多通道磁保持继电器机械寿命试验控制系统设计

卢玉凤，洪　涛，刘钢海，郑　路，陈家焱

(中国计量学院质量与安全工程学院，浙江杭州　310018)

0　引言

磁保持继电器是近些年发展起来的一种新型继电器，也是一种自动开关，与其他磁继电器一样，对电路起着自动接通和切断作用[1]，它广泛应用于智能电能表单相、两相和三相控制[2]。随着数字式电能表技术的飞速发展和市场的不断扩大，用户对磁保持继电器也提出了愈来愈苛刻的要求，因此，开展磁保持继电器机械寿命试验对保证磁保持继电器在电能表应用中满足可靠性要求与消除故障隐患方面具有深远的意义[3]。

目前，国内广泛用于继电器机械寿命试验所采用的链式电路，不能有效、准确地检测触点信号，同时自动化程度较低[4]。为了克服链式电路的缺点，笔者利用单片机作为主控单元，设计出其外围电源电路、驱动电路、电压监控电路与液晶显示电路，在此基础上，完成相应的软件设计，最终构建完成了一套磁保持继电器机械寿命试验系统。该系统目前工作稳定，抗干扰能力强，功能完备；同时该装置价格便宜，操作方便，对完成磁保持继电器机械寿命可靠性指标考核具有重要的应用价值。

1　控制系统总体设计

根据磁保持继电器制造厂商的实际生产需要，对多通道磁保持继电器机械寿命试验控制系统的总体要求是可同时对30个通道的磁保持继电器进行机械寿命试验，并且试验电压根据试验要求不同可以调节，测试数据与试验结果通过液晶屏实时显示。

该控制系统设计是以C8051F021单片机作为核心控制部件，辅以降压稳压电源电路模块、电压监控电路模块、继电器驱动电路模块及液晶显示模块等。电源电路模块是为整个系统的工作提供稳定的电压、足够的功率以及适当的保护；电压监控电路模块是对继电器的供电电压进行监控；继电器驱动模块是为同时驱动30个继电器进行动作测试提供驱动能力；液晶显示模块是对测试数据与试验结果进行实时显示。多通道磁保持继电器机械寿命试验控制系统设计的总体框图如图1所示。

图1　系统总体框图

由于系统内部和外部的各种电气干扰，以及系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺和外部环境条件等因素的存在，会对控制设备造成一定的干扰。干扰的后果主要表现在控制状态失灵、数据受干扰发生变化、程序运行失常等方面。为了使多通道磁保持继电器机械寿命试验控制系统运行稳定，在硬件与软件设计都采取了一些提高系统可靠性的措施，具体体现在：在一些电路中加入合适的旁路电容和去耦电容，以平滑输入信号；遵守PCB制板的抗干扰原则；采用光耦隔离主控制电路板与驱动继电器电路；采用经过品质认证，并经过实际使用证明品质好、可靠性高的成熟、通用元器件。

2　硬件设计

2．1MCU单元电路

多通道磁保持继电器机械寿命试验控制系统设计中需要多个的I/O口和JTAG下载调试接口，同时考虑到系统后期的进一步扩展与升级等问题，经综合考虑，该控制系统设计的MCU单元选用高性价比的C805IF021单片机。C8051F0201单片机的特性具体表现在[5]：C8051F0201器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，它具有32个数字I/O引脚，高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核和全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)，还有64K字节可在系统编程的FLASH存储器，而且自带8位500 KSPS的ADC及5个通用的16位定时器。

控制系统设计中单片机的P0.3～P0.5分别接LCD12864液晶的数据/指令选择(RS)、读/写选择(R/W)、读写使能(EN)三个端口。P1.0～P1.7、P2.0～P2.7、P3.0～P3.7通过光耦隔离电路连接控制30个磁保持继电器动作的4个L298芯片。控制系统设计还需利用单片机的A/D、定时、中断、串口传输功能，片内JTAG调试电路能够实现安装在最终应用系统上的MCU进行非侵入式(不占用片内资源)、全速系统调试，同时该调试电路支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令，这样在使用JTAG调试程序时，所有模拟和数字外设都可全功能运行，这对后期进行程序调试带来极大的便利。

2．2电源电路设计

电源电路是整个控制系统设计的重要组成部分。由于多通道磁保持继电器机械寿命试验控制系统3个主要模块需要不同电压驱动，即C8051F021需要3.3 V驱动、液晶模块需要5 V电压驱动、继电器驱动模块需要9 V电压供电，所以电源电路设计模块必须考虑如何提供3.3 V、5 V和9 V3种不同电压。常用的电源有串联型线性稳压电源(LM2940、7805等)和开关型稳压电源(LM2596、LM2575等)两大类。前者具有电路结构简单、纹波较小的优点，但是效率低、功耗大；后者功耗小，效率高，但电路却复杂，电路的纹波大。

对于控制系统中的显示模块，需要稳定的5 V电源，因此可选用稳压的线性度非常好的LM2940-5或7805对其进行供电；LM2596-5转换效率高，带载能力大，但有一个缺点就是其纹波电压大。设计中5 V主要是给显示屏供电，功耗小，所以优先选用7805。7805是三端正电源稳压电路，有固定的输出电压5 V，由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏。如果能够提供足够的散热片，它就能提供大于1.5 A的输出电流。虽然是按照固定电压值来设计的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流。

对于单片机，需要提供稳定的3.3 V电源，LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2 V输出，负载电流为800 mA时为1.2 V．它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.25～13.8 V输出电压范围，另外还有5个固定电压输出(1.8 V、2.5 V、2.85 V、3.3 V和5 V)的型号。 LM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252 D-PAK封装。输出端需要一个至少10 μF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。系统选用的是LM1117-3.3 V，SOT-223封装。

2．3继电器驱动电路设计

驱动继电器的方式有很多。常用的双向驱动继电器芯片BL8023采用了脉冲触发和电平触发两种方式。该控制系统设计选用的是脉冲触发。

驱动磁保持继电器的的方法有很多种，除前面的BL8023外，还可以由IR2110组成的驱动电路发出脉冲信号，驱动由MOSFET组成的H桥双向导通。H桥的负载为磁保持继电器的线圈，正反2个方向的脉冲流过继电器线圈，使其在2个稳态之间切换[7]。还可以有L298芯片驱动。因为较BL8023，L298可通过的电流大，驱动功率大，若用L298驱动磁保持继电器，则一个芯片便可驱动多个磁保持继电器。由于控制系统设计是需要同时驱动30个磁保持继电器，所以选用L298驱动磁保持继电器。考虑到继电器数量太多负载过大，设计采用4个L298芯片驱动继电器，每个芯片驱动6～8个继电器，设计的驱动继电器输出电路如图2所示。在驱动继电器输出电路和微控制器电路之间，设计一光耦隔离电路。光耦隔离的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点。

2．4电压监控电路

电压监控电路设计的目的是对继电器的供电电压进行监控，由C8051F021自带的A/D模块对电压进行采样，并在液晶屏上实时显示。

C8051F0201有一个片内8位SAR ADC，带有一个8通道输入多路选择器和可编程增益放大器。该ADC工作在500KSPS的最大采样速率时可提供真正的8位精度，INL为±1LSB，可用于8路输入的测量。ADC1完全由CIP-51通过特殊功能寄存器控制。ADC0的电压基准可以在模拟电源电压(AV+)和外部VREF引脚之间选择。对于C8051F021器件，ADC1与12/10位的ADC0共享VREFA输入引脚。可以将ADC1置于关断状态以节省功耗。

A/D允许输入的最大电压是2.4 V，所以要将输入端的9V电压通过两个精密电阻分压后输入微控制芯片C8051F021的模拟输入端口。电压监控电路如图3所示。

图2　继电器驱动电路

图3　电压监控电路

3　软件设计

3．1软件设计流程分析

图4　软件设计流程图

多通道磁保持继电器机械寿命试验控制系统软件设计主流程图如图4所示。控制软件主要包括继电器驱动模块、计数模块、A/D采集模块、液晶显示模块，各模块分别由不同的子程序组成，各子模块完成的功能具体体现在：(1)继电器驱动模块是本软件系统的核心，主要功能是驱动30个磁保持继电器，使其进行连续的机械寿命测试；(2)计数模块通过对单片机发出的脉冲数进行计数以显示当前继电器进行动作的次数；(3)A/D采集模块是用C8051F021单片机自带的8位A/D集成功能监控驱动电压；(4)液晶显示模块是通过液晶显示动作次数和A/D采集到的电压，方便使用人员进行实时监控。

程序通过中断触发，用串口与液晶通信，实现了测试的全自动化，以及参数的即时显示。该程序设置灵活、方便，控制命令可任意条用；程序可靠、稳定，能保证测试工作的持续性和准确性。

3．2程序设计扩展

多通道磁保持继电器机械寿命试验控制系统软件程序设计由多个子程序模块组成，可分别针对各子模块功能进行修改与升级，重新整合后即可实现对磁保持继电器机械寿命检测控制系统的二次开发。若还有其他数据处理要求，可将测试数据利用RS232串口与其他嵌入式系统通讯，大大扩展该系统的应用范围。

4　系统测试与结果分析

通过对多通道磁保持继电器机械寿命试验系统的机械结构部分进一步设计与加工制造，最终完成了多通道磁保持继电器机械寿命试验系统装置，具体实物如图5所示。

图5　磁保持继电器机械寿命测试装置实物　

将30个磁保持继电器与多通道磁保持继电器机械寿命试验控制系统对应的驱动端口相连，接上电源，将电源调至9 V时，30个继电器同时产生了吸合动作，液晶屏实时显示出电压值及继电器动作次数，测得继电器两端脉冲信号如图6所示。经过1 000 000次试验，继电器动作机械运行，电路正常。

图6　试验继电器脉冲信号图

5　结束语

以C8051F201单片机作为多通道磁保持继电器机械寿命试验控制系统的主控单元，设计完成了其外围电源电路、驱动电路、电压监控电路与液晶显示电路，并针对继电器驱动模块、计数模块采集模块和液晶显示模块的软件进行了设计，最终构建完成用于多通道磁保持继电器机械寿命试验的控制系统。测试结果表明，该控制系统可同时实现30个磁保持继电器进行机械寿命试验，最高可进行1，000，000次试验，系统实际运行稳定，抗干扰能力强，完全满足磁保持继电器的机械寿命试验的测试要求，为磁保持继电器的质量改进与可靠性分析提供了依据。

参考文献：

[1]JB/T 10923—2010 电子式电能表用磁保持继电器．

[2]王凯，李杏春，王占国．磁保持继电器在预付费电能表中的控制方案．仪表技术与传感器，2008(12)：75-77．

[3]胡云华．磁保持继电器触点的选择问题探讨．仪表技术与传感器，2011(11)：53-55．

[4]宋海敏，吴金良，沈旭光．磁保持继电器参数性能测试仪：中国，201020624655．3[P]．2011-07-06．

[5]李群芳，张士军，黄建．单片微型计算机与接口技术.3版．北京：北京电子工业出版社，2010．

[6]杜太行．继电器电寿命试验计算机测控技术与数据处理技术：[学位论文]，河北：河北工业大学，2002．

[7]王凯，李杏春，王占国．一种磁保持继电器驱动电路的设计．仪器仪表用户，2008(3)：66-67．

[8]李玲等．单片机串行数据采集/传输模块的设计．西安：西安电子科技大学出版社，2004．

[9]方明义，陈新春，刘静然，等．继电器测试设备的研究与应用．现代电子技术，2012，35(8)：185-187．