基于单片机的变频调速器智能切换的设计及实现

沈进财

（ 国家新闻出版广电总局七五一台 ）

摘要：本文针对我台DX600全固态中波发射机冷却系统故障时变频调速器的主备切换须人工完成问题，介绍了一种基于AT89S52单片机控制电路的设计。该电路以AT89S52单片机为核心，结构简单，控制可靠，实现对变频调速器的主备自动切换。减少停播时间，提高安全传输发射的设备可靠性。关键词： ATS89S52 单片机 RS232 74HC373 变频调速器1 引言近年来，随着信息技术在社会各领域不断深化的应用，单片机技术的应用领域越来越广泛，比如工业控制、汽车电子、家用电器、计算机外设以及消费电子产品等。由于单片机具有优良的抗干扰性能、不需要操作系统、代码简单等优点，所以它具有可靠性好、实时性好、控制简单。 2 实现变频调速器智能切换的必要性2.1 合成器冷却系统的组成：DX型发射机合成器冷却系统主要由一台美国保德15系列变频调速器、三台2马力的大功率风机及风量检测与控制系统组成。2.2 现有技术设备存在的缺陷：DX型发射机自带的冷却系统，任何一个环节出问题，都将造成长时间的停播，同类型机器类似故障多有发生，给安全播出工作带来巨大损失。为改进DX型发射机合成器冷却系统存在的不足，我们对该系统的故障发生的频率及部位进行了详实的统计，发现变频调速器死机的故障率最高，特别是雷雨天气，有时一个晚上因外电闪或是波动变频调带器死机多达数次、其次是风机自身与风机供电保险故障、第三就是检测与控制系误动作造成的故障。我们初步的做法是加装一台备份变频调速器，但需人工切换，它对于变频器本身故障虽有改善，但仍存在不足，在实际应用中，技术最好的值机员从判断到恢复播音仍需3分钟左右，同时它风机本身及控制系故障没有改进。第二步是，安装一台APB-25型40W大功率工频冷却风机，当变频调速器主备切换电路故障或者原风机故障，可以应急，但也存在不足，它仍需人工切换，人工将控制系统进行短路处理，仍会造成停播事故的发生。基于上述原因，对合成器冷却系统采取智能切换，能做到无停播切换。3 系统概述3.1 系统功能介绍本系统主要有以下功能：（1） 对变频调速器进行自动切换与故障延时，做到无停播切换。（2） 对风量进行检测，当风量不足时，进行故障延时并自动启动备份风机，做到无停播切换。（3） 对变频调速器与风量进行检测，当都正常时，关闭备份风机，回到原始工作状态。3.2 软件介绍如图1所示为系统结构框图。本切换系统以单片机AT89S52为核心，当该系统处于自动模式时，对变频调速器的工作状态进行监测，若当前工作的变频调速器出现故障时，正确识别并发出备用变频调速器切换指令，继电器驱动电路接收到切换指令，使相应的继电器闭合或者断开，完成主/备变频调速器的切换；当该系统处于手动模式时，由上位微机通过RS-232串口通信电路向本系统发送控制信号，单片机AT89S52将接收到控制信号后，经过对数据处理，形成对应指令，并由继电器驱动电路来执行，完成主/备变频调速器的切换；也可在本硬件系统上的按钮来选择。并将变频调速器工作状态经单片机通过RS-232串口通信电路送至上位微机，对变频调速器工作状态进行显示。

图1 系统结构简图

4 硬件系统设计由AT89S52单片机、数据通信电路、继电器驱动电路、变频调速器工作状态监测电路、电源等组成，主要完成前工作的变频调速器出现故障时，通过相应的模式来完成主/备变频调速器的切换。上位微机对下位机的控制，并变频调速器工作状态进行显示。4.1 核心器件系统核心器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储器技术制造的AT89S52单片机，它是一种功耗低、高性能CMOS8位微控制器，其工作频率高可达24MHz，低可到0 HZ静态逻辑，支持2种软件可选的节电模式，具有32个可编程I/O端口(P0、P1、P2、P3，每个端口8位)，2个数据指针， 3个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构， 8个中断源， 一个全双工异步串口， 支持低功耗及掉电模式；具有8K在系统可编程Flash 存储器。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活及非常有效的解决方案。支持中断从掉电模式唤醒， 内置看门狗。4.2 看门狗电路当系统出现“死机”现象时，用外置硬件看门狗监来测程序的运行。此时，看门狗就产生一个复位信号，使单片机程序重新进入正常运行。MAX813L与AT89S52的连接如图2所示。正常工作时看门狗输出端保持高电平，当程序“死机” 时，端电平由高到低，当变低超过160 ms，则MAX813L的RST端产生一个200 ms的复位脉冲。同时使看门狗定时器清零和使引脚变成高电平。也可以使用手动复位按钮使MAX813L产生复位信号。该电路还有系统上电复位功能，上电时，RST端自动产生200 ms的复位脉冲；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出，使系统复位。4.3 继电器驱动电路的设计继电器驱动电路由锁存器74HC373、继电器驱动级、变频调速器状态接口倒换电路组成。主要执行从单片机AT89S52送来的控制信号，继电器驱动电路接收到切换指令，使相应的继电器闭合或者断开，完成主/备变频调速器的切换。该电路接收到单片机的指令后，将指令锁存到锁存器74HC373，经驱动电路后驱动相应的继电器。

图2 MAX813L与AT89S52的连接

74HC373的功能：当控制端LE为高电平时，输出端（Q0~Q7）和输入端(D0~D7)相连，因此输出端的状态与输入端相同。当控制端LE为低电平时，输出端（Q0~Q7）和输入端(D0~D7)断开连接，并且保持原来的状态，此时就算输入端的状态发生变化，输出端的状态也不会随之改变。其真值表如图3所示。

图3 74HC373真值表

图4所示锁存器74HC373的输入端(D0~D7)与单片机P1口相连，而控制端LE接到单片机的P3.6引脚上；74HC373的输出端（Q0~Q7）接继电器驱动级；P1口向继电器驱动电路发送控制信号那一段时间， P3.6为高电平，在这段时间内，74HC373的输出端（Q0~Q7）和输入端(D0~D7)状态相同，当数据发送完后P3.6又变为低电平，数据锁存在74HC373并保持其原值。

图4

4.4 单片机与PC机数据通信电路的设计数据通信电路用来完成单片机与上位微机数据通信，本系统采用RS-232串口通信接口。通过MAX232完成电平转换，按通信协议的规定完成单片机与上位微机数据通信，实现整个系统的数据发送、和接收功能。如图5所示。

图5 RS-232串口通信接口电路

4.5 电源模块电路的设计电源模块是单片机系统不可缺少的部分，是保证系统稳定、安全工作的前提。对数字器件，通常采用二次稳压处理，本系统电源采用MC7812和MC7805三端线性稳压模块进行二次稳压，并在外电交流输入端接入LC吸收网络，减少外电的干扰。如图6所示。

图6 电源稳压电路

5 控制软件设计系统软件设计包括系统初始化、主备变频调速器的识别、倒换、及变频调速器状态监测、显示，软件流程图如图7所示。系统上电后，对系统进行初始化（包括串口工作方式、串行允许接收、传输速率、定时器设置及其工作在方式等等）后，对主备变频调速器的识别，接通。手动/自动模式可以在硬件上的按钮来选择，也可以由上位微机发送手动/自动模式的控制命令来选择。当程序执行到“接收完成标志”到这一步时，进行判断，如果这时上位微机发送控制命令时，接收完成标志置1，进行下一步接收完成标志置0，然后 “远程控制”，“远程控制”内容包括对接收数据的识别、命令转换，并由继电器驱动电路来执行，完成主/备变频调速器的切换及手动/自动模式的选择。若上位微机没有发送控制命令，则接收完成标志为0。当该系统处于自动模式时，对变频调速器的工作状态进行监测，若当前工作的变频调速器出现故障时，正确识别并发出备用变频调速器切换指令，继电器驱动电路接收到切换指令，使相应的继电器闭合或者断开，完成主/备变频调速器的切换；当该系统处于手动模式时，由硬件系统上的按钮来选择，产生相应的指令，并由继电器驱动电路来执行，完成主/备变频调速器的切换。

图7 程序处理流程图

6 功能举例下面将通过我台在播音中实际出现过的故障为例，对本系统的功能进行描述。

6.1 变频调速机死机故障

某晚外电闪，造成在用变频调速器死机，此时系统将按以下流程进行工作。

（1） 系统自动将故障变频调速器故障延时15秒。

（2） 启动备份变频调速器，（说明：此时只启动备份变频调速器电源，并未启动主用冷却风机）。

（3） 系统自动启动备份风机。

说明：以上三项系统是同时进行。

（4） 系统对风量进行检测，正常后将变频调速故障信号进行屏蔽（此过程约5秒钟）。如果此时风量不正常，系统自动启动备份变频调速器（此过程约5秒钟）。

（5） 当系统自动切换到备份风机工作后3分钟，当系统检测到变频调速器故障恢复正常，系统会自动切换到原来的工作状态（此功能用为用户自选功能，切换板上用户自行选择开启或是关闭此项功能）。

说明：以上系统所的任何操作，都将通过自动化系统传送到控制室控制台及时告知值班人员合成器冷却系统的工作状态。

6.2 风机保险开路故障

某晚播音中，出现一台主用风机供电保险开路故障，此时系统按下流程进行工作。

（1） 系统检测到一台主用风机风量不正常，此时系统自动启动备份风机。此项功能可设置当一台主用风机风量不正常时启动备份风机或是当两台主用风机风量不正常在启动备份风机，在切换板上用户根据自己的需求自行设置。

（2） 当备份风机工作正常后，系统自动关闭在用变频调速器电源，也就关闭了其它两台正在工作的主用冷却风机。

（3） 系统通过自动化系通知值班人员。

（4） 值班人员更换保险。更换保险后，启动变频调速器与风机，（此过程为人工操作）。

（5） 当系统检测到主用冷却风机都正常后，自动关闭备份冷却风机。

7 结束语本系统控制电路结构简单，控制可靠，环境适应性强，通过对本电路软件硬件的改进和实际应用，获得了预期的应用效果，做到了无停播切换备份冷却系统，极大的提高了合成器冷却系统的保障能力。参考文献：【1】 王庆利，刘奎，袁建敏. 单片机设计标准教程. 北京：北京邮电大学出版社：2008.3： 312【2】 马彪. 单片机应用技术. 上海：同济大学出版社：2009.5：253【3】 于殿泓，王新年.单片机原理与程序试验教程.西安：西安电子科技大学出版社：2007.8：206【4】 吴家碚. 单片机原理与应用技术. 北京：北京理工大学出版社：2008.8： 182作者简介：姓名：沈进财联系电话：18950632520邮箱：shjc18@21cn.com 编辑：中国新闻技术工作者联合会