电磁式继电器特性参数测试仪的设计

崔 鸣，周 燕，陈 杰

(苏州市职业大学 电子信息工程系，江苏 苏州 215104)

本文研制了以ARM微处理器[1-2]STM32F103VBT6为处理控制核心的继电器特性参数自动测量仪，采用液晶显示、数据打印和Flash Disk存储等多种方式输出测试结果，可用于以下参数的测量:①使继电器触点稳定吸合的最小线圈电压;②当继电器触点释放时线圈的最大释放电压;③线圈电压为额定工作电压时的吸合时间;④线圈电压为额定工作电压时的释放时间;⑤线圈电压为额定工作电压时的触点接触电阻等;⑥并能实时监测由于误操作而导致的严重故障.

1 硬件设计

系统的硬件框图如图1所示，主要有ARM微处理器、89S52单片机、A/D转换器、D/A转换器、可调电源、键盘和显示模块等组成.

本系统通过智能化设计实现成套参数的自动测试，设计采用ARM微处理器STM32F103VBT6，该处理器时间的精度高，且自带A/D 转换功能，可减少电路的复杂性.

通过键盘切换测试功能，可分别执行测试继电器最小吸合电压、最大释放电压，线圈电压为额定工作电压时的吸合时间、释放时间和测试触点接触电阻等特性参数，结果可由显示器显示并可通过微型打印机打印，为了能够对继电器特性参数进行长时间大容量保存，系统还采用Flash Disk存储测试参数.另外，系统通过EEPROM预设存储继电器标准参数，测量值自动与标准值比较，若相差太大则终止检测，以避免损坏仪器和被测样品.在测试过程中采用四端法测量，避免线路损耗对测试产生影响，提高了测量精度.

图1 系统硬件框图

1.1 恒流源模块

该部分电路主要产生1.5 A的恒流源[4]，输入到继电器触点电路中用于测量触点常闭常开电阻，恒流源的精度对电阻值测量的精度至关重要.电路由大功率稳压管78H05和精密大功率(10 W)电阻组成[5]，恒流源电路设计如图2所示.

图2 恒流源电路框图

图3 可变电源电路框图

1.2 可调电源模块

该电路在ARM控制下输入0～3 V电压，输出0～15 V直流电压至继电器线圈.可变电源电路设计如图3所示.

1.3 测试最小吸合电压、最大释放电压模块

该模块主要由被测继电器、可变电压源、固态开关等组成，继电器最小吸合电压和最大释放电压测试电路如图4所示.

设置可变电压源输出为0，然后增加电压数值，直到触点闭合为止，此时的电压值即为最小吸合电压;反之，在最小吸合电压基础上，减小电压数值，直到触点释放为止，此时的电压值即为最大释放电压.

大灯功能的执行由大灯控制单元和前部发光二极管(LED)车外灯光促动模块控制(图2)，两个控制单元均位于大灯灯组上，执行不同的任务。

1.4 测试线圈吸合、释放时间模块

该测试模块主要由型号为943-1C-12DS的被测继电器K1、型号为G2R测试辅助继电器K2、ARM微处理、可变电压源等组成，其原理框图如图5所示.

图4 继电器最小吸合电压和最大释放电压测试

微处理器根据本次指定被测继电器的型号，通过D/A转换器控制可变电压源范围在0～15 V之间变化，使继电器达到一定的电压值，通过控制相应的固态开关在线圈两端施加电压，然后检测常开触点是否闭合，若没闭合，可变电压源继续增加数值，直到常开触点闭合为止.

在本电路设计中，考虑到ARM控制电路处理时间及线路损耗的影响，0～15 V的电压不是由可变电阻直接供给，而是在电路中串联一个三极管，由三极管的导通与否来供给电压.

1.5 测试触点接触电阻模块

图5 额定工作电压时的吸合、释放时间测试

该测试模块主要由精密恒流源、固态开关、被测继电器组成.其原理框图如图6所示.

本模块是线圈在额定工作电压为12 V时测试触点接触电阻，恒流源的供电电流为1.5 A，触点释放时电压值的测试点为A端，触点闭合时电压值的测试点为B端.

触点电阻测量属于小电阻测量，一般在200 mΩ以内，所以要求测量系统有较高的精度抗干扰性能，为了消除测量导线电阻和接触电阻对测量精度的影响，采用四端法测量触点电阻(如图7所示)，测量电压时，测试点A应直接接至继电器的引脚上，避免导线电阻和接触电阻对测试结果产生误差.

图6 触点接触电阻测试框图

1.6 测试线圈工作电流模块

本模块测试的额定电压为15 V，通过测试精密电阻两端的电压差得到线圈的工作电流，电路框图如图8所示.

图7 四端法测量触点电阻示意图

图8 线圈工作电流测试框图

2 软件设计

本系统软件设计采用模块化结构，以便修改和调试.主要由主程序、相关数据测试子程序、手动调试子程序组成.软件流程图如图9所示.

3 系统调试与指标

系统测试使用的仪器包括6位半万用表(HP34401A )、电源(PSM-2010)及数字示波器(TD S3052B)等.其测试过程如下.

步骤1:测试最小吸合电压U1.首先设置可变电压源输出为0，然后增加电压数值，直到触点闭合为止，保存此时电压值，并在LCD液晶屏上显示测试出的最小吸合电压值.

图9 软件流程图

步骤2:测试最大释放电压U2.经步骤1测试后，触点处于吸合状态，逐渐减小可变电源电压值，直至检测到释放动作，保存此时电压值，并在LCD液晶屏上显示测试出的最大释放电压值.

步骤3:测试常开触点电阻R1.经步骤2测试后，触点处于释放状态，可变电源供电12 V给继电器，检测触点电压，测量时将测试点接至继电器线圈引脚，避免线路损耗，又因电流恒定，所以，经ARM即可控制输出额定电压下常闭电阻值，将测试得到的电阻值保存并在LCD液晶屏上显示.

步骤4:测试吸合时间t1.经步骤3测试后，触点处于释放状态，可变电源供电12 V给继电器，通过串联三极管保持继电器的电压为12 V，当三极管断开，ARM开始计时，直至检测到常开触点为低电平，ARM终止计时，输出时间差即为额定电压时的吸合时间，保存数据并在LCD液晶屏上显示.

步骤5:测试线圈工作电流I.经步骤4测试后，触点处于吸合状态，将精密电阻R的电压差输入ARM计算得到线圈的工作电流，保存数据并在LCD液晶屏上显示.

步骤6:测试常闭触点电阻R2.经步骤5测试后，触点处于吸合状态，可变电源供电12 V给继电器，检测触点电压，测量时将测试点接至继电器线圈引脚，避免线路损耗，又因电流恒定，所以，经ARM即可输出额定电压下常闭电阻值，将测试得到的电阻值保存并在LCD液晶屏上显示.

步骤7:测试释放时间t2.经步骤6测试后，触点处于吸合状态，可变电源供电12 V给继电器，通过串联三极管保持继电器的电压为12 V，当三极管断开，ARM开始计时，直至检测到低电平，ARM终止计时，经减法器及D/A转换器，输出时间差即为额定电压时的释放时间，保存数据并在LCD液晶屏上显示.

在测试过程中，测试数据被保存在Flash Disk中，可以作为长期保存的数据资料.最后，以上测试的所有数据可以打印输出.测试结果见表1.

表1 测试结果

4 结 论

本设计以ARM微处理器STM32F103VBT6为处理控制核心部件，通过键盘选择测试功能，实现测试继电器943-1C-12DS的各项特性参数，包括:最小吸合电压、最大释放电压;线圈电压为额定工作电压时的吸合时间、释放时间和触点接触电阻.最后测试结果在液晶屏显示，并打印输出结果，为了能实时跟踪继电器参数变化，测试结果被存储在Flash Disk中.本系统能够实现成套参数自动测试.同时在系统设计中考虑消除人为及线路器因素干扰，提高了检测精度和速度，操作方便.

[1] 周立功. ARM嵌入式系统实验教程[M]. 北京:航空航天大学出版社，2005.

[2] 马忠梅，马广云. ARM嵌入式处理器结构与应用基础[M]. 北京:航空航天大学出版社，2002.

[3] 陶孝海. 51单片机C语言编程技巧[J]. 计算机时代，2009(6):41-43.

[4] 胡宴如. 模拟电子技术[M]. 北京:高等教育出版社，2007.

[5] 宋强. 用输出电压可变的三端稳压器设计支流稳压源[J]. 丹东纺专学报，2003，10(1):8-9.