淮文軍，尚 麗，張進峰

(蘇州市職業(yè)大學 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104）

繼電器是電力系統(tǒng)以及其他電氣控制系統(tǒng)中常用的電器元件，它們的可靠性是電力系統(tǒng)和其他電氣控制系統(tǒng)可靠運行的重要保證，因此，必須對繼電器的特性參數(shù)定期進行測試.本文設計了以TI公司16位超低功耗MCU為核心、采用數(shù)碼顯示和智能測量技術(shù)的繼電器參數(shù)測試儀，可用于測試直流型電流、電壓、時間等繼電器的特性參數(shù).

1 系統(tǒng)總體設計方案

系統(tǒng)總體設計方案如圖1所示.單片機接收繼電器觸點信號后，分別執(zhí)行測試繼電器的最小吸合電壓、最大釋放電壓、觸點通斷時間、線圈在額定工作電壓時的觸點接觸電阻等參數(shù)，并將結(jié)果送給六位數(shù)碼管進行顯示.本設計采用TI公司的低功耗單片機MSP430F169作為系統(tǒng)控制和測量的核心，利用MSP430F169的I／O口輸出一個D／A信號，經(jīng)過功率放大電路后驅(qū)動繼電器線圈工作，設計一個恒流源以穩(wěn)定繼電器的觸點電流，通過不同功能鍵來選擇被測繼電器參數(shù)類型.本文以943-1C-12DS電磁式繼電器為測試對象，介紹電磁式繼電器特性參數(shù)測試系統(tǒng)的設計過程.

圖1 系統(tǒng)總體設計方案框圖

2 硬件設計

系統(tǒng)硬件部分主要分為單片機主控模塊、功放電路模塊、恒流源模塊、輔助直流穩(wěn)壓電源模塊、按鍵和數(shù)碼管顯示模塊.

2.1 主控制器選擇

MSP430F16x系列是TI公司生產(chǎn)的16位超低功耗單片機，具有極低的功耗、60 kB閃存(FLASH)，2 kB RAM，DMA，8通道12位ADC，雙12位DAC，48個I／O口，16位定時／計數(shù)器，2個USART接口以及硬件乘法器.2 kB的RAM可以存儲高速采樣得到的數(shù)據(jù)，且固化于FLASH存儲器內(nèi)的程序易于在線升級和調(diào)試，使得系統(tǒng)便于實現(xiàn)各種復雜控制，從而能方便地進行系統(tǒng)功能擴展和性能改進[1].

2.2 功放模塊

由于繼電器額定工作電壓為12 VDC，而單片機I／O口輸出的D／A信號最大電壓為3.3 VDC，因此，必須通過運放電路對D／A信號進行放大，才能驅(qū)動繼電器線圈工作.通過單片機編程控制D／A信號大小，使得放大電壓范圍可以在0～12 VDC范圍內(nèi)變化.采用功率運算放大器OPA552芯片組成比例放大電路.與OP07相比，除了具有OP07的優(yōu)點外，OPA552是高電壓、大電流的精密放大器，其輸出電壓范圍為±(4～30) V，驅(qū)動電流為200 mA，驅(qū)動負載能力非常強.

2.3 恒流源模塊

為了使繼電器觸點穩(wěn)定工作電流值接近7 A，需要設計一個恒流源模塊.采用OP07運算放大器和IRF840場效應管組成恒流源電路.利用OP07組成一個電壓跟隨器，其輸入電壓由一個穩(wěn)壓管電路(穩(wěn)壓管輸出電壓為3.1 V)經(jīng)過分壓器后提供，輸入電壓值約為0.7 V，故電壓跟隨器輸出電壓約為0.7 V，提供給IRF840，IRF840的柵極電阻為0.1 Ω，因此柵極回路的電流為10 A，MOS管的輸入電阻非常高，噪聲低，熱穩(wěn)定性好，抗輻射能力強，壽命較長[2].其組成原理如圖2所示.

圖2 恒流源組成框圖

2.4 按鍵和顯示模塊

采用按鍵功能選擇輸入單片機的命令，完成對繼電器不同類型特性參數(shù)的測試.顯示模塊使用74H573數(shù)碼管實現(xiàn)，其中使用2個數(shù)碼管顯示電壓、時間、電阻標志，3個數(shù)碼管顯示測試的小數(shù)數(shù)據(jù).由于MSP430F169的輸出高電平最高只能達到3.3 V，為了更好地識別，采用電阻上拉電路將3.3 V的高電平拉高到5 V.

2.5 功率測量模塊

經(jīng)過分析確定整個系統(tǒng)的功耗主要發(fā)生在負載電阻和功率放大級的功率電阻上，所以，總功率通過測量負載功耗和熱損耗近似求得.熱損耗通過差分放大電路在功率電阻兩端采集流過放大極的電流值，與功率電阻相乘得到.負載功耗通過測量負載端的電壓值，與負載電阻計算得到.

3 軟件設計

測試系統(tǒng)軟件采用模塊化設計[3]，分為主程序和中斷子程序兩部分，中斷子程序根據(jù)測試功能不同而有多個.

(1) 主程序主要完成系統(tǒng)初始化和根據(jù)按鍵判斷所執(zhí)行的中斷子程序，工作流程如圖3所示.

(2) 軟件設計中用到的中斷服務子程序主要有：繼電器觸點最小吸合電壓測試子程序、最大釋放電壓測試子程序、線圈電壓為額定值12 VDC時觸點吸合時間、釋放時間以及觸點接觸電阻測試子程序.

圖3 主程序流程圖

4 性能測試與分析

4.1 系統(tǒng)測試方法

(1) 測試最大吸合電壓.MSP430Fl69的P6.7引腳輸出逐漸增大的電壓信號，驅(qū)動OPA552輸出0～12 VDC信號，控制測試繼電器的線圈工作電壓，使常開觸點閉合，通過P6.6采集閉合信號，記錄該時刻P6.7引腳的輸出電壓(P6.7引腳的輸出電壓變化周期大于觸點閉合時間)，從而得到吸合電壓值[4].

(2) 測試最小釋放電壓.與最大吸合電壓相反，由MSP430Fl69的P6.7引腳，驅(qū)動OPA552輸出逐漸減小的電壓信號，控制測試繼電器的線圈工作電壓，使常開觸點斷開，通過P6.4采集打開信號，記錄該時刻P6.7引腳的輸出電壓(P6.7引腳的輸出電壓變化周期大于觸點釋放時間)，從而得到釋放電壓最小值.

(3) 測試吸合時間.單片機驅(qū)動OPA552輸出12 VDC的電壓信號，控制測試繼電器的線圈工作電壓為額定值，使常開觸點閉合，通過P6.4和P6.6采集常閉觸點轉(zhuǎn)換到常開觸點的時間段，從而得到吸合時間.

(4) 測試釋放時間.與吸合時間相反，先由OPA552輸出12 VDC的電壓信號，再輸出0 VDC信號，使常開觸點斷開，通過P6.4和P6.6采集常開觸點轉(zhuǎn)換到常閉觸點的時間段，從而得到釋放時間.

(5) 測試觸點接觸電阻.由單片機驅(qū)動OPA552輸出12 VDC的電壓信號，且通過P6.3引腳控制輔助繼電器常閉觸點動作，將測試繼電器的常開觸點接入恒流源電路中.測試繼電器的常開觸點閉合時將流過2 A的恒定電流，通過普通I／O口采集該觸點兩端的電壓信號，由程序計算該觸點兩端的電壓差值，利用歐姆定律得到觸點的接觸電阻值.

4.2 測試數(shù)據(jù)

測試過程中，為了減少每次測試的隨機誤差，每項指標都采用測量多次，取其平均值的方法.測試結(jié)果如表1所示.

表1 電磁繼電器943-1C-12DS的測試數(shù)據(jù)

4.3 誤差分析

通過上述的測試數(shù)據(jù)可得，繼電器觸點穩(wěn)定吸合時的線圈電壓值比較集中地分布在8.59 VDC附近，與測試對象943-1C-12DS技術(shù)指標中最小吸合電壓值9 VDC比較接近，測試精度高于5%；觸點釋放電壓較集中地分布在2.47 V附近，觸點吸合時間較集中地分布在34.79 ms附近，觸點釋放時間較集中地分布在8.98 ms附近，觸點電阻的阻值較集中地分布在150.4 mΩ附近，這些測試值與943-1C-12DS繼電器技術(shù)標準中提供的數(shù)值誤差較小.

5 結(jié) 論

本設計方案以MSP430F169單片機作為主控芯片組成最小單片機系統(tǒng)，設計了一個電磁式繼電器特性參數(shù)測試儀.系統(tǒng)硬件電路主要包括直流穩(wěn)壓電源模塊、集成放大電路模塊、恒流源模塊、按鍵和數(shù)碼管顯示模塊，軟件設計主要采用模塊化設計，分為主程序和中斷服務子程序.設計的繼電器特性參數(shù)測試儀可以實現(xiàn)對943-1C-12DS電磁式繼電器的最小吸合電壓、最大釋放電壓、線圈為額定工作電壓時的吸合時間、釋放時間的測試，同時還實現(xiàn)了線圈電壓為額定值時觸點接觸電阻值的測試和成套參數(shù)自動測量功能.

[1] 謝興紅，林凡強，吳雄英.MSP430單片機基礎與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[2] 姚致清，李金伴，張喜玲.繼電器與繼電保護裝置實用技術(shù)手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[3] 張炳武.固態(tài)繼電器電參數(shù)測試技術(shù)研究和測試系統(tǒng)軟件設計[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2007.

[4] 蔣先剛.JZC-200MB繼電器測試系統(tǒng)的設計[J].繼電器，2005，33(3)：51-54.