作者：孔祥新；徐曉明；劉敬科

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)供電連續(xù)性、可靠性的要求越來(lái)越高，對(duì)于不允許斷電的重要場(chǎng)合，如醫(yī)院手術(shù)室、高層建筑安全保障系統(tǒng)、熱電站、化工企業(yè)、銀行等，都要求配備至少兩路電源來(lái)保證供電的連續(xù)性。因此，需要一種能在兩路電源之間進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，以保證正在使用中的電源出現(xiàn)故障時(shí)能自動(dòng)轉(zhuǎn)換到另一路正常電源。雙電源供電系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合決定其可靠性尤為重要，若兩路電源不能及時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換或者轉(zhuǎn)換失敗，會(huì)給人們的生活和生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的損害。

隨著無(wú)線通訊技術(shù)的發(fā)展，本文結(jié)合比較實(shí)用的GSM無(wú)線通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)研制了一種工作安全可靠性高、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的雙電源供電系統(tǒng)智能控制器。本文研究的控制器對(duì)提升該類產(chǎn)品技術(shù)水平、推動(dòng)產(chǎn)品更新?lián)Q代具有重要意義，且應(yīng)用前景廣闊。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出了基于STC12C5A60S2的雙電源供電智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)常用電和備用電電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)兩路電源安全可靠切換。同時(shí)系統(tǒng)完成對(duì)電壓數(shù)據(jù)的采集和傳輸，現(xiàn)場(chǎng)的顯示模塊由12864液晶和LED組成，完成簡(jiǎn)單電壓顯示和工作模式的指示，有效數(shù)據(jù)通過(guò)GSM模塊發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)，便于統(tǒng)一管理，此外，用戶可以根據(jù)自己的要求實(shí)現(xiàn)將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到指定手機(jī)的功能。

該雙電源供電智能控制系統(tǒng)包括：電源模塊、控制器、信號(hào)檢測(cè)模塊、遠(yuǎn)程無(wú)線模塊、時(shí)鐘模塊、輸出控制模塊、鍵盤(pán)、LCD和LED人機(jī)交互模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 控制電路

本系統(tǒng)的控制部分是以STC12C5A60S2單片為核心機(jī)構(gòu)成的最小系統(tǒng)，此外，為方便程序下載，設(shè)計(jì)了基于CH340的程序下載接口電路，單片機(jī)最小系統(tǒng)和程序下載電路如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 檢測(cè)電路

在智能控制系統(tǒng)中，檢測(cè)部分實(shí)現(xiàn)對(duì)各路電壓信號(hào)的采集、調(diào)理等功能，主要有三部分組成：交流信號(hào)隔離與采集、模擬信號(hào)通道選通、交流小信號(hào)的抬升與跟隨。

2.2.1 信號(hào)隔離采集及信號(hào)的選通

為了消除強(qiáng)電回路對(duì)弱電回路的影響，保護(hù)檢測(cè)回路，在采集交流信號(hào)時(shí)選用了變比為1000:1000的交流電流互感器ZMPT101B，主要作用為隔離強(qiáng)電回路；檢測(cè)信號(hào)多路選通的實(shí)現(xiàn)則選用了模擬開(kāi)關(guān)CD4051。

如圖3所示，交流電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)R1限流電阻，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)電流互感器后，通過(guò)運(yùn)放UA741再將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。

圖3 交流信號(hào)采集電路

2.2.2 交流信號(hào)抬升與跟隨

由于控制器的AD口只允許輸入0～5V的電壓信號(hào)，因此需要將正負(fù)半軸均有的交流信號(hào)進(jìn)行抬升，即在原有信號(hào)的基礎(chǔ)之上增加一個(gè)大小為2.5V的直流信號(hào)，為了防止負(fù)載對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響，在此后端添加電壓跟隨電路。硬件電路如圖4所示。

2.3 人機(jī)交互

系統(tǒng)中為方便用戶觀察電源工作狀態(tài)和設(shè)置相關(guān)參數(shù)，鑒于輸入信息相對(duì)簡(jiǎn)單，因此采用獨(dú)立式鍵盤(pán)；顯示方式為L(zhǎng)ED和LCD，LED用來(lái)指示各電源的工作狀態(tài)，LCD則用來(lái)顯示當(dāng)前工作電壓等信息。

圖4 信號(hào)抬升電路

圖5 無(wú)線通信電路

2.4 無(wú)線通訊模塊

本系統(tǒng)為了方便用戶統(tǒng)一管理和及時(shí)有效的得知電源的工作方式，為其配備了無(wú)線通訊功能，一方面現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)發(fā)送給后臺(tái)監(jiān)控，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)；另一方面用戶可以通過(guò)后臺(tái)的監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制與操作。此外，本系統(tǒng)中，用戶可以將部分手機(jī)配置為終端，同時(shí)具有接收數(shù)據(jù)和控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括控制器軟件設(shè)計(jì)和后臺(tái)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。

3.1 控制器軟件設(shè)計(jì)

按照軟件設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)依然采用模塊化程序設(shè)計(jì)［6，7］，主要包括：定時(shí)器模塊、AD采樣模塊、LCD顯示模塊、串口通訊模塊等，程序流程圖如圖6所示。

圖6 控制器程序框圖

3.2 后臺(tái)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，為方便用戶實(shí)現(xiàn)控制器統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)的采集，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制器的控制與設(shè)定，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)與數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。此外，系統(tǒng)具備基本的權(quán)限管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能。LabVIEW開(kāi)發(fā)的后臺(tái)監(jiān)控具有開(kāi)發(fā)周期短、界面美觀、界面具備人性化等特點(diǎn)［8］，監(jiān)控主界面如圖8所示。

圖7 監(jiān)控主界面

4 實(shí)驗(yàn)

在本系統(tǒng)中，信號(hào)采集與信號(hào)調(diào)理是實(shí)現(xiàn)控制的重要環(huán)節(jié)，因此為方便實(shí)驗(yàn)，減少器件損耗，運(yùn)用模擬電路仿真軟件MultiSim10進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)波形與實(shí)際測(cè)得波形如圖8所示。

5 總結(jié)

設(shè)計(jì)了基于STC12C5A60S2的雙電源供電智能控制系統(tǒng)，通過(guò)理論分析與實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明了系統(tǒng)的可行性和可靠性，該系統(tǒng)可以安全可靠地實(shí)現(xiàn)電源的自動(dòng)切換，并且具備遠(yuǎn)程無(wú)線通訊和控制功能，使用戶不僅可以通過(guò)后臺(tái)了解現(xiàn)場(chǎng)信息，還可通過(guò)配置將自己的手機(jī)作為終端，了解和控制現(xiàn)場(chǎng)各控制器狀態(tài)。

圖8 仿真與實(shí)驗(yàn)波形

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