智能型双电源开关控制器的设计

2 硬件系统设计

2.1 单片机的选择

控制器要求对交流电压、频率和相位进行检测，有多路控制信号的输入和输出，为了节约成本和系统的稳定性，应选择自带A/D转换器和输入捕捉功能且有较丰富I/O的单片机。此外，控制器里的强电信号和继电器等元件会对单片机产生很大的干扰，这就要求单片机能够有较好的抗干扰能力。综上考虑，本设计选择了PIC16F884单片机。它是Microchip公司目前主推的产品，采用精简指令集(RISC)机构和一次性可编程(OTP)技术使得PIC16F884单片机具有高速的稳定性和非常强的抗干扰能力；8 KB的闪存、256 B的EEPROM、10位A/D转换器和CCP输入捕捉，完全可以满足本控制器的设计要求。

2.2 频率检测

单片机对常用和备用电源进行频率检测，根据检测的结果来判断电源是否发生故障，然后进行相应的控制操作。频率检测电路主要以光耦TLP521-1和施密特触发器CD40106为主要器件构成。频率检测的硬件电路如图3所示。电网中的交流电经变压器后变换为电压较低的交流信号U1，U1经过光耦TLP521-1后就变成了同频率的方波信号。为了防止光耦内部的二极管被反向电流击穿，在光耦外部反向接了1个二极管。为了使光耦输出的方波信号更加规整，为单片机测量频率做好准备，在光耦的输出级加了施密特触发器CD40106。利用PIC16F884单片机的输入捕捉(CCP)功能记录第一个上升沿的时间t1和下一个上升沿的时间t2，则信号的周期T=(t2-t1) μs。为了提高测量的精度，采用多次测量取平均值的方法来实现。

2.3  电压检测

电压检测主要用来实时检测常用和备用电源的电压。PIC16F884单片机有14通道的10位A/D转换器，可以满足电压采样的精度。由于PIC16F884单片机只能对0～5 V间的单极性电压进行检测，故需要对交流电压进行提升使它成为单极性的电压信号。电压检测电路如图4所示[1]。

电路采用单电源供电的运放MCP604构成无限增益多路反馈二阶低通滤波器，除能够对交流信号进行电压提升外，还可以滤除交流信号中的高频成分，防止交流采样发生混叠效应。交流工频信号的采集，一般以其有效值进行计算：，其中，N为1个周期内的采样点数(本系统中取N=40)，ui为第i个采样值。为了能够在1个工频周期内采样到40个点，需要每隔500 μs启动1次A/D转换。此过程可以用CCP的特殊触发事件来完成。将CCP的特殊触发事件设置成启动A/D转换，在程序中初始化CCP寄存器的值为0X1F4(500 ?滋s)即可。上述方法的缺点是在1个周期内的采样点数N为定值(40)，而由于电网的波动，电网电压的频率可能会发生变化，会造成测量的误差，因此，为了进一步提高电压采集的精度，还使用了频率跟踪法。首先利用单片机测出交流电压的频率，然后根据频率来计算1个周期内的采样点数N，这样可以大大降低因频率变换而造成的测量误差。

2.4 通信接口

为了使控制器能够方便地与上层控制平台进行联网通信，实现控制器的远程控制、远程监控等功能，本设计为控制器添加了通信接口，采用简单经济、广泛应用于工业上的RS485总线与外界进行通信。RS485采用差分信号进行传输，有较好的抗干扰能力，通过转换模块很容易实现从RS485到RS232的信号转换，从而便于和上位计算机通信。选用了Maxim公司的MAX485芯片作为通信控制的主要器件，其工作电源为+5 V，采用半双工通信方式，能够将TTL电平转换为RS485电平，内部包含了1个驱动器和1个收发器，通过串口可以方便地与PIC16F884进行通信。MAX485的接口电路如图5所示。

2.5 其他部分接口

消防检测：控制器设有一组无源消防信号的输入端子，信号输入采用光耦隔离，以提高抗干扰能力。并且带有一组无源反馈信号输出端子可将开关的到位信号返回到消防设备。

LCD显示：控制器的人机界面由LCD(1602)和发光二极管(LED)组成。控制器的各种工作状态和工作模式通过相应的LED显示。通过LCD和按键组成的人机交互方式对控制器的各种参数和工作状态进行相应的查询、修改和设定等操作。

电机切换：利用三极管的开关电路驱动相应的继电器动作，从而实现电机的启动、停机、正转和反转等。

开关状态检测：利用开关检测电路可以使控制器对系统中各个开关状态进行实时监控，以便发出各种准确的控制命令。

作者：赵荣康   来源：电子技术应用