盧玉鳳，洪　濤，劉鋼海，鄭　路，陳家焱

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江杭州　310018)

0　引言

磁保持繼電器是近些年發(fā)展起來(lái)的一種新型繼電器，也是一種自動(dòng)開(kāi)關(guān)，與其他磁繼電器一樣，對(duì)電路起著自動(dòng)接通和切斷作用[1]，它廣泛應(yīng)用于智能電能表單相、兩相和三相控制[2]。隨著數(shù)字式電能表技術(shù)的飛速發(fā)展和市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，用戶對(duì)磁保持繼電器也提出了愈來(lái)愈苛刻的要求，因此，開(kāi)展磁保持繼電器機(jī)械壽命試驗(yàn)對(duì)保證磁保持繼電器在電能表應(yīng)用中滿足可靠性要求與消除故障隱患方面具有深遠(yuǎn)的意義[3]。

目前，國(guó)內(nèi)廣泛用于繼電器機(jī)械壽命試驗(yàn)所采用的鏈?zhǔn)诫娐罚荒苡行?、?zhǔn)確地檢測(cè)觸點(diǎn)信號(hào)，同時(shí)自動(dòng)化程度較低[4]。為了克服鏈?zhǔn)诫娐返娜秉c(diǎn)，筆者利用單片機(jī)作為主控單元，設(shè)計(jì)出其外圍電源電路、驅(qū)動(dòng)電路、電壓監(jiān)控電路與液晶顯示電路，在此基礎(chǔ)上，完成相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，最終構(gòu)建完成了一套磁保持繼電器機(jī)械壽命試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，功能完備；同時(shí)該裝置價(jià)格便宜，操作方便，對(duì)完成磁保持繼電器機(jī)械壽命可靠性指標(biāo)考核具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1　控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)磁保持繼電器制造廠商的實(shí)際生產(chǎn)需要，對(duì)多通道磁保持繼電器機(jī)械壽命試驗(yàn)控制系統(tǒng)的總體要求是可同時(shí)對(duì)30個(gè)通道的磁保持繼電器進(jìn)行機(jī)械壽命試驗(yàn)，并且試驗(yàn)電壓根據(jù)試驗(yàn)要求不同可以調(diào)節(jié)，測(cè)試數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)液晶屏實(shí)時(shí)顯示。

該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以C8051F021單片機(jī)作為核心控制部件，輔以降壓穩(wěn)壓電源電路模塊、電壓監(jiān)控電路模塊、繼電器驅(qū)動(dòng)電路模塊及液晶顯示模塊等。電源電路模塊是為整個(gè)系統(tǒng)的工作提供穩(wěn)定的電壓、足夠的功率以及適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)；電壓監(jiān)控電路模塊是對(duì)繼電器的供電電壓進(jìn)行監(jiān)控；繼電器驅(qū)動(dòng)模塊是為同時(shí)驅(qū)動(dòng)30個(gè)繼電器進(jìn)行動(dòng)作測(cè)試提供驅(qū)動(dòng)能力；液晶顯示模塊是對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。多通道磁保持繼電器機(jī)械壽命試驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

由于系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環(huán)境條件等因素的存在，會(huì)對(duì)控制設(shè)備造成一定的干擾。干擾的后果主要表現(xiàn)在控制狀態(tài)失靈、數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化、程序運(yùn)行失常等方面。為了使多通道磁保持繼電器機(jī)械壽命試驗(yàn)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在硬件與軟件設(shè)計(jì)都采取了一些提高系統(tǒng)可靠性的措施，具體體現(xiàn)在：在一些電路中加入合適的旁路電容和去耦電容，以平滑輸入信號(hào)；遵守PCB制板的抗干擾原則；采用光耦隔離主控制電路板與驅(qū)動(dòng)繼電器電路；采用經(jīng)過(guò)品質(zhì)認(rèn)證，并經(jīng)過(guò)實(shí)際使用證明品質(zhì)好、可靠性高的成熟、通用元器件。

2　硬件設(shè)計(jì)

2．1MCU單元電路

多通道磁保持繼電器機(jī)械壽命試驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要多個(gè)的I/O口和JTAG下載調(diào)試接口，同時(shí)考慮到系統(tǒng)后期的進(jìn)一步擴(kuò)展與升級(jí)等問(wèn)題，經(jīng)綜合考慮，該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的MCU單元選用高性價(jià)比的C805IF021單片機(jī)。C8051F0201單片機(jī)的特性具體表現(xiàn)在[5]：C8051F0201器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，它具有32個(gè)數(shù)字I/O引腳，高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核和全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))，還有64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器，而且自帶8位500 KSPS的ADC及5個(gè)通用的16位定時(shí)器。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中單片機(jī)的P0.3～P0.5分別接LCD12864液晶的數(shù)據(jù)/指令選擇(RS)、讀/寫(xiě)選擇(R/W)、讀寫(xiě)使能(EN)三個(gè)端口。P1.0～P1.7、P2.0～P2.7、P3.0～P3.7通過(guò)光耦隔離電路連接控制30個(gè)磁保持繼電器動(dòng)作的4個(gè)L298芯片?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)還需利用單片機(jī)的A/D、定時(shí)、中斷、串口傳輸功能，片內(nèi)JTAG調(diào)試電路能夠?qū)崿F(xiàn)安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的MCU進(jìn)行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速系統(tǒng)調(diào)試，同時(shí)該調(diào)試電路支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令，這樣在使用JTAG調(diào)試程序時(shí)，所有模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行，這對(duì)后期進(jìn)行程序調(diào)試帶來(lái)極大的便利。

2．2電源電路設(shè)計(jì)

電源電路是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分。由于多通道磁保持繼電器機(jī)械壽命試驗(yàn)控制系統(tǒng)3個(gè)主要模塊需要不同電壓驅(qū)動(dòng)，即C8051F021需要3.3 V驅(qū)動(dòng)、液晶模塊需要5 V電壓驅(qū)動(dòng)、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊需要9 V電壓供電，所以電源電路設(shè)計(jì)模塊必須考慮如何提供3.3 V、5 V和9 V3種不同電壓。常用的電源有串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源(LM2940、7805等)和開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源(LM2596、LM2575等)兩大類。前者具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、紋波較小的優(yōu)點(diǎn)，但是效率低、功耗大；后者功耗小，效率高，但電路卻復(fù)雜，電路的紋波大。

對(duì)于控制系統(tǒng)中的顯示模塊，需要穩(wěn)定的5 V電源，因此可選用穩(wěn)壓的線性度非常好的LM2940-5或7805對(duì)其進(jìn)行供電；LM2596-5轉(zhuǎn)換效率高，帶載能力大，但有一個(gè)缺點(diǎn)就是其紋波電壓大。設(shè)計(jì)中5 V主要是給顯示屏供電，功耗小，所以優(yōu)先選用7805。7805是三端正電源穩(wěn)壓電路，有固定的輸出電壓5 V，由于內(nèi)部電流的限制，以及過(guò)熱保護(hù)和安全工作區(qū)的保護(hù)，使它基本上不會(huì)損壞。如果能夠提供足夠的散熱片，它就能提供大于1.5 A的輸出電流。雖然是按照固定電壓值來(lái)設(shè)計(jì)的，但是當(dāng)接入適當(dāng)?shù)耐獠科骷?，就能獲得各種不同的電壓和電流。

對(duì)于單片機(jī)，需要提供穩(wěn)定的3.3 V電源，LM1117是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在1.2 V輸出，負(fù)載電流為800 mA時(shí)為1.2 V．它與國(guó)家半導(dǎo)體的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件LM317有相同的管腳排列。LM1117有可調(diào)電壓的版本，通過(guò)2個(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn)1.25～13.8 V輸出電壓范圍，另外還有5個(gè)固定電壓輸出(1.8 V、2.5 V、2.85 V、3.3 V和5 V)的型號(hào)。 LM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252 D-PAK封裝。輸出端需要一個(gè)至少10 μF的鉭電容來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。系統(tǒng)選用的是LM1117-3.3 V，SOT-223封裝。

2．3繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)繼電器的方式有很多。常用的雙向驅(qū)動(dòng)繼電器芯片BL8023采用了脈沖觸發(fā)和電平觸發(fā)兩種方式。該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用的是脈沖觸發(fā)。

驅(qū)動(dòng)磁保持繼電器的的方法有很多種，除前面的BL8023外，還可以由IR2110組成的驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)由MOSFET組成的H橋雙向?qū)?。H橋的負(fù)載為磁保持繼電器的線圈，正反2個(gè)方向的脈沖流過(guò)繼電器線圈，使其在2個(gè)穩(wěn)態(tài)之間切換[7]。還可以有L298芯片驅(qū)動(dòng)。因?yàn)檩^BL8023，L298可通過(guò)的電流大，驅(qū)動(dòng)功率大，若用L298驅(qū)動(dòng)磁保持繼電器，則一個(gè)芯片便可驅(qū)動(dòng)多個(gè)磁保持繼電器。由于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是需要同時(shí)驅(qū)動(dòng)30個(gè)磁保持繼電器，所以選用L298驅(qū)動(dòng)磁保持繼電器。考慮到繼電器數(shù)量太多負(fù)載過(guò)大，設(shè)計(jì)采用4個(gè)L298芯片驅(qū)動(dòng)繼電器，每個(gè)芯片驅(qū)動(dòng)6～8個(gè)繼電器，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)繼電器輸出電路如圖2所示。在驅(qū)動(dòng)繼電器輸出電路和微控制器電路之間，設(shè)計(jì)一光耦隔離電路。光耦隔離的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無(wú)觸點(diǎn)。

2．4電壓監(jiān)控電路

電壓監(jiān)控電路設(shè)計(jì)的目的是對(duì)繼電器的供電電壓進(jìn)行監(jiān)控，由C8051F021自帶的A/D模塊對(duì)電壓進(jìn)行采樣，并在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示。

C8051F0201有一個(gè)片內(nèi)8位SAR ADC，帶有一個(gè)8通道輸入多路選擇器和可編程增益放大器。該ADC工作在500KSPS的最大采樣速率時(shí)可提供真正的8位精度，INL為±1LSB，可用于8路輸入的測(cè)量。ADC1完全由CIP-51通過(guò)特殊功能寄存器控制。ADC0的電壓基準(zhǔn)可以在模擬電源電壓(AV+)和外部VREF引腳之間選擇。對(duì)于C8051F021器件，ADC1與12/10位的ADC0共享VREFA輸入引腳。可以將ADC1置于關(guān)斷狀態(tài)以節(jié)省功耗。

A/D允許輸入的最大電壓是2.4 V，所以要將輸入端的9V電壓通過(guò)兩個(gè)精密電阻分壓后輸入微控制芯片C8051F021的模擬輸入端口。電壓監(jiān)控電路如圖3所示。

圖2　繼電器驅(qū)動(dòng)電路

圖3　電壓監(jiān)控電路

3　軟件設(shè)計(jì)

3．1軟件設(shè)計(jì)流程分析

圖4　軟件設(shè)計(jì)流程圖

多通道磁保持繼電器機(jī)械壽命試驗(yàn)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主流程圖如圖4所示。控制軟件主要包括繼電器驅(qū)動(dòng)模塊、計(jì)數(shù)模塊、A/D采集模塊、液晶顯示模塊，各模塊分別由不同的子程序組成，各子模塊完成的功能具體體現(xiàn)在：(1)繼電器驅(qū)動(dòng)模塊是本軟件系統(tǒng)的核心，主要功能是驅(qū)動(dòng)30個(gè)磁保持繼電器，使其進(jìn)行連續(xù)的機(jī)械壽命測(cè)試；(2)計(jì)數(shù)模塊通過(guò)對(duì)單片機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)以顯示當(dāng)前繼電器進(jìn)行動(dòng)作的次數(shù)；(3)A/D采集模塊是用C8051F021單片機(jī)自帶的8位A/D集成功能監(jiān)控驅(qū)動(dòng)電壓；(4)液晶顯示模塊是通過(guò)液晶顯示動(dòng)作次數(shù)和A/D采集到的電壓，方便使用人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

程序通過(guò)中斷觸發(fā)，用串口與液晶通信，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試的全自動(dòng)化，以及參數(shù)的即時(shí)顯示。該程序設(shè)置靈活、方便，控制命令可任意條用；程序可靠、穩(wěn)定，能保證測(cè)試工作的持續(xù)性和準(zhǔn)確性。

3．2程序設(shè)計(jì)擴(kuò)展

多通道磁保持繼電器機(jī)械壽命試驗(yàn)控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)由多個(gè)子程序模塊組成，可分別針對(duì)各子模塊功能進(jìn)行修改與升級(jí)，重新整合后即可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁保持繼電器機(jī)械壽命檢測(cè)控制系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)。若還有其他數(shù)據(jù)處理要求，可將測(cè)試數(shù)據(jù)利用RS232串口與其他嵌入式系統(tǒng)通訊，大大擴(kuò)展該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

4　系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)多通道磁保持繼電器機(jī)械壽命試驗(yàn)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)一步設(shè)計(jì)與加工制造，最終完成了多通道磁保持繼電器機(jī)械壽命試驗(yàn)系統(tǒng)裝置，具體實(shí)物如圖5所示。

圖5　磁保持繼電器機(jī)械壽命測(cè)試裝置實(shí)物　

將30個(gè)磁保持繼電器與多通道磁保持繼電器機(jī)械壽命試驗(yàn)控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)端口相連，接上電源，將電源調(diào)至9 V時(shí)，30個(gè)繼電器同時(shí)產(chǎn)生了吸合動(dòng)作，液晶屏實(shí)時(shí)顯示出電壓值及繼電器動(dòng)作次數(shù)，測(cè)得繼電器兩端脈沖信號(hào)如圖6所示。經(jīng)過(guò)1 000 000次試驗(yàn)，繼電器動(dòng)作機(jī)械運(yùn)行，電路正常。

圖6　試驗(yàn)繼電器脈沖信號(hào)圖

5　結(jié)束語(yǔ)

以C8051F201單片機(jī)作為多通道磁保持繼電器機(jī)械壽命試驗(yàn)控制系統(tǒng)的主控單元，設(shè)計(jì)完成了其外圍電源電路、驅(qū)動(dòng)電路、電壓監(jiān)控電路與液晶顯示電路，并針對(duì)繼電器驅(qū)動(dòng)模塊、計(jì)數(shù)模塊采集模塊和液晶顯示模塊的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最終構(gòu)建完成用于多通道磁保持繼電器機(jī)械壽命試驗(yàn)的控制系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)30個(gè)磁保持繼電器進(jìn)行機(jī)械壽命試驗(yàn)，最高可進(jìn)行1，000，000次試驗(yàn)，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，完全滿足磁保持繼電器的機(jī)械壽命試驗(yàn)的測(cè)試要求，為磁保持繼電器的質(zhì)量改進(jìn)與可靠性分析提供了依據(jù)。

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