1引言

    随着我国国民经济的发展及人们生活水平的提高，人们对用电的安全性、连续性、可靠性要求越来越高，特别在高层楼宇、商场、银行、医院、邮电通讯、煤矿船舶、工业流水线、人防、化工、冶金、和军事设施等不允许断电的重要场所，更需要可靠的用电保证。智能双电源转换开关正是为满足这一要求而设计的，它具有电源故障报警、电源运行状态检测、在两路电源中自动切换等功能，防止故障电源向负载供电，确保负载的安全，避免因电源故障造成设备损坏等直接经济损失和其它间接性经济损失。而随着网络技术及现场总线技术在自动控制系统中的应用，使得远程控制成为可能，双电源转换开关也逐渐向智能化方向发展。

2功能需求描述

智能双电源转换开关分别对常用和备用的三相电压进行检测，当检测到有欠压、过压、缺相时，进行中文显示及报警，并按预先设定的方式进行动作，以保护负载^[1]。并随时将运行情况向远程计算中心汇报，并可接收远程计算机的配置参数和控制命令。也可在本机上设置各种配置参数，比如上下限电压值、分合闸时间、控制方式。控制方式有“手动控制”、“自投自复”、“自投不自复”、“常用供电”、“备用供电”、“断电再扣”六种。

u       手动控制 检测到异常情况时，只报警不动作。动作由人工完成。

u       自投自复 以常用供电为主，当常用电源不正常时转至备用电源，当常用电源恢复正常则自动转回常用供电。

u       自投不自复 当常用电源不正常时转至备用电源，当常用电源恢复正常也不转回常用供电，只有在备用电源不正常时才能转回常用供电。

u       常用供电 只能采用常用电源供电，即使常用电源不正常也不转换，只能分闸，当常用电源恢复正常时又能自动合闸。

u       备用供电 只能采用备用电源供电，即使备用电源不正常也不转换，只能分闸，当备用电源恢复正常时又能自动合闸。

u       断电再扣 两路电源都紧急分闸。

该设备还提供消防接口及控制发电机运行的接口，供用户选择使用。

3 智能双电源转换开关的工作原理

图1为智能双电源转换开关的原理框图，MCU微处理器选用MICROCHIP公司的PIC16F874^[2]，它为智能双电源转换开关的核心部件，内部有4K (14-bit words)的FLASH程序存储器,128 BYTE的EEPROM可存储运行参数，保证断电后信息不丢失。它还自带8通道的10bit A/D转换模块，减少了外围电路，增强了稳定性。三相电压经过调整后送多路开关，微处理器分时接通各相电压，经A/D转换并对结果换算后与设定值比较，判定后根据目前的运行状态和运行方式通过扩展I/O口对相应继电器进行启动或停止操作，并点亮或熄灭

图1    智能双电源转换开关的原理框图

相应指示灯以指示目前运行状态，同时通过CAN总线接口将目前各相电压值及运行状态送远程计算机。LCD采用内置SED1520控制驱动器的图形液晶显示模块LCM12232,定期刷新常备电的三相电压值,并提供运行参数设置的中文界面。

4 智能双电源转换开关的A/D转换部分详细设计

4.1模拟输入与参考电压

 图2  模拟接口电路^[3]

   如图2所示，被测电压为三相电压，电压值在220V左右变化，在将三相电压经过简单整形、滤波、分压后到模拟输入管脚的电压V₀应该在0-5V范围内变化。A/D转换器基准源是否稳定，对其绝对值精度有较大的影响。因此系统必须接地良好。 V_REF参考电压也应经过稳压。V_IN的计算可按以下方法计算：（D为A/D转换的寄存器结果值）

① V₀= R2×V_IN /（R1+R2）根据模拟接口电路计算，其中R1=200K，R2为可调电阻。

② D= （2¹⁰-1）×V₀/V_REF  ^[4]                根据A/D转换模块原理计算。

将①式代入②式推出

（R1+R2）×V_REF  ×D

V_IN=

                           R2 ×（2¹⁰-1）

如果将V_REF定为2.6V,适当调节R2，使其值为1.022K,代入上式就可得V_IN=0.5D,即将A/D转换结果寄存器的值除以2就得到被测电压的值。

4.2 A/D转换控制

PIC16F874内含的10-bit A/D模块有4个寄存器，分别为A/D运行控制寄存器ADCON0、A/D引脚功能配置寄存器ADCON1、A/D转换结果高位寄存器ADRESH、转换结果低位寄存器ADRESL。ADCON0的控制字格式如表1,ADCS1与ADCS0为A/D转换时钟选择位，对应赋值及

                                       表1 

说明如表2，CHS2、CHS1、CHS0为通道选择位,说明如表3所示，GO/DONE为A/D转换状态位，当它为1时表示正在进行A/D转换，该位通常在A/D转换开始时由软件置位，A/D转换结束时由硬件自动清零，用软件查询该位的状态就可判断A/D转换是否完成。ADON为控制A/D模块是否工作，ADON=1启动A/D模块，ADON=0停止A/D模块。ADCON1引脚功能配置寄

表2

                                   表2

                                       表3

存器的控制字格式如表4,其中ADFM是对A/D转换结果寄存器的格式进行设置的，由于是10位A/D转换，而两个结果寄存器共有16位，就需要有6位置0，ADFM=1，则将ADRESH的高6位bit7-bit2置0，ADFM=0，则将ADRESL的低6位bit5-bit0置0，

表3

PCFG3、PCFG2、PCFG1、PCFG0是配置PIC16F874的各引脚是模拟输入口还是做普通的I/O口用，对参考电压的选择如是采用VDD还是RA3脚的外接电压也由这几位的设置进行选择，具体配置方式可查PIC16F874的详细资料。需要注意的是对该寄存器的设置还要与TRISA及TRISE两个寄存器的设置对应起来。                                                                     

                                      表4  

根据以上配置方式，进行A/D转换的步骤如下：

①     配置A/D模块：

l         配置模拟输入口、参考电压及数字I/O口。

l         选择A/D输入通道。

l         选择A/D转换时钟。

②     配置A/D中断控制（如果是采用中断方式的话就需要，如果采用查询方式就不需要）。

l         清ADIF标志

l         置ADIE位

l         置PEIE位

l         置GIE位

③延时

④开始转换

l         置GO/DONE位

⑤等待A/D转换结束，可以通过以下两种方式：

l         不停检测GO/DONE位，为0表示转换结束。

l         等待中断发生。

⑥读A/D结果寄存器，如果采用的是中断方式则需清ADIF标志。

5 智能双电源转换开关的主程序及中断部分程序流程图

图3  主程序流程图                          图4  中断程序流程图

主程序流程如图3所示，主要完成对三相电压的检测、判断、显示，并进行相应的动作，同时对键盘扫描，完成人机对话任务。系统只开启了串行口中断，是与远程计算机通讯用的，A/D转换部分没有采用中断方式，而是查询方式。中断程序流程如图4，主要是将各相电压值及运行状态上传计算机，同时完成计算机的控制命令，并回送应答信息给计算机，如果计算机没有收到应答信息下次将继续传送控制命令，在计算机连续对某个智能双电源转换开关多次通讯都没有应答信息的情况下，计算机将报告该智能双电源转换开关故障，从而达到远程监管智能双电源转换开关的目的，并提高用电的安全性。该设备还可以对与远程计算机通讯的协议进行选择，因为目前很多低压电器都自成一个系统，目前的通讯协议也没有统一规范，目前比较流行的有DeviceNet、Profibus-DP、Modbus， 现在也有些协议转换模块，但增加了成本，该设备则将各协议软件包固化在程序里，根据不同的设置执行相应的通讯程序。

6 结束语

我们将设计的智能双电源转换开关已应用于各类建筑物的供电系统，一直运行稳定。由于PIC16F874单片机内置较多功能，可以减少外围电路，在保证智能双电源转换开关功能完善的基础上又增强了稳定性。

本文作者创新点:将各协议软件包固化在程序芯片中，根据不同的设置执行相应的通讯程序，以代替中间协议转换模块，减少成本的同时还可以增强稳定性，将此方法可以推广应用到其它需要通讯的低压电器中，在增强产品的通用性的同时，还可以对抗一些国际大公司的垄断行为。

参考文献:

[1] 国家标准 GB/T 14048.11-2002《低压开关设备和控制设备第6部分：多功能电器第1篇:自动转换开关电器》

[2] Microchip Technology Inc.PIC16F87X Data Sheet[OL] ,2001

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/30292c .pdf

[3] 崔维新,陈凤良.高压测试仪校准仪,微计算机信息,2005,2:142-144.

[4] 陈宝江,翟勇,张幽彤,等.MCS单片机应用系统实用指南[M].北京：机械工业出版社,1997.189-199