泰琪丰智能保护市电输入继电器系统

PAGEPAGE14泰琪丰智能保护市电输入继电器系统设计说明书佛山市泰琪丰电子有限公司目录TOC\o"1-3"\h\z一引言 11.1编写目的 11.2背景 1二保护系统电路设计 22.1市电输入采样电路 22.2市电电压到零点检测电路 22.3触发继电器吸合电路 32.4单片机控制电路 42.5保护继电器结构电路总框图 4三保护系统软件设计 63.1编写软件运行环境 63.2系统主程序介绍 63.3系统子程序介绍 7四软件功能设计 134.1系统功能 134.2技术特点 13五软件维护与安全 145.1维护与安全 14一引言1.1编写目的本说明书为指引电器产品开发人员在线路中使用继电器接入市电到机器及断开市电与机器的连通时，必须考虑在市电的何种状态触发继电器动作最有利于产品稳定因素，使开发人员知道市电一个正弦波周期内在不同时间点的电压是不同的，不同时间点的通断会影响继电器机械触点的不同效果，并认识市电的波形特性与继电器吸合时间紧密性。1.2背景很多需要用到继电器来控制市电输入的电器产品容易出现继电器触点起弧烧焦，导致触点接触不良，从而直接影响该产品的稳定性，甚至损坏；更多的技术人员分析触点烧坏的原因归结与继电器的触点过电流不够导致，从而使用触点过电流更大的继电器来解决此现象，导致产品成本增加而未真正解决故障根源。为此本公司开发人员设计开发出智能保护市电输入继电器系统方案，可以有效防止市电输入继电器触点易损坏问题，提升了电器产品这方面的稳定性！因很多的电器产品都需要用到小电流控制大电流的继电器或接触器，若引用上我们开发的市电输入继电器保护系统方案，可克服市电输入继电器易烧坏的弊端，从而大大提升产品的稳定性，其应用非常广泛。二保护系统电路设计2.1市电输入采样电路用来检测输入市电电压：通过电阻限流，电阻分压降压成单片机可接受的电压后直接接到单片机的I/O端口；通过R60接到5V电源是为了把市电的到零点抬高到2.5V，使单片机I/O端口可以检测到市电正半周及负半周的电压。图2.1示：图2.1市电输入采样电路2.2市电电压到零点检测电路用来精确检测市电上半波与下半波到达零点电压的时间：如图2.2所示，市电正弦波通过电阻限流降压，D8半波整流后，当市电是上半波时，因为Q24的导通使单片机端口为低电平，当市电为下半波时，Q24不导通使单片机端口为高电平，单片机高低电平的转换点即为市电正弦波的零电压点。图2.2市电电压到零点检测电路2.3触发继电器吸合电路用来导通及关断继电器线圈电流的电路：如图2.3所示，通过开通及关断三极管Q26的集电极电流即可以控制继电器的工作状态，当单片机输出口给三极管Q26基极电流，三极管导通，继电器触点吸合，接通市电，当关断单片机输出口电流，继电器触点断开。图2.3触发继电器吸合电路2.4单片机控制电路单片机控制电路是智能保护系统控制的核心单元：单片机采用超强抗干扰低功耗的国产宏晶STC15W408AS，内置10位高速A/D转换器，当然这里的单片机其他端口可以在产品的其他需要上，这里只是拿继电器保护部分来陈述。图2.4单片机控制电路2.5保护继电器结构电路总框图智能保护继电器主电路由，单片机控制电路，触发继电器吸合电路，市电到零点检测电路，市电输入采样电路组成即可，系统框图如图2.5所示：图2.5系统总框图（1）当单片机的市电采样端口检测到市电在市电设定的可输入市电电压幅值范围时，通过单片机的市电到零点检测端口的电平可确定市电是否已经电压到零点，从而决定单片机触发继电器控制脚输出电平去控制继电器触点在刚好市电的零电压点接触，避免电流产生的飞弧烧继电器触点。（2）市电输入电压采样是通过单片机I/O口检测正弦波的峰值电压来计算当前市电电压值。（3）市电电压到零点：即市电的每个正弦波周期都是由，零电压正峰值电压零电压负峰值电压，周期性按正弦规律变化，每个周期都会有2个时间点是电压为零状态，只要在零电压状态控制继电器的触点刚好接触，就可很好避免触点电流引起的电弧。（4）触发继电器吸合电路：在给触发继电器电路的三极管基极电流时，虽三极管马上导通，但由于继电器触点转换靠机械方式，所以线圈通电到触点接触到位需要2-10毫秒的时间，此时间因不同类别继电器有不同的时间差，需要通过在线测试来测试此时间的长短，来决定单片机触发继电器信号需提前的时间。三保护系统软件设计3.1编写软件运行环境（1）计算机硬件：选用高档微机或专用服务器，其中：CPU:Pentium2.0或以上；内存(RAM):>=1G；硬盘:100G以上*2(备份)；显示器:15"高分辨率彩显。（2）计算机软件：使用C语言在Windows上的KeiluVision4软件上编写，然后编译成目标代码，通过硬件注入宏晶公司的STC15W408AS(8位)CPU芯片。系统控制程序在CPU芯片上运行，实现检测及保护功能。3.2系统主程序介绍（1）当系统初始化之后，系统对市电到零点端口检测市电到零的时间点，系统可以通过检测到端口由高低电平瞬间变化点设定为市电到零点电压的时间点，再根据需要对市电电压峰值同频率进行检测，当检测到峰值电压在预定范围时，系统提前在到零点电压前T（为不同继电器的吸合时间）毫秒发出控制电流控制吸合继电器电路动作，使继电器触点刚好在市电电压到零点接触，消除触点动作产生的电弧损伤继电器。系统总流程图如图3.1所示：图3.1系统总流程图3.3系统子程序介绍（1）到零点检测到零点检测是本系统的重中之重，到零点检测的准确与否直接关系到继电器吸合位置的精确度，想要提高继电器吸合位置的精确度必须提高到零点检测的采样速度，因此在程序中特别对到零点信号的检测进行了处理，其流程如图3.2所示：图3.2到零点检测流程图市电到零点由单片机的一个I/O口负责检测，当市电处于上半周，I/O口的输入为低电平；当市电处于下半周，I/O口的输入为高电平；系统设定每50us检测一次I/O口输入的状态，每次检测过后保存一次当前I/O口的输入状态。当I/O口输入是高电平，则读取I/O口上一个输入状态，若是低电平，则说明电平进行了翻转，判定当前的市电处于正穿越到零点（负半周穿越到正半周）。当I/O口输入是低电平，则读取I/O口上一个输入状态，若是高电平，则说明电平进行了翻转，判定当前的市电处于负穿越到零点（正半周穿越到负半周）。（2）防止市电误检测当市电电压比较低的时候，到零点电路在市电为正半周时，因为导通三极管时存在导通压降，影响了频率和市电电压的检测，为了提高市电判断的稳定性，本系统在市电检测过程中，当检测到市电电压比较低的情况，自动判定为无市电输入，其流程图如图3.3所示： 图3.3防止市电误检测流程图系统在采样到市电电压时，先对检测到的电压值进行判断，如果累计2s市电电压比设定值高(设定值要根据具体的硬件电路进行设置)，则判定为有市电输入，如果连续检测到市电电压比设定值低，则定为无市电输入。 （3）市电电压和位置检测在本系统市电电压采用市电峰值检测，为了提高检测的精度，调用单片机的10位A/D转换器对市电检测输入值进行检测。其流程图如图3.4所示：图3.4市电电压和位置检测流程图利用单片机一个带A/D功能的I/O口对市电电压进行10位A/D检测，市电电压每400us检测一次，系统加入防止市电误检测功能，如果市电电压持续累计2s大于设定值才判定为有市电输入。若市电连续10ms小于设定值则判定为市电不正常。在有市电输入的情况下首先判断此时刻是否为到零点，若不是，则通过对比求出当前市电的峰值，若为到零点，则求出一个周期内的市电电压值等于市电的峰值。在市电检测的过程中不断更新当前市电的位置。（4）市电频率检测由于市电频率的不同，则市电的周期也不同，继电器想要在到零点接触，则继电器驱动信号的触发时间就必须与市电频率相对应，准确检测市电频率尤为重要。其流程图如图3.5所示：图3.5市电频率检测流程图要提高频率检测的精度，采样时间是必要因素，因为我们之前已经设定了到零点检测为50us一个周期，当检测到到零点信号时，启用定时器2开始计时，当再次检测检测到到零点，取定时器2的计数值，清零定时器2并且重新开始计数。就可以求出两个到零点相隔的时间，也就是市电的半个周期，根据这个数据我们就可以推算出市电频率了。（5）继电器正时驱动信号设计由于电器产品可能在不同环境下使用，当地的市电输入频率可能会有所不同，加上不同品牌继电器机械结构的差异，则继电器驱动信号的触发必须根据两者的情况而设定的。在系统设计之前我们先要在线测试继电器的吸合时间是多少，假设吸合时间是Tms，再检测到市电半个周期的时间，假设是Zms，那么继电器驱动信号触发时间就是检测到正穿越到零点后的（Z-T）ms，这样就能保证继电器可以在到零点接触了。（6）判断符合继电器吸合条件结合继电器本身的特性和精准的市电跟踪就可以很容易地控制继电器准确地在到零点处接触，其流程图如图3.6所示：图3.6判断符合继电器吸合条件流程图在市电电压符合UPS正常输入范围的情况下，设定继电器吸合位置在市电的上半周，当检测到正穿越到零点后的（Z-T）ms驱动继电器信号，即可使继电器触点刚好在市电电压到零点接触，消除触点动作产生的电弧损伤继电器。四、软件功能设计4.1系统功能：智能保护市电输入继电器控制软件共有6大子系统。到零点检测系统，防止市电误检测系统，市电电压和位置检测系统，市电频率检测系统，继电器驱动信号时机设计系统，判断符合继电器吸合条件系统，从而可以准确保证继电器吸合到位点刚好是市电电压到零点。4.2技术特点智能保护市电输入继电器系统软件通过检测市电的频率及市电的电压，准确锁定市电到零电压点时间，使继电器接触到位时处于零电流状态接通，保证使用继电器输入市电的电器不会因触点动作产生电弧烧坏触点，大大提升了继电器的使用寿命。五、软件维护与安全本套软件系统所涉及的数据存放于