竇雪芳，向政勛，羅 浩，陸庭慧，蘇仕靜，鄭 玉

(西南科技大學(xué)，四川 綿陽 621010)

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電表超量程報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)與制作

竇雪芳，向政勛，羅 浩，陸庭慧，蘇仕靜，鄭 玉

(西南科技大學(xué)，四川 綿陽 621010)

當(dāng)指針式電表達(dá)到超量程狀態(tài)時，初學(xué)者仍不注意及時斷開電路，容易造成電表損毀，帶來大筆的維修運(yùn)行費(fèi)用。為此，本文設(shè)計(jì)了三種電表超量程自動報(bào)警裝置的實(shí)驗(yàn)方案，選擇最優(yōu)方案進(jìn)行了實(shí)際制作，達(dá)到以下效果：指針超量程1秒以內(nèi)，LED燈閃爍；指針超量程達(dá)到3秒，則LED燈亮，且蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲；指針超量程達(dá)到5秒，電路系統(tǒng)強(qiáng)制斷路。

指針式電表；超量程；報(bào)警器；光電檢測

電表是測量電路中電壓、電流大小的工具，指針式電表采用磁 電原理工作，驅(qū)動指針運(yùn)動，依靠指針在面板上停留位置來顯示讀數(shù)。目前，電表廣泛用于高校實(shí)驗(yàn)課堂，關(guān)于電路的一些基本操作是高校學(xué)生必備的基礎(chǔ)技能。經(jīng)常有初學(xué)者做實(shí)驗(yàn)時操作不當(dāng)，使指針式電表長時間超量程，導(dǎo)致電流表指針被打彎，嚴(yán)重時電流表被燒毀，這些不良習(xí)慣顯著提高了高校物理實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行成本。因此，設(shè)計(jì)可以報(bào)警的電表超量程裝置是非常必要的。

1 實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)方案

任何測量儀表，都有一個測量的范圍，超過這個范圍即為“超量程”。超量程報(bào)警裝置就是在指針超過量程的時候可以發(fā)出警報(bào)提醒操作人員斷開電路，從而達(dá)到保護(hù)電路的目的。采用單片機(jī)對報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行控制，指針超過量程量程持續(xù)時間不同，報(bào)警器系統(tǒng)輸出不同的警示信號。為實(shí)現(xiàn)此目的，設(shè)計(jì)了以下三種電路方案。

1.1 單片機(jī)控制超量程報(bào)警裝置

在垂直于表盤外的適當(dāng)位置安裝一個激光發(fā)射管，如圖1，同時在表盤上安裝一個激光接收管，并在指針上附小塊的黑色薄膜。當(dāng)指針不在滿量程位置時，接收管接收激光，當(dāng)指針在滿量程位置時，薄膜遮擋光，接收管不能接收光，則將產(chǎn)生的高低電平信號，經(jīng)單片機(jī)處理，再驅(qū)動電路，最后發(fā)出不同的警報(bào)。

圖1 單片機(jī)控制超量程報(bào)警裝置原理圖

1.2 鍍金屬超量程報(bào)警裝置

在指針的適當(dāng)位置鍍上金屬薄膜，如圖2，當(dāng)指針指在滿量程位置時，觸點(diǎn)A，B與金屬薄膜接觸，此時電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，同時LED亮。因?yàn)榱鬟^電表的電流較小，則在電表輸出端將電流轉(zhuǎn)化為電壓，再用此電壓驅(qū)動上面的電路。

1.3 TWH7887超量程報(bào)警裝置

利用TWH7887工作原理，磁化薄金屬片KA安裝在電表的滿量程位置。當(dāng)KA與觸點(diǎn)A、B同時接觸時，電路不工作，當(dāng)指針指在滿量程位置，并使KA與A、B斷開，則電路工作，進(jìn)而蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。

優(yōu)缺點(diǎn)對比：方案二的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定，其缺點(diǎn)是放大器的功耗可能影響負(fù)載。方案三的電路原理簡單，方案的關(guān)鍵是如何使指針到滿量程位置時使KA與A、B斷開，這個問題暫時還沒有完美的解決辦法。相比較而言，方案一的可行性、穩(wěn)定性、創(chuàng)意新都較為突出，具體操作選用單片機(jī)控制的方式作為主要實(shí)施方案。

圖2 鍍金屬超量程報(bào)警裝置原理圖

圖3 TWH7887超量程報(bào)警裝置原理圖

2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對硬件電路先設(shè)計(jì)，再優(yōu)化，最后仿真，采用小功率激光對管，避免指針不能起電平變化，單片機(jī)能穩(wěn)定、高效控制整個系統(tǒng)。

信號檢測模塊的設(shè)計(jì)是在垂直于電表顯示屏的適當(dāng)距離安裝一對激光對管，檢測電表指針是否指在量程位置，進(jìn)而判定是否啟動報(bào)警裝置。采用激光對管產(chǎn)生變化信號，對電表工作狀態(tài)不產(chǎn)生影響。再設(shè)計(jì)光電檢測報(bào)警電路，達(dá)到穩(wěn)定性高、重復(fù)性好的要求。實(shí)驗(yàn)用AT89C52單片機(jī)控制整個報(bào)警系統(tǒng)，AT89C52是一個低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)[1-2]。整個電路輸入電壓為5 V。采用蜂鳴器以及二極管作為超量程報(bào)警電路，蜂鳴器的正極連接到+5 V電源上面，若指針只是瞬間指在滿量程位置，此時產(chǎn)生的高低電平變化信號傳送至單片機(jī)，然后通過單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理使LED燈等閃爍一次；若指針在滿量程位置不到1秒，則LED燈持續(xù)閃爍；若指針在量程位置超過3秒，則LED燈亮，且蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲音；若指針在量程位置持續(xù)5秒，系統(tǒng)會強(qiáng)制斷路。

時鐘模塊采用時鐘芯片實(shí)現(xiàn)，它與單片機(jī)之間能簡單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

圖4 單片機(jī)主程序系統(tǒng)流程圖

在LED可以正常閃爍，蜂鳴器可以正常報(bào)警的情況下，編寫單片機(jī)程序控制整個系統(tǒng)，主程序主要通過調(diào)用子程序來完成整個系統(tǒng)的正常工作。這樣不僅方便程序調(diào)和調(diào)試，而且有助于程序的分塊開發(fā)和集成[3-4]。

2.3 電表報(bào)警裝置成品制作

如圖5所示，硬件電路驅(qū)動系統(tǒng)、激光對管產(chǎn)生變化信號、單片機(jī)處理數(shù)據(jù)并控制報(bào)警器響應(yīng)[3]，通過導(dǎo)線連接制成成品。

圖5 電表超量程報(bào)警裝置實(shí)物圖

3 結(jié)果測試

用導(dǎo)線將各部分連接到一起，打開電源開關(guān)，使整個電路接通，時鐘開始進(jìn)行計(jì)時，開始測試，指針未指在量程位置的情況下，報(bào)警系統(tǒng)不啟動(見圖6)；若指針只是瞬間指在滿量程位置，此時產(chǎn)生的高低電平變化信號傳送至單片機(jī)，然后通過單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理使LED燈等閃爍一次；若指針在滿量程位置1秒以內(nèi)，則LED燈持續(xù)閃爍；若指針在滿量程位置持續(xù)達(dá)3秒，則LED燈亮，且蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲(見圖7)；若指針在量程位置持續(xù)5秒以上，則由系統(tǒng)強(qiáng)制斷路(見圖8)[5-6]。

圖6 指針未達(dá)到滿偏效果圖

圖7 指針在滿量程位置達(dá)3秒效果圖

圖8 指針在滿量程位置達(dá)5秒效果圖

實(shí)測結(jié)果顯示，自制電表超量程報(bào)警裝置，達(dá)到了預(yù)期的效果，在電表超量程的情況下報(bào)警，在沒有及時斷電的情況下自動斷路，切實(shí)達(dá)到了保護(hù)電表不被損壞的目的。

4 結(jié) 論

以AT89C52單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了電表超量程報(bào)警裝置，采用激光對管進(jìn)行信號檢測來判斷電表是否超量程，再進(jìn)行程序設(shè)計(jì)對不同的情況進(jìn)行控制，產(chǎn)生不同的報(bào)警信號。經(jīng)過實(shí)際調(diào)試，改裝儀器運(yùn)行正常，工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠。該裝置在電表上的加載，在避免設(shè)備燒壞節(jié)省維修費(fèi)用的同時，還能培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。此項(xiàng)功能適宜在所有學(xué)生用指針式電表上推廣，可以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)器材，提高產(chǎn)品競爭力，為儀器廠商和教育單位創(chuàng)造更大的效益，具有較高的實(shí)用價值。

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[2] 吳業(yè)旋.基于單片機(jī)控制的紅外報(bào)警器的設(shè)計(jì)[D].德州學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)，2012,11,23.

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The Design and Manufacture of Alarm Device When Electric Meter over Range

DOU Xue-fang,XIANG Zheng-xun,LUO Hao,LU Ting-hui,SU Shi-jing,ZHENG Yu

(Southwest University of Science and Technology,Sichuan Mianyang 621010)

Students using the pointer meters for the first time don’t disconnect the circuit in a timely manner when it beyond the range.The practice of the above is not only to make the pointer meters burn out but also to spend more of the cost of maintenance.It designed the three kinds of solutions about a device that can alarm when pointer meter is out of range.It can choose one of the best solutions to actual production.Finally,LED light can shine when pointer of pointer meters is beyond range for 1 second.LED light can bright and buzzer alarm sound when pointer of pointer meters is beyond range for 3 seconds.Mandatory break circuit system when pointer of pointer meters is beyond range for 5 seconds.

pointer meter；beyond the range；siren；photoelectric detection

2016-05-20

西南科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目(21602/15xnkf07)；西南科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)建設(shè)專項(xiàng)(15kcsj014)；西南科技大學(xué)高教研究專項(xiàng)課題(16gjzx07)。

1007-2934(2016)05-0053-04

O 4-33

A DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.005.015