一种基于ATmega16单片机的双电源自动切换控制器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于ATmega16单片机的双电源自动切换控制器，属于电力电子应用设备【技术领域】。技术方案是：常用电源（1）、备用电源（2）通过电压变换单元（3）与单片机（8）的输入接口A/D互相连接，波形变换单元（4）设置在电压变换单元（3）与单片机（8）之间，单片机（8）的输出接口PD4通过选择单元（5）与波形变换单元（4）互相连接，断路器状态检测单元（6）、单片机和断路器控制单元（7）依次连接。本实用新型的有益效果是：以ATmega16单片机为核心，充分利用其丰富的片上外设接口，通过对两路电源电压、频率以及相序的检测和判断自动切换电源，并可以由用户根据需要选择控制模式、设定电压和频率的正常工作范围、设定切换延迟时间。
【专利说明】—种基于ATmega16单片机的双电源自动切换控制器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种基于ATmegaie单片机的双电源自动切换控制器，属于电力电子应用设备【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着经济的发展，电力用户对供电电源的质量和连续供电的要求越来越高。在一些重要的用电部门(如医院、机场、军事设施等)，为保证重要电气设备正常工作，一般都采用两路独立电源供电，其中一路为常用电源，另一路为备用电源，两路电源的切换控制由双电源自动切换装置完成。双电源自动切换装置由具有电源监测和执行元件监控功能的控制器以及执行元件组成，主要功能是最大限度地保证供电的连续性。对于要求电源切换时间较短的负荷，可以采用无触点电力电子开关作为执行元件，实现几个周波以内的快速切换甚至实现无缝切换。由于大多数重要负荷允许有零点几秒甚至几秒钟的间断供电，双电源自动切换装置一般采用接触器或断路器作为执行元件。
实用新型内容
[0003]本实用新型目的是提供一种基于ATmegaie单片机的双电源自动切换控制器，充分利用其丰富的片上外设接口，通过对两路电源电压、频率以及相序的检测和判断自动切换电源，并可以由用户根据需要选择控制模式、设定电压和频率的正常工作范围、设定切换延迟时间，解决【背景技术】中存在的上述问题。
[0004]本实用新型的技术方案是:一种基于ATmegal6单片机的双电源自动切换控制器，包含常用电源、备用电源、电压变换单元、波形变换单元、选择单元、断路器状态检测单元、断路器控制单元、单片机、按键、显示单元和通讯模块，所述常用电源、备用电源通过电压变换单元与单片机的输入接口 A/D互相连接，波形变换单元设置在电压变换单元与单片机之间，其三相输出端分别与单片机的接口 ICP、接口 INTO、接口 INTl互相连接，单片机的输出接口 PD4通过选择单元与波形变换单元互相连接，断路器状态检测单元、单片机和断路器控制单元依次连接，按键与单片机的并行输入接口互相连接，显示单元、通讯模块分别与单片机的输出接口互相连接。
[0005]还包含光耦隔离装置，所述光耦隔离装置有两个，分别设置在断路器状态检测单元与单片机之间、断路器控制单元与单片机之间。
[0006]所述单片机包含Flash程序存储器、SRAM、E2PR0M、外部接口和可编程看门狗定时器，其中外部接口包含两个8位定时/计数器、一个具有输入捕获输出比较以及PWM功能的16位定时/计数器、8通道10位A / D转换器、I2C串行接口、UART通用串行接口、SPI同步串行接口和片内模拟比较器。
[0007]所述显示单元包含数码管、发光二极管、SPI总线和LED驱动电路。
[0008]所述通讯模块包含数据接收线、数据发送线和RS485驱动器MAX485。
[0009]本实用新型的有益效果是:以ATmegal6单片机为核心，充分利用其丰富的片上外设接口，通过对两路电源电压、频率以及相序的检测和判断自动切换电源，并可以由用户根据需要选择控制模式、设定电压和频率的正常工作范围、设定切换延迟时间。采取硬件和软件双重抗干扰措施提高控制器的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本实用新型的结构框图；
[0011]图中:常用电源I ;备用电源2 ;电压变换单元3 ;波形变换单元4 ;选择单元5 ;断路器状态检测单元6 ;断路器控制单元7 ;单片机8 ;按键9 ;显示单元10 ;通讯模块11 ;光耦隔离装置12。
【具体实施方式】
[0012]以下结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步说明。
[0013]—种基于ATmegal6单片机的双电源自动切换控制器,包含常用电源1、备用电源
2、电压变换单元3、波形变换单元4、选择单元5、断路器状态检测单元6、断路器控制单元7、单片机8、按键9、显示单元10和通讯模块11，所述常用电源1、备用电源2通过电压变换单元3与单片机8的输入接口 A/D (交流/直流)互相连接，波形变换单元4设置在电压变换单元3与单片机8之间，其三相输出端分别与单片机8的接口 ICP(输入捕获端)、接口 INTO(外部中继O)、接口 INTl (外部中继I)互相连接，单片机8的输出接口 PD4通过选择单元5与波形变换单元4互相连接，断路器状态检测单元6、单片机8和断路器控制单元7依次连接，按键9与单片机8的并行输入接口互相连接，显示单元10、通讯模块11分别与单片机8的输出接口互相连接。
[0014]还包含光耦隔离装置12，所述光耦隔离装置12有两个，分别设置在断路器状态检测单元6与单片机8之间、断路器控制单元7与单片机8之间。
[0015]所述单片机8包含Flash程序存储器、SRAM (静态随机存储器)、E2PR0M (用户可更改的只读存储器)、外部接口和可编程看门狗定时器，其中外部接口包含两个8位定时/计数器、一个具有输入捕获输出比较以及PWM (脉冲宽度调制)功能的16位定时/计数器、8通道10位A / D转换器、I2C (两线式串行总线)串行接口、UART (通用异步接收/发送装置)通用串行接口、SPI (串行外围设备接口)同步串行接口和片内模拟比较器。
[0016]所述显示单元10包含数码管、发光二极管、SPI总线和LED (发光二极管)驱动电路。
[0017]所述通讯模块11包含数据接收线、数据发送线和RS485驱动器MAX485。
[0018]当控制器检测到常用电源电压或频率出现的偏差超出用户设定的范围或相序错误时，延时发出常用电源断路器分闸命令，同时发出发电指令请求柴油机开始发电；当备用电源电压和频率达到正常范围且相序正确时，延时发出备用电源断路器合闸命令；如果常用电源恢复正常，则首先延时发出备用电源断路器分闸命令，然后延时发出常用电源断路器合闸命令，自动将负载切换到常用电源同时发出停电指令请求柴油机停止发电。
[0019]设计的延时特性是可恢复的，即延时时间内检测到的状态变化恢复原状时终止延时过程。这种延时控制可以防止检测过程中的干扰导致控制器误动作，同时可以有效防止由于断路器电动操作机构动作时间不一致可能导致的瞬间同时合闸现象。[0020]双电源自动切换装置的两台断路器通常带有机械互锁装置，在控制器设计中又考虑了软件电气互锁，根据切换逻辑以及断路器状态确定断路器命令，从而保证当一个断路器处于合闸状态时不会发出另一个断路器的合闸的信号，进一步提高了工作可靠性。
[0021]两路电源经电压互感器(PT)变换成最大幅值为2.5 V的交流信号，叠加2.5 V的直流偏置以后接入ATmegal6的A / D输入端(ATmegal28的片内ADC只能进行单极性A / D转换)测量电源电压幅值；交流信号经过零比较器组成的波形变换电路处理成方波信号，三相分别接入输入捕获端(ICP)、外部中断O (INTO)和外部中断I(INTl)测量电源频率和相序，并由一根I / O 口线(TO4)对两路电源的方波信号进行选择。
[0022]为了提高抗干扰能力，从两路断路器辅助触点引入的断路器状态信号经光耦隔离装置接入单片机并行接口(PB3 — ΡΒ0)，并通过面板上的LED给出指示。由并行接口(Pc7、PC6、PC1、PC0)发出的断路器分合闸控制命令亦经光耦隔离装置及驱动电路接入断路器的电动操作机构。设置参数的按键通过并行接口(PA7、PA6、TO7)接入单片机并采用内部上拉输入方式，数码管与发光二极管的显示由SPI总线(PB4、PB5、PB7)经LED显示驱动电路MAX7219 实现。
[0023]通讯模块为了兼容以往的智能电器控制网络，选用RS485全双工通信向计算机或其他RS485控制器提供电源状态信息和自动转换开关运行状态信息，并可通过计算机或其他RS485控制器控制自动转换开关工作，或修改自动转换开关运行参数。具体电路由通用串行接口 UART的数据接收线和数据发送线(RXD、TXD)及选定的发送允许控制线(Η)5)经RS485驱动器ΜΑΧ485完成。
[0024]软硬件调试通过JTAG (联合测试行为组织)接口进行。当调试及程序固化完成后，利用与JTAG接口共用的2根I / O 口线通过与断路器控制电路相同的驱动电路实现柴油发电机的起停控制。
[0025]在应用过程中，1、电源电压检测
[0026]根据频率监测结果，分别利用8位定时/计数器TO和Τ2以中断的方式设定常用电源(ADC0 — ADC2)和备用电源(ADC3 — ADC5)的采样间隔，每周波采样16点。ATmegal6单片机的模数转换器为10位，其采样误差为I / 21°?0.1%。电压有效值可运用离散傅里叶变换(DFT)对一个周期的电压采样值进行处理，通过计算基波电压的正弦分量与余弦分量，求出基波电压有效值。其优点是可以直接滤除直流分量，但对于含有谐波分量的信号而言，基波有效值与总有效值之间会有一定误差，尤其当谐波成分较大时。而采用DFT计算高次谐波分量的计算量又很大，尽管ATmegaie是高速单片机但仍然不能满足实时计算的要求，经过实验比较，实际应用中采用了按照有效值定义计算电压有效值的方法，并对连续采集5个周波的数据进行计算以滤除噪声，其中直流分量的数值通过实验(校表)的方式确定并存储在EEPROM中。
[0027]2、电源频率检测
[0028]分别用过零电压比较器将常用电源和备用电源的三相交流电压整形成方波信号，利用单片机的一根L / O 口线控制三组2选I数字开关(数据选择器)将A、B、C三相方波信号分别输入到单片机的输入捕获端口 IcP及外部中断源输入端口 IN哟、INTl (均设置为上升沿输入捕获以及外部中断请求)。16位定时/计数器Tl的时钟设置为晶振频率(8MHz)的8分频，即计数器的时钟频率为I MHz，计数器加I。当输入捕获引脚发生正跳变时定时计数器Tl的计数值自动锁存到输入捕获寄存器并发出中断申请，可以在中断服务程序中读取输入捕获寄存器的计数值，而两次输入捕获中断的计数值之差即为信号周期，根据周期即可计算频率。为了提高频率测量的精度和可靠性，在实际设计中同样采取多周波测量，即通过捕获多个上升沿取平均获得脉冲信号的周期。假设输入捕获通道在检测到第I个及第n+1个脉冲信号的上升沿时定时/计数器L的计数值分别为m1、m2，计数器溢出次数为IV，则所测频率为:
[0029]
【权利要求】
1.一种基于ATmegaie单片机的双电源自动切换控制器，其特征在于:包含常用电源(I)、备用电源(2)、电压变换单元(3)、波形变换单元(4)、选择单元(5)、断路器状态检测单元(6)、断路器控制单元(7)、单片机(8)、按键(9)、显示单元(10)和通讯模块(11)，所述常用电源(I)、备用电源(2)通过电压变换单元(3)与单片机(8)的输入接口 A/D互相连接，波形变换单元(4)设置在电压变换单元(3)与单片机(8)之间，其三相输出端分别与单片机(8)的接口 ICP、接口 INTO、接口 INTl互相连接，单片机(8)的输出接口 PD4通过选择单元(5)与波形变换单元(4)互相连接，断路器状态检测单元(6)、单片机(8)和断路器控制单元(7)依次连接，按键(9)与单片机(8)的并行输入接口互相连接，显示单元(10)、通讯模块(II)分别与单片机(8)的输出接口互相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于ATmegaie单片机的双电源自动切换控制器，其特征在于:还包含光耦隔离装置(12)，所述光耦隔离装置(12)有两个，分别设置在断路器状态检测单元(6)与单片机(8)之间、断路器控制单元(7)与单片机(8)之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于ATmegaie单片机的双电源自动切换控制器，其特征在于:所述显示单元(10)包含数码管、发光二极管、SPI总线和LED驱动电路。
4.根据权利要求1所述的一种基于ATmegaie单片机的双电源自动切换控制器，其特征在于:所述通讯模块(11)包含数据接收线、数据发送线和RS485驱动器MAX485。
【文档编号】H02J9/06GK203617782SQ201320712918
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】张晓光, 翟志强, 李 杰, 车福来, 武卫革, 刘兰荣 申请人:保定天威集团有限公司