智能雙電源自動切換項目設計方案

1 智能雙電源自動切換項目設計方案 1 緒論 源自動切換系統(tǒng)概述 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和社會的進步，人們對供電持續(xù)性的要求已越來越高，如要求供電電源采用兩路甚至兩路以上，一路為常用電源 (如外線電源 )，另外的為備用電源 (如內(nèi)部的發(fā)電電源 )。因此，需要一種能在電源之間進行自動切換的裝置，以保證某路正在使用的電源在出現(xiàn)故障時能自動切換到另外的正常電源上，保證供電不問斷或間斷時間在允許的范圍內(nèi)。該電源切換裝置必須具有反應靈敏、工作可靠、功能齊全、聲光指示等特點。傳統(tǒng)的電源切換裝置采用模擬信號處理方式的控制器，反應 不靈敏，可靠性不高，且工作模式固定、單一。也有采用數(shù)字信號處理方式的控制器，但這種系統(tǒng)成本高，對工作環(huán)境要求苛刻。因此，設計出一種成本低、可靠性高、多工作模式、對工作環(huán)境沒有特殊要求的電源自動切換控制器，具有重要的現(xiàn)實意義。 國際電工委員會 ( 1989 年 6 月發(fā)布了第一版自動轉(zhuǎn)換開關電器標準 (正 6 一 l)，并于 1994 年和 1997 年 9 月分別進行了兩次修正，第三次修正工作正在進行中。我國現(xiàn)行有關自動轉(zhuǎn)換開關電器推薦標準 ( 同采用 6 一 l(1998)標準，并于 2002 年 10 月發(fā)布， 2003 年 4 月開始實施。我國有眾多的低壓電器生產(chǎn)廠家，結合自己產(chǎn)品的特點開發(fā)出不同類型的自動轉(zhuǎn)換開關，同時我國也是自動轉(zhuǎn)換開關市場潛力最大的國家，這種需求主要受到三個方面的因素影響。第一，受對供電質(zhì)量的要求不斷提高的影響，隨著家庭電氣化的普及和企業(yè)自動化程度的提高，對電源的質(zhì)量要求和連續(xù)供電的要求在不斷提高 ;第二，受電力供應的供需矛盾的影響，雖然我國發(fā)電裝機容量從 1987 年 1 億 2006 年 電力供需形勢十分嚴峻。電力供應的供需矛盾迫使許多企業(yè)購買小型 發(fā)電機來滿足重要設備的用電需求，由此刺激了自動轉(zhuǎn)換開關的需求 ;第三，受重要公共建筑安全的影響，出于對重要公共建筑消防安全的考慮，相應的建筑規(guī)范中對消防設施的可靠供電有嚴格的規(guī)定。如高層民用建筑設計防火規(guī)范 ( 1995)、民用建筑電氣設計規(guī)范 ( 汀 16 一 1992)以及供配電系統(tǒng)設計規(guī)范 ( 1995)中都對供電電源的數(shù)量有嚴格的規(guī)定 :“一級負荷應由兩個電源供電，當一個電源發(fā)生故障時，另一個電源不致同時受到損壞。一級負荷中特別重要的負荷，除上述兩個電源外，還必須增設應急 電源，并嚴禁將其他負荷接入應急供電系統(tǒng)”。因此，在有雙電源供電的場合，就必須使用轉(zhuǎn)換開關。 我國供配電系統(tǒng)設計規(guī)范中根據(jù)對供電可靠性的要求及中斷供電在政治、經(jīng)濟上所造成損失或影響的程度對電力負荷進行分級，并應符合下列規(guī)定 : （ 1）符合下列情況之一時，應為一級負荷 : 中斷供電將造成人身傷亡時 ; 中斷供電將在政治、經(jīng)濟上造成重大損失時。例如 :重大設備損壞、重大產(chǎn)品報廢、用重要原料生產(chǎn)的產(chǎn)品大量報廢、國民經(jīng)濟中重點企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)過程被打亂需要長時間才能恢復等 ; 中斷供電將影響有重大政治、經(jīng)濟意義的 用電單位的正常工作。例如 :重要交通樞紐、重要通信樞紐、重要賓館、大型體育場館、經(jīng)常用于國際活動的大量人員集中的公共場所等用電單位中的重要電力負荷。在一級負荷中，當中斷供電將發(fā)生中毒、爆炸和火災等情況的負荷，以及特別重要場所的不允許中斷供電的負荷，應視為特別重要的負荷。 （ 2）符合下列情況之一時，應為二級負荷 : 中斷供電將在政治、經(jīng)濟上造成重大損失時。例如 :主要設備損壞、大量產(chǎn)品報廢、連續(xù)生產(chǎn)過程被打亂需較長時間才能恢復、重點企業(yè)大量減產(chǎn)等 ; 中斷供電將影響重要用電單位的正常工作。例如 :交通樞紐、通信 樞紐等用電單位中的重要電力負荷，以及中斷供電將造成大型影劇院、大型商場等較多人員集中的重要的公共場所秩序混亂。 （ 3）不屬于一級和二級負荷者應為三級負荷。 由此可見，電源自動切換裝置作為消防負荷和其他重要負荷的末端互投裝置，在工程中得到了廣泛的應用，正確合理的選擇裝置可以確保重要負荷的可靠供電，雙電源自動切換裝置在重要負荷的供電系統(tǒng)中是不可缺少和重要的一個環(huán)節(jié)。本論文研究和設計了一種基于 89片機的電源自動切換裝置，當常用電源由于某種原因失電后，只要條件滿足，裝置啟動，投到備用電源，從而對用電設備迅速 恢復供電?；趩纹瑱C的設處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度快，具有良好的可計編程實時特性 ;硬件和軟件接口方便，可以與其它數(shù)字系統(tǒng)或設備相互兼容 ;開發(fā)方便，可以靈活地通過軟件對系統(tǒng)的特性和應用目標進行修改和升級 ;具有良好的系統(tǒng)健壯性，可靠性較高 ;易于實現(xiàn)系統(tǒng)集成，可以提供高度的規(guī)范性。由此使得該裝置具有精度高、速度快、可靠性高、集成度高、接口方便、靈活性好等優(yōu)點。 3 片機概述 單片機自 20 世紀 70 年代問世以來，以其極高的性能價格比，受到人們的重視和關注，應用很廣，發(fā)展很快。 單片機是在一塊半導體硅片上集成了微處理器（ 存儲器（ 各種輸入，輸出接接口（定時器 /計數(shù)器，并行 I/O 口，串行口， A/D 轉(zhuǎn)換器以及脈寬調(diào)制器 ）一塊集成芯片具有一臺計算機的屬性，因而被稱為單片微型計算機，即單片機。 片機的特點 單片機結構上最大的特點就是把 儲器， I/O 接口電路等集成在一塊超大規(guī)模的芯片上，單片機這種特殊的結構形式，使其具有多顯著特點。 集成度高、體積小、可靠性高 單片機將各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結，減少了芯片間的連線，大量的數(shù)據(jù)傳輸在單片機內(nèi)部進行，不易 受外界干擾。另外，用單片機構成的應用系統(tǒng)結構簡單，體積小，極易對系統(tǒng)進行電磁屏蔽等干擾措施。所以，單片機應用系統(tǒng)具有較高的可靠性和抗干擾能力。 控制能力強 單片機采用面向控制的指令系統(tǒng)，有很豐富的條件分支轉(zhuǎn)移指令，有很強的位處理功能，可以直接對 I/O 接口進行輸入 /輸出操作邏輯運算，特別適用于實時控制。 性能價格比高 高性能、低價格是單片機最顯著的特點之一，其應用系統(tǒng)具有印制電路板小、接插件少、硬件成本低、安裝調(diào)試簡單方便等特點，使單片機應用系統(tǒng)的性價比大大高二其它系統(tǒng)。 使用方便、容易產(chǎn)品化 單片機選擇范圍 寬，可以用通用單片機，也可以用專用單片機。單機系統(tǒng)擴展方便、硬件設計簡單、開發(fā)工具完善、開發(fā)周期短，容易將單片機系統(tǒng)產(chǎn)品化，很快投入實際應用。 片機的應用 單片機的應用提高了機電產(chǎn)品的技術水平和自動化程度，對各行各業(yè)的技術改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代起到了重要的推動作用。其應用領域已從工業(yè)控制、儀器儀表、機電一體化設備等迅速發(fā)展到了家用電器、辦公自動化、汽車電子等廣大領域。 4 儀器儀表 在各種儀器儀表中引入單片機，使儀表數(shù)字化、智能化、微型化，可以提高儀器儀表的智能化程度和測量精度，可以簡化儀器儀表的硬件結 構。在儀器儀表中大量使用單片機已經(jīng)是一種趨勢，使儀器儀表智能化取得了令人矚目的進展。 工業(yè)控制 單片機廣泛應用于各種工業(yè)控制系統(tǒng)中，如數(shù)控機床、工業(yè)機器人、溫度控制等。 機電一體化 機電一體化是機械工業(yè)的發(fā)展方向，機電一體化產(chǎn)品是指集機械技術、通信技術、計算機技術于一體，具有智能化特征的機電產(chǎn)品。單片機作為機電一體化產(chǎn)品中的控制器，能發(fā)揮其體積小、控制功能強的優(yōu)點，使機電產(chǎn)品體積縮小，功能增強，提高機電產(chǎn)品的自動化、智能化程度。 家用電器 家用電器普遍采用單片機取代偉統(tǒng)的控制電路，如洗衣機、電冰箱、空調(diào)、彩 電、微波爐、電子玩具等。家電器配上了單片機后，功能增強、智能化程度提高、使用更加方便，倍受人們喜愛，同時也身價倍增。 內(nèi)外發(fā)展研究概況 電源自動切換裝置的歷史悠久，在將電作為主要能源后，由于對重要負荷的供電存在不同電源間的轉(zhuǎn)換問題，裝置必然會得到應用。但由于需求有限，以往并未把它作為一種獨立的或者說是某一種特定的大類產(chǎn)品來看待。以往的電源自動切換裝置一般都是由設計院設計、電氣成套企業(yè)或用戶直接用接觸器、繼電器、刀開關或由斷路器、機械聯(lián)鎖、控制器構成雙電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。伴隨各種用戶或用電系統(tǒng)對提高自動化 程度的需求和新技術的應用，電源自動切換裝置逐漸得到發(fā)展和應用。特別是 20 世紀 80 年代以后，國外公司推出的不同型式的轉(zhuǎn)換裝置紛紛進入我國市場。我國在 20 世紀 90 年代中期，針對國內(nèi)市場需求，眾多研究開發(fā)單位和生產(chǎn)制造企業(yè)開始專門研究開發(fā)和生產(chǎn)營銷電源自動切換裝置，使之得到了快速的發(fā)展，經(jīng)歷了以低壓電器分立元件構成自動轉(zhuǎn)換裝置，以模擬電路應用為主的機電一體化產(chǎn)品，以高性能的新型電器元件為基礎并采用以核心的智能型專用控制器的發(fā)展歷程。 電源自動切換裝置目前在我國經(jīng)歷了四個發(fā)展階段，即兩接觸器型、兩斷路器型、勵磁式專用轉(zhuǎn)換開關和電動式專用轉(zhuǎn)換開關。兩接觸器型轉(zhuǎn)換開關為第一代，是我國最早生產(chǎn)的雙電源轉(zhuǎn)換開關，它是由兩臺接觸器搭接而成的簡易電源，這種裝置缺點是線圈長期通電耗能易燒毀，產(chǎn)品的接通分斷能力低，觸頭易抖動、熔焊，其產(chǎn)品可靠性很 5 低，尤其是在帶負荷轉(zhuǎn)換時易出現(xiàn)爆炸性事故，因而在工程中越來越少采用，這類產(chǎn)品在國外已被淘汰并禁止使用。兩斷路器式轉(zhuǎn)換開關為第二代，也就是我國國家標準和 B 級自動轉(zhuǎn)換開關，它是有兩斷路器改造而成，另配機械聯(lián)鎖裝置，可具有短路或過電流保護功能，但是機械連鎖不可靠。勵磁 式專用轉(zhuǎn)換開關為第三代，它是由勵磁式接觸器外加控制器構成的一個整體裝置，機械連鎖可靠，轉(zhuǎn)換由電磁線圈產(chǎn)生吸引力來驅(qū)動開關，速度快，但觸頭滅弧系統(tǒng)是以分斷一次電弧要求設計的，用在雙電源電路切換，也存在不合理因素。電動式專用轉(zhuǎn)換開關為第四代，是 自動轉(zhuǎn)換開關，其主體為符合隔離開關，為機電一體式開關電器，轉(zhuǎn)換由電機驅(qū)動，轉(zhuǎn)換平穩(wěn)且速度快，并且具有過 0 位功能，是目前國內(nèi)外市場較理想的電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)目前國內(nèi)的產(chǎn)品市場還不成熟，表現(xiàn)在 : （ 1）行業(yè)內(nèi)大多數(shù)用戶，對電源自動切換裝置還比較陌生，真正對其標準有深入了解、研究 的制造商也不多，用熟悉的開關 (接觸器、斷路器、隔離開關 )，僅通過增加電源檢測和自動轉(zhuǎn)換功能作為電源轉(zhuǎn)換開關是許多廠商最快捷、開發(fā)成本最低的解決方案。而中國、國際電工委員會 ( 為雙電源自動轉(zhuǎn)換開關制訂了專門的標準，說明其他現(xiàn)有的開關不能完全滿足自動轉(zhuǎn)換開關特定的要求，它也應該像其他傳統(tǒng)的開關一樣，是一類有專門用途的開關裝置，應該按照標準要求專門設計、制造。 （ 2）名稱不規(guī)范。國家標準的中文名稱是 :自動轉(zhuǎn)換開關電器。既然有標準，名稱就應該規(guī)范、唯一。 （ 3）因為自動轉(zhuǎn)換開關還沒有實行 證，全 國已經(jīng)有 100 多個品牌，還可以帖牌，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。自動轉(zhuǎn)換開關在使用過程中不是經(jīng)常動作的開關，所以，不同品牌的質(zhì)量差異不宜區(qū)別，有質(zhì)量問題的也不容易在短時間發(fā)現(xiàn)，導致產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性常常被忽視，而可靠性恰恰是最重要的指標，這是目前阻礙我國技術、質(zhì)量提高的最大障礙。自動轉(zhuǎn)換開關的工作性質(zhì)，決定了其故障會帶來重大的損失，所以，安全可靠性是設計、制造和選用最關鍵的指標。 針對我國市場缺乏高性能自動轉(zhuǎn)換開關的現(xiàn)狀，法國、日本、新加坡、美國、韓國等的多個品牌的產(chǎn)品先后打入中國市場。以美國產(chǎn)品為代表的自動轉(zhuǎn)換開關 技術代表著當今世界的先進水平。因為，這類產(chǎn)品率先是在軍工領域得到使用，如雷達、通訊、航天等領域，而美國在上述領域處于世界領先地位。因此，美國對自動轉(zhuǎn)換開關產(chǎn)品有較高的要求，他們將此產(chǎn)品視為電源的一部分，為了提高其產(chǎn)品可靠性，不惜采用黃金作為觸頭材料。因此，在產(chǎn)品開發(fā)、研制方面投入較大。目前美國生產(chǎn)這類產(chǎn)品規(guī)模較大的企業(yè)有三至四家，如 們生產(chǎn)的產(chǎn)品除了基本型外，還有瞬時并聯(lián)性、旁路一隔離型、延時轉(zhuǎn)換型等。為了滿足不停電電源要求，國外一些大公司推出以可控硅為主的電子式自動轉(zhuǎn)換 開關，額定工作電流 1001200A，檢測。它主要應用在電子商務網(wǎng)站、計算機數(shù)據(jù)中心、半導體芯片制造業(yè)及緊急救援中心等要害部 6 門。 電源自動切換裝置的發(fā)展趨向主要包括兩個方面，其一是開關主體，具備很高的抗沖擊電流能力，并且可以頻繁轉(zhuǎn)換 ;具有可靠的機械聯(lián)鎖，確保任何狀態(tài)下兩路電源不能并列運行 :不允許帶熔絲或脫跳裝置，以防止雙電源開關因過載而造成輸出端無電現(xiàn)象 ;具備 O 位功能，并且隔離距離大，以便能夠承受更高的沖擊電壓 (8上 ;四級開關具備 N 級先合后分的功能，以防止在裝置轉(zhuǎn)換時，不同系統(tǒng)中 N 線上電位漂移，使 電流走向不一致或分流，造成剩余電流保護裝置誤動作。其二是控制器，采用微處理器智能化產(chǎn)品，檢測模塊應具有較高的檢測精度和寬的參數(shù)設定范圍，包括電壓、頻率、延時時間等 ;具備良好的電磁兼容性，應能承受住主回路的電壓波動，浪涌保護，諧波干擾，電磁干擾等 ;轉(zhuǎn)換時間快，且延時可調(diào) ;可為用戶提供各種信號及消防聯(lián)動接口，通信接口。 論文研究的主要內(nèi)容 本論文的主要任務是設計出地震局智能控制中心后備發(fā)電機自動切換裝置，使之具有高性能、高可靠性、智能化和安全性等特點，該裝置的硬件采用 片機為核心，軟件采用 匯編語言和 C 語言編程，可以靈活設置各種運行方式及時間參數(shù)，在常用電源發(fā)生故障時，能根據(jù)設定的轉(zhuǎn)換程序準確完成常用電源和備用電源之間的轉(zhuǎn)換，定期檢測后備發(fā)電機是否有電并對其充電，從而最大限度地保證供電的連續(xù)性。 本論文的研究過程中，主要包括幾個方面的工作 : （ 1）研究后備發(fā)電機自動切換裝置的技術現(xiàn)狀，以及存在的問題和可發(fā)展的方面 ; （ 2）選取適合的芯片和開發(fā)工具，以及性能可靠、抗干擾性強的元器件 ; （ 3）確定本系統(tǒng)所采取的數(shù)據(jù)測量方法和數(shù)據(jù)處理算法，并確定系統(tǒng)整體方案設計 ; （ 4）設計滿足系統(tǒng)功能要求的硬件電 路 ; （ 5）利用匯編語言開發(fā)軟件 ; （ 6）工作總結及展望未來。 結 本論文為地震局智能中心設計后備發(fā)電機的自動切換裝置，主要為軟件系統(tǒng)的設計。地震局為重要場不能斷電的場合，因此，對其電源自動切換的設計應當十分穩(wěn)定可靠，保證不斷電。設計其檢測電路，轉(zhuǎn)換電路，充電電路，看門狗等，并且進行軟件編程調(diào)試，為地震局設計一套安全、可靠、穩(wěn)定、操作性強的供電系統(tǒng)。 7 2 總體設計方案 統(tǒng)功能 統(tǒng)的作用 電源自動切換系統(tǒng)定義是由一個或多個轉(zhuǎn)換開關電器和其他必需的電器組成，用于監(jiān)測 電源電路、將一個或多個負載電路從一個電源自動轉(zhuǎn)換至另一個電源的自動電器。后備發(fā)電機自切換系統(tǒng)有兩路電源，一路是來自變電站的市電，一路是地震局內(nèi)部的后備發(fā)電機，這個系統(tǒng)的作用有： （ 1）監(jiān)測兩路電源； （ 2）兩路電源的自動切換； （ 3）檢測蓄電池是否有電或充電完閉； （ 4）定期每個月給后蓄電池充電。 統(tǒng)轉(zhuǎn)換過程及自動充電功能 后備電源采用 60發(fā)電機，轉(zhuǎn)換電源期間中斷向負載供電。系統(tǒng)指定一個常用電源位置，其操作程序由兩個自動轉(zhuǎn)換過程組成 : （ 1）如果常用電源被檢測到出現(xiàn)偏差，則啟動延時程序， 延時時間到，自動將負載從常用電源轉(zhuǎn)換至備用電源 ; （ 2）如果常用電源恢復正常，則啟動延時，延時時間到，自動將負載返回換接到常用電源。 自動充電功能由看門狗電路組成，每個月自動檢測后備發(fā)電機是否有電，并且完成對其充電。 統(tǒng)性能指標 （ 1）轉(zhuǎn)換時間：觸頭轉(zhuǎn)換時間 從第一組主觸頭斷開常用電源起至第二組主觸頭閉 8 合備用電源為止的時間 ;轉(zhuǎn)換動作時間 主電源被監(jiān)測到偏差的瞬間起至主觸頭閉合備用電源為止的時間 (含機構動作時間 )，不包括特意引入 (控制器 )的延時 ;總動作時間 轉(zhuǎn)換動作時間與特意引入 (控制器 )的延時之和 ;返回轉(zhuǎn)換時間 從常用電源完全恢復正常的瞬間起至一組主觸頭閉合常用電源的瞬間為止的時間加上特意引入的延時 ;斷電時間 從各相電弧最終熄滅的瞬時起至主觸頭閉合另一個電源為止的轉(zhuǎn)換過程時間，包括特意引入的延時。 （ 2） 定接通和分斷能力是制造廠規(guī)定的，在規(guī)定條件下足以能夠接通與分斷的電流值。對于交流，額定接通和分斷能力用電流的交 流分量有效值表示。 （ 3）額定短時耐受電流：額定短時耐受電流是制造廠規(guī)定的，在國家標準 20032 的 規(guī)定的試驗條 件下，電器能夠承載的短時耐受電流值。對于電流，額定短時耐受電流值用電流的交流分量有效值表示。 （ 4）額定短時分斷能力：額定短時分斷能力是指應能分斷額定短路分斷能力及以下的任何電流。在額定工作電壓、額定頻率與規(guī)定的功率因數(shù) (或時間常數(shù) )下，電器的短路分斷能力值，用預期分斷電流值表示。 源轉(zhuǎn)換控制器基本功能 （ 1）電壓檢測功能 克服了以往電源自動轉(zhuǎn)換裝置只能檢測常用、備用兩路電源各一相的缺點，控制器對常用、備用電源各自的 A、 B、 C 三相電壓進行監(jiān)控，保證了轉(zhuǎn)換條件的完整性和準確性。并指示常用、備 用電源的狀態(tài)及當前接入的電源狀態(tài)。 （ 2）故障電壓閥值可設定 不同的應用場合下對電壓故障界定條件各不相同。本控制器將故障電壓種類 分為過壓和失壓，高于額定值的 l 巧 %判為過電壓，低于 60 一 85%判為欠電壓。 而不同的欠電壓閥值可以設定。 （ 3）具有“自復”功能 自復是指在轉(zhuǎn)換至備用電源后，一旦常用電源供電恢復，控制器給出從備用電源轉(zhuǎn)換至常用電源的信號。 統(tǒng)實現(xiàn)方案選擇 概括的說，簡單、可靠、安全就是此系統(tǒng)最基本的要求，可靠的分析轉(zhuǎn)換是系統(tǒng)的核心。 9 體結構 從系統(tǒng)需滿足檢測、充電、轉(zhuǎn)換方面的 功能來講，硬件原理總框圖可作如下設計，如圖 2示： 圖 2 硬件原理總框圖 光電耦合器將每相電壓進行取樣，然后送模入數(shù)轉(zhuǎn)換器中，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的結果被單市電 三相輸入 后備電源 三相輸入 光電耦合 光電耦合 模數(shù)轉(zhuǎn)換 單片機 分閘 合閘 控制 功能狀態(tài) 選擇 聲光 顯示 繼電器 定期檢測并充電 10 片機讀入。單片機根據(jù)用戶鍵入的功能命令，對采集到的三相電壓與標準設定值進行智能判斷，然后發(fā)出相應的分閘、合閘、延時指令 (或聲光報警指令 )，經(jīng)過接口電路，驅(qū)動繼電器，使電源切換開關作相應的動作。如：某相電壓超過 (或低于 )規(guī)定的電壓值 (簡稱過壓或欠壓 )時，應有相應的指示及聲光報警， 以及根據(jù)用戶設定的工作模式去自動切換電源，切換由繼電器帶動開關來實現(xiàn)。最后，單片機還應對切換后的開關進行檢測，以確定是否正常分閘或正常合閘，形成閉環(huán)控制回路，以免開關本身的故障造成系統(tǒng)不正常工作。此外，通過看門狗程序自動定期檢測后備發(fā)電機是否有電，并對其進行充電。 心控制芯片的選擇 系統(tǒng)的核心控制芯片選用 司生產(chǎn)的 片機，這種單片機的最大特點是片內(nèi)含有 儲器，在便攜式、省電和特殊信息保存的儀器中十分有用，單片機的引腳功能圖如圖 2示： 圖 2 89腳圖 圖 2腳圖 一種低功耗、高性能的的位單片機，片內(nèi)帶有一個 4 編程、可擦除只讀器，它采用了 藝和 司的高密度非易失性存儲器技術，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 容。片內(nèi)的 儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編序或用常規(guī)的非易失性可編程存儲器來編程。 用靜態(tài)邏輯來設計的，其工作頻率可下降到零，并提供兩種可軟件來 11 選擇的省電方式 空閑和掉電方式。在空閑方式中， 止工作，而 時 /計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作。在掉電方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時鐘被“凍結”，使一切功能都暫停，故只保存片內(nèi) 內(nèi)容，直到下一次硬件復位為止。 主要工作特性： （ 1） 8031 （ 2） 4快速擦寫 儲器，用于程序存儲，可擦寫次數(shù)為了 1000 次； （ 3） 256B 的 中高 128B 字節(jié)地址被特殊功能寄存器 用 ； （ 4） 32 根可編程 I/O 線； （ 5） 2 個可編程 16 位定時器； （ 6）具有 6 個中斷源、 5 個中斷矢量、 2 級優(yōu)先權的中斷系統(tǒng)； （ 7）一個數(shù) 據(jù)指針 （ 8） 1 個可編程的全雙工串行通信口； （ 9）具有“空閑”和“掉電”兩種低功耗工作方式； （ 10）可編程的 3 級程序鎖定位； （ 11）工作電源的電壓為 5（ 1 V； （ 12）振蕩器最高頻率為 （ 13）編程頻率 4程電流啟動電流 1程電壓 5V 或 12V。 12 3 系統(tǒng)硬件電路設計 單獨一個 89無法工作的，它必須和其它相應的外圍設備一起才能構成一個完整的系統(tǒng)。 片機及外圍電路 復位電路 復位是單片機初 始化操作，其主要功能是把 000H，使單片機從 0000了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，也需按復位鍵以重新啟動。 80 腳是復位信號的輸入端，復位信號是高電平有效，其有效時間應持續(xù) 24 個振蕩周期（即兩個機器周期）以上，若使用頻率為 6晶振，則復位信號持續(xù)時間應超過 4 S 才能完成復位操作，復位電路如圖 3示： 圖 3位電路 13 此復位電路在 和正電源 間接一個按紐，當按紐按下時， +5。即使按下按紐的動作較快，也會使按紐保持接通達數(shù)十毫秒，所以，保證能滿足復位的時間要求。 時鐘電路 時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號，單片機本身就是一個復雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應在唯一的時鐘信號控制下嚴格地按時序進行工作。本單片機的時鐘電路如圖 3示： 2 圖 3鐘電路 在 80部有一個高增益放大器，其輸入端為芯片引腳 出端為引腳 芯片的外部通過這兩個引腳跨接晶體振蕩器和微調(diào) 電容，形成反饋電路，就構成了一個穩(wěn)定的自激振蕩器。 電路中對電容 要求不是很嚴格，如使用高質(zhì)的晶振，則不管頻率多少，般都選擇優(yōu)取向 30體的振蕩頻率范圍通常是 2體振蕩器頻率高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也高，單片機運行速度也快。 擴展電路 在設計 89路的時候，出現(xiàn)了 I/O 口不夠的問題，需要進行擴展，本系統(tǒng)用一個 8255 芯片進行擴展，圖面 3 8255 與 89接口電路： 14 5 15 圖 389展電路 8255 內(nèi)部的 A 組 B 組控制電路，根據(jù) 命令控制 8255 的工作方式。每組從讀 /寫控制邏輯接受各種命令，從內(nèi)部數(shù)據(jù)總線接受控制字并發(fā)出適當?shù)牧畹较鄳目刂萍?的低 4 位。 8255 內(nèi)部讀寫控制邏輯用于管理所有的數(shù)據(jù)、控制字或狀態(tài)字的傳遞，它接受來自 地址及控制信號來控制各個端口的工作狀態(tài)。其端口選擇及其功能如表 3示： 表 38255 的端口選擇及其功能 0 R 能說明 0 0 0 1 0 A 口 數(shù)據(jù)總線 0 1 0 1 0 B 口 數(shù)據(jù)總線 1 0 0 1 0 C 口 數(shù)據(jù)總線 0 0 1 0 0 數(shù)據(jù)總線 A 口 0 1 1 0 0 數(shù)據(jù)總線 B 口 1 0 1 0 0 數(shù)據(jù)總線 C 口 1 1 1 0 0 數(shù)據(jù)總線 控制寄存器 1 數(shù)據(jù)總線為三態(tài) 1 1 0 1 0 非法狀態(tài) 1 1 0 數(shù)據(jù)總線為三態(tài) 過鎖存器 74擴展芯片 8255 連接，圖中 8255 的和片選信號 4 ，端口地址選擇信號 74存后提供。 顯示電路 該電路由紅黃綠三個 和電阻串聯(lián)而成，主要用于單片機所監(jiān)控的狀態(tài)顯示，狀 態(tài)及燈亮情況如表 3 表 3狀態(tài)顯示 ： 電路工作狀態(tài) 亮燈 正常 綠燈 異常 黃燈 16 報警 紅燈 硬件顯示電路圖如圖 3 3 顯示電路 硬件看門狗電路 看門狗如 3示： 8255） 89 3門狗電路 看門狗 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 自動切換原理圖 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 自動切換原理圖 BD r a w n B y :0 1u FV i 12 2V i 5 51 00. 1 12 V + 5電池變壓器 3 0u 1）本身能獨立工作，基本上不信賴于 在一個固定的時間間隔內(nèi)與之打一次交道，表明整個系統(tǒng)“目前沿屬正?！?。 （ 2）當 入死循環(huán)之后，能及時發(fā)現(xiàn)并使整個系統(tǒng)復位。 報警電路 圖 3示為聲音報警電路，其工作原理為：當系統(tǒng)故障時，給單片機的 置1 使 通，蜂鳴器發(fā)出聲音報警。 3音的報警電路 充電及穩(wěn)壓電路 此電路用于給單片機片內(nèi)外供電，同時給蓄電池提供充電電路，穩(wěn)壓。充電使用220V/12V 變壓器（型號），濾波后經(jīng)穩(wěn)壓管 7812 和 7805 分別轉(zhuǎn)換成 +12V 和 +5V，其中 +12V 用于驅(qū)動后備發(fā)電機（即柴油發(fā)電機）起動， +5V 用于為單片機及其外圍電路提供電壓。 充電及穩(wěn)壓電路如 3示： 8255） 3電及穩(wěn)壓電路 此電路通過三級管的基集與 8255 的 相連，通過看門狗的程序定期為蓄電池充好電。 鍵盤電路 本系統(tǒng)鍵盤電路使用的是 4*4 矩陣式鍵盤，如圖面 3示，每個按鍵開關位于行列的交叉處，采用逐行掃描的方法識別鍵 盤。 本次設計中鍵盤電路將實現(xiàn)以下功能： （ 1） 動復位： 硬件看門狗，當 1 鍵按下時，使 0，實 18 現(xiàn)手動清 0； （ 2）繼電器 動合閘：調(diào)試時若 能閉合，可用 2 鍵檢測是否為硬件有問題，也可以在系統(tǒng)完成后作為手動合閘按鈕； （ 3）二極管手動復位：若顯示電路的二極管（主要是報警燈，即紅燈或黃燈）在軟件清 0 后仍亮，則可按 3 鍵將其清 0； （ 4）蓄電池手動充電：若蓄電池電壓低于最低值，則可按 4 鍵手動啟動發(fā)電機給蓄電池充電； （ 5）蜂鳴器清 0：清除警報解除后的蜂鳴器誤響。 （ 6）其余 鍵盤用于以后功能擴展使用。 3鍵盤電路圖 信號調(diào)理電路 當市電或后備電輸入時，需經(jīng)整流、變壓、再檢測，再將檢測到的信號傳給單片機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 自動切換原理圖 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 自動切換原理圖 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 自動切換原理圖 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 信號進行 換之前必須對信號進行預處理才能接入 行處理，因為 引腳接口電壓為 +5V，如果輸入的信號電壓超過 +5V 則會燒毀芯片，所以，在進行采樣之前必須對輸入的模擬信號進行電平轉(zhuǎn)換，將其調(diào)整到芯片可承愛的范圍之內(nèi)。 A 相電壓檢測電路如圖 3示： 3 A 相電壓檢測電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 20 3A/D 轉(zhuǎn)換電路 各引腳功能如下： 8 路模擬量輸入端； 數(shù)字量輸入端； 啟動脈沖輸入端。脈沖上升沿復位 0809，下降沿啟動 A/換； 地址鎖存信號。高電平有效時把 3 個地址信號送入地址鎖存器，并經(jīng)地址譯碼得到地址輸出，用以選擇相應的模擬輸入通道 ； 轉(zhuǎn)換結束信號。轉(zhuǎn)換開始時變低，轉(zhuǎn)換結束時變高，變高時將轉(zhuǎn)換結果打入三態(tài)輸出鎖存器。如 果將 連，加上一個啟動脈沖則連續(xù)進行轉(zhuǎn)換； 輸出允許信號輸入端； 時鐘輸入信號，最高允許值為 640 ) 正基準電壓輸入端； ) 負基準電壓輸入端。通常將 )接 +5V， )接地； 電源電壓。 圖 3， 接 A 相電源電壓的處理信號， 接 B 相電源電壓的處理信號， 22 89 ， 口經(jīng)地址鎖存器與 單片機相連。 后備發(fā)電機啟動電路 如圖 3用一個啟動馬達使柴油機起動發(fā)電，因此在需啟動發(fā)電機時，只需給啟動馬達一個點火信號（即啟動信號）即可。 21 3備發(fā)電機啟動電路 極接單片機的 ，當檢測到?jīng)]有市電時，通過單片機編程使 1，使啟動電路中小馬達起動，進而帶動發(fā)電機啟動。 繼電器控制電路 繼電器控制電路如圖 3示 繼電器控制電路 常用 電源繼電器合閘控制繼電器的線圈 備用電源合閘繼電器控制繼電器 2 串接在一起，這樣當 7 出現(xiàn)高電平、 6 出現(xiàn)低電平時，繼電器線圈 電，其常開觸點 合，常閉觸點 開，常用電源繼電器合閘控制繼電器閉合，同時斷開備用電源合閘繼電器控制繼電器線圈 電源；當 6 為 1， 7為 0 時，繼電器線圈 電，其常開觸點 合，常閉觸點 開，常用電源繼電器合閘控制繼電器閉合，同時斷開備用電源合閘繼電器控制繼電器線圈 電源兩個繼電器接成互鎖的形式，以保證任何時刻只有一路電 源被合閘接通，不至 22 負載后備電源50 380市電電源50 380于造成兩路電源同時有電時同時供電，引起系統(tǒng)的故障，確保供電系統(tǒng)安全運行。 源主回路 如圖 3路輸入電源一用一備通過斷路器 繼電器常開觸頭 用電設備相連，提供供電電源。 3 電源主回路 通過單片機編程控制繼電器線圈 分閘與合閘，以此控制控制回路中繼電器 分合，使其控制電源主回路上常開觸頭 通斷，以達到接通市電分斷后備電，或者接通后備電分斷市電的作用。 斷路器，起保 護電路的作用。 市電電源與后備發(fā)電機電源均采用 50380V/220V 電源。用一個控制回路來控 23 制兩路電源的選擇。 制回路 由于連接在單片機上的繼電器線圈 通時的吸合力不足以使主回路上觸頭接通，所以必須加上兩個更大功率的繼電器線圈 3 控制回路 如圖 3過單片機控制引腳 6 與 7 的電位高低，再分別通過觸頭 2 控制中間繼電器 閘與合閘，并通過繼電器 吸合作用對電源主回路圖中的觸頭 生影響，使其 接通或關斷，以此來控制電源的切換。 章小結 一個系統(tǒng)設計好與否第一步就在于硬件電路是否合理，硬件電路是裝置功能實現(xiàn)的基礎，只有首先搞好了硬件電路，將硬件電路做的完善，其它各個環(huán)節(jié)才能圍繞著硬件電路來實現(xiàn)。 硬件電路決定了系統(tǒng)的功能、抗干擾能力、絕緣性能和機械性能等關鍵指標。而且，合理的硬件設計也使得軟件編寫、裝置調(diào)試等工作大大簡化，軟件需要在硬件的基礎之上編寫，硬件搞不好好，軟件也就無從編寫。因此，硬件設計的好壞關系到整個裝置性能是否良好，是否有利于更好的編寫程序。 24 在設計硬件的時候，一定要考慮到各 個方面的因素，如果某些細節(jié)沒有考慮到，可能就會影響到整個裝置的性能。所以硬件設計工作一定要全面、細致。平時應多積累實際經(jīng)驗，并在逐步把設計經(jīng)驗升華到設計思想，這樣可以在以后的工作中少犯錯誤，更有效地完成設計工作，能更快地使自己融入到以后的工作當中。 4 系統(tǒng)軟件設計 在上一章完成了對硬件電路的設計，本章的主要任務是進行軟件的設計和編寫，通過軟件與硬件相結合，使得雙電源自動轉(zhuǎn)換裝置能夠正常運行，完成預期的功能，達到設計時的要求。本設計主要采用的編程語語言是計算機匯編語言。采用了模塊化的編寫方法。 件的模 塊化思想概述 軟件的模塊化是指解決復雜問題時自頂而下逐層把軟件系統(tǒng)劃分成若干模塊的過程。每個模塊完成一個特定的子功能，所有的模塊按某種方式組合起來，構成一個整體，完成整個系統(tǒng)所要求的功能。實行模塊化一方面可使軟件結構清晰，易于設計和理解，有助于提高軟件可靠性和可修改性 ;另一方面使軟件易于測試和調(diào)試，有助于軟件工程的組織管理 ;而且更為重要的是實行模塊化有利于降低系統(tǒng)的復雜性和開發(fā)設計的工作量。軟件設計的主要任務是確定系統(tǒng)由哪幾部分組成以及各部分之間的關系。軟件設計分為兩個部分，首先是總體設計，將一個系統(tǒng)劃分成 多個模塊，確定各模塊之間的接口，以及評價此種模塊劃分方法的可靠性和可行性 ;然后是詳細設計，確定軟件模塊內(nèi)部的算法和數(shù)據(jù)結構，選定某種過程的表達形式來描述各種算法，以及對詳細設計的評審。軟件中的模塊，一般是指用一個名字可以調(diào)用的一段程序。模塊具有三個基本屬性 :該模塊能實現(xiàn)的功能，包括其自身的功能以及它所調(diào)用的所有子模塊的功能。 描述模塊功能是怎么實現(xiàn)的。 3，狀態(tài)，即該模塊使用時的環(huán)境和條件。在描述一個模塊時，必須按模塊的外部特性與內(nèi)部特性分別進行描述。外部特性是指模塊的名稱、參數(shù)表，以及 給程序以至整個系統(tǒng)造成的影響。內(nèi)部特性是指完成其功能的程序代碼和僅供該模塊內(nèi)部使用的數(shù)據(jù)。對于調(diào)用這個模塊的上級模塊來說，只需要了解這個模塊的外部特性，而不必了解它的內(nèi)部特性。軟件設計的時候，首先應該確定模塊的外部特性，然后再確定它的內(nèi)部特性。 塊的藕合性 25 藕合是指模塊之間相互依賴、相互聯(lián)系的緊密程度。藕合強弱取決于模塊接口的復雜程度、調(diào)用模塊的方式以及哪些信息通過接口傳送給其它模塊。軟件設計要盡量降低模塊間的藕合程度。因為在一個系統(tǒng)中，如果模塊之間的藕合程度很低，那么當這個模塊內(nèi)部發(fā)生錯誤的時 候，就不會對整個系統(tǒng)造成很大的影響。而且在研究、測試和維護模塊的時候，也不需要深入地了解系統(tǒng)中其它的模塊。這對于提高系統(tǒng)的可理解性、可測試性、可靠性、可維護性和可移植性都有好處。 如果每個模塊都能獨立地工作，不需要調(diào)用任何其它的模塊，也不被任何其它模塊調(diào)用，則藕合度為零，但是它們也不能構成一個系統(tǒng)。一個軟件系統(tǒng)中的模塊之間總會存在一定的聯(lián)系，根據(jù)模塊之間的聯(lián)系程度，可以把藕合分為 4 種。 指兩個模塊之間的交換信息僅僅是數(shù)據(jù)，例如一個模塊的輸出數(shù)據(jù)是另一個模塊的輸入數(shù)據(jù)。 指兩個模塊 之間傳遞的信息中有控制信息，例如，模塊 A 向模塊 的內(nèi)部邏輯。 指兩個或多個模塊通過一個公共數(shù)據(jù)環(huán)境相互作用。這種藕合是一種不良的藕合，它給模塊的維護和修改帶來困難，如果修改公共數(shù)據(jù)，會對很多模塊產(chǎn)生影響。而且由于不確定哪些模塊應用了該數(shù)據(jù)，所以很難判斷哪些模塊受到影響。 指一個模塊與另一個模塊的內(nèi)部屬性有關，有如下幾種情況 :一個模塊訪問另一個模塊的內(nèi)部數(shù)據(jù) ;一個模塊不通過正常入口就轉(zhuǎn)到另一個模塊的內(nèi)部 ;兩個模塊有一部分程序代碼重疊 ;一個模塊有多個入口。這 4 種藕合按照藕合程度從小到大排列為 :數(shù)據(jù)藕合、控制藕合、公共環(huán)境藕合和內(nèi)容藕合。因此，模塊的設計原則應該盡量使用數(shù)據(jù)藕合，少用控制藕合，限制公共環(huán)境藕合，完全不用內(nèi)容藕合。 塊的內(nèi)聚性 內(nèi)聚是指模塊內(nèi)各個元素彼此結合的緊密程度。一個內(nèi)聚程度高的模塊應當只完成軟件過程中的一個單一任務，而不與其它模塊的內(nèi)部過程發(fā)生聯(lián)系。內(nèi)聚性和藕合性是相互關聯(lián)的。一個軟件中各個模塊的內(nèi)聚程度越高，模塊之間的藕合程度就越低。但這也