B 220P B 321P B 422P B 523P B 624P B 725P C 014P C 115P C 216P C 317P C 413P C 512P C 611P C 710 S E 5 - P - P - P - P - P - P - P - P - P - P - P - P W - P - P W - P - P 21314151K+ 59 1 2 3 4 5 6i t l eN um be r R e vi s i iz a t e : 29 - M a 0 08 S h e e t F il e : C : D oc u m e nt s a S e tt i ng s A dm i ni s t r a t 桌面 自动切换原理图 BD r a w n B y:535. 60 1I S 60 4+ 51 2 3 4 5 6i t u m be r R e v i s i i z a t e : 27 - M a y - 20 08 S he e t o f F i l e : C : D o c um e nt s a n d S e tt i ng s A d m i ni s t r a t 桌面 其他 自动切换原理图 BD r a w n B y :N O T+ 5 - 026m s 1212- 220I N - 1272- 3192- 418I N - 2282- 582- 615I N - 312- 714l s 817I N - 42E O - 53A D D - - 64A D D - D - - 75A L e f ( - )16 A R e f ( + )12C L O C C 08 0 912374 F 3212374 F 32N O 0 0 K H 信号进行 换之前必须对信号进行预处理才能接入 行处理，因为 引脚接口电压为 +5V，如果输入的信号电压超过 +5V 则会烧毁芯片，所以，在进行采样之前必须对输入的模拟信号进行电平转换，将其调整到芯片可承爱的范围之内。 A 相电压检测电路如图 3示： 3 A 相电压检测电路 A/D 转换电路 20 3A/D 转换电路 各引脚功能如下： 8 路模拟量输入端； 数字量输入端； 启动脉冲输入端。脉冲上升沿复位 0809，下降沿启动 A/换； 地址锁存信号。高电平有效时把 3 个地址信号送入地址锁存器，并经地址译码得到地址输出，用以选择相应的模拟输入通道 ； 转换结束信号。转换开始时变低，转换结束时变高，变高时将转换结果打入三态输出锁存器。如 果将 连，加上一个启动脉冲则连续进行转换； 输出允许信号输入端； 时钟输入信号，最高允许值为 640 ) 正基准电压输入端； ) 负基准电压输入端。通常将 )接 +5V， )接地； 电源电压。 图 3， 接 A 相电源电压的处理信号， 接 B 相电源电压的处理信号， 22 89 ， 口经地址锁存器与 单片机相连。 后备发电机启动电路 如图 3用一个启动马达使柴油机起动发电，因此在需启动发电机时，只需给启动马达一个点火信号（即启动信号）即可。 21 3备发电机启动电路 极接单片机的 ，当检测到没有市电时，通过单片机编程使 1，使启动电路中小马达起动，进而带动发电机启动。 继电器控制电路 继电器控制电路如图 3示 继电器控制电路 常用 电源继电器合闸控制继电器的线圈 备用电源合闸继电器控制继电器 2 串接在一起，这样当 7 出现高电平、 6 出现低电平时，继电器线圈 电，其常开触点 合，常闭触点 开，常用电源继电器合闸控制继电器闭合，同时断开备用电源合闸继电器控制继电器线圈 电源；当 6 为 1， 7为 0 时，继电器线圈 电，其常开触点 合，常闭触点 开，常用电源继电器合闸控制继电器闭合，同时断开备用电源合闸继电器控制继电器线圈 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，不至 22 负载后备电源50 380市电电源50 380于造成两路电源同时有电时同时供电，引起系统的故障，确保供电系统安全运行。 源主回路 如图 3路输入电源一用一备通过断路器 继电器常开触头 用电设备相连，提供供电电源。 3 电源主回路 通过单片机编程控制继电器线圈 分闸与合闸，以此控制控制回路中继电器 分合，使其控制电源主回路上常开触头 通断，以达到接通市电分断后备电，或者接通后备电分断市电的作用。 断路器，起保 护电路的作用。 市电电源与后备发电机电源均采用 50380V/220V 电源。用一个控制回路来控 23 制两路电源的选择。 制回路 由于连接在单片机上的继电器线圈 通时的吸合力不足以使主回路上触头接通，所以必须加上两个更大功率的继电器线圈 3 控制回路 如图 3过单片机控制引脚 6 与 7 的电位高低，再分别通过触头 2 控制中间继电器 闸与合闸，并通过继电器 吸合作用对电源主回路图中的触头 生影响，使其 接通或关断，以此来控制电源的切换。 章小结 一个系统设计好与否第一步就在于硬件电路是否合理，硬件电路是装置功能实现的基础，只有首先搞好了硬件电路，将硬件电路做的完善，其它各个环节才能围绕着硬件电路来实现。 硬件电路决定了系统的功能、抗干扰能力、绝缘性能和机械性能等关键指标。而且，合理的硬件设计也使得软件编写、装置调试等工作大大简化，软件需要在硬件的基础之上编写，硬件搞不好好，软件也就无从编写。因此，硬件设计的好坏关系到整个装置性能是否良好，是否有利于更好的编写程序。 24 在设计硬件的时候，一定要考虑到各 个方面的因素，如果某些细节没有考虑到，可能就会影响到整个装置的性能。所以硬件设计工作一定要全面、细致。平时应多积累实际经验，并在逐步把设计经验升华到设计思想，这样可以在以后的工作中少犯错误，更有效地完成设计工作，能更快地使自己融入到以后的工作当中。 4 系统软件设计 在上一章完成了对硬件电路的设计，本章的主要任务是进行软件的设计和编写，通过软件与硬件相结合，使得双电源自动转换装置能够正常运行，完成预期的功能，达到设计时的要求。本设计主要采用的编程语语言是计算机汇编语言。采用了模块化的编写方法。 件的模 块化思想概述 软件的模块化是指解决复杂问题时自顶而下逐层把软件系统划分成若干模块的过程。每个模块完成一个特定的子功能，所有的模块按某种方式组合起来，构成一个整体，完成整个系统所要求的功能。实行模块化一方面可使软件结构清晰，易于设计和理解，有助于提高软件可靠性和可修改性 ;另一方面使软件易于测试和调试，有助于软件工程的组织管理 ;而且更为重要的是实行模块化有利于降低系统的复杂性和开发设计的工作量。软件设计的主要任务是确定系统由哪几部分组成以及各部分之间的关系。软件设计分为两个部分，首先是总体设计，将一个系统划分成 多个模块，确定各模块之间的接口，以及评价此种模块划分方法的可靠性和可行性 ;然后是详细设计，确定软件模块内部的算法和数据结构，选定某种过程的表达形式来描述各种算法，以及对详细设计的评审。软件中的模块，一般是指用一个名字可以调用的一段程序。模块具有三个基本属性 :该模块能实现的功能，包括其自身的功能以及它所调用的所有子模块的功能。 描述模块功能是怎么实现的。 3，状态，即该模块使用时的环境和条件。在描述一个模块时，必须按模块的外部特性与内部特性分别进行描述。外部特性是指模块的名称、参数表，以及 给程序以至整个系统造成的影响。内部特性是指完成其功能的程序代码和仅供该模块内部使用的数据。对于调用这个模块的上级模块来说，只需要了解这个模块的外部特性，而不必了解它的内部特性。软件设计的时候，首先应该确定模块的外部特性，然后再确定它的内部特性。 块的藕合性 25 藕合是指模块之间相互依赖、相互联系的紧密程度。藕合强弱取决于模块接口的复杂程度、调用模块的方式以及哪些信息通过接口传送给其它模块。软件设计要尽量降低模块间的藕合程度。因为在一个系统中，如果模块之间的藕合程度很低，那么当这个模块内部发生错误的时 候，就不会对整个系统造成很大的影响。而且在研究、测试和维护模块的时候，也不需要深入地了解系统中其它的模块。这对于提高系统的可理解性、可测试性、可靠性、可维护性和可移植性都有好处。 如果每个模块都能独立地工作，不需要调用任何其它的模块，也不被任何其它模块调用，则藕合度为零，但是它们也不能构成一个系统。一个软件系统中的模块之间总会存在一定的联系，根据模块之间的联系程度，可以把藕合分为 4 种。 指两个模块之间的交换信息仅仅是数据，例如一个模块的输出数据是另一个模块的输入数据。 指两个模块 之间传递的信息中有控制信息，例如，模块 A 向模块 的内部逻辑。 指两个或多个模块通过一个公共数据环境相互作用。这种藕合是一种不良的藕合，它给模块的维护和修改带来困难，如果修改公共数据，会对很多模块产生影响。而且由于不确定哪些模块应用了该数据，所以很难判断哪些模块受到影响。 指一个模块与另一个模块的内部属性有关，有如下几种情况 :一个模块访问另一个模块的内部数据 ;一个模块不通过正常入口就转到另一个模块的内部 ;两个模块有一部分程序代码重叠 ;一个模块有多个入口。这 4 种藕合按照藕合程度从小到大排列为 :数据藕合、控制藕合、公共环境藕合和内容藕合。因此，模块的设计原则应该尽量使用数据藕合，少用控制藕合，限制公共环境藕合，完全不用内容藕合。 块的内聚性 内聚是指模块内各个元素彼此结合的紧密程度。一个内聚程度高的模块应当只完成软件过程中的一个单一任务，而不与其它模块的内部过程发生联系。内聚性和藕合性是相互关联的。一个软件中各个模块的内聚程度越高，模块之间的藕合程度就越低。但这也