电能表中的继电器防误动电路设计

方明义+孙强

摘 要： 针对电子行业各种开关驱动电路有各种微控芯片控制，由于电源干扰、端口状态等各种因素的存在造成误动的实际情况，介绍一种防止误动的设计方案。采用电源检测、电子开关、电子保护等电路实现精准控制。该方案简单实用，成本低，已在智能电表中得到应用，有一定的参考应用价值。

关键词： 驱动电路； 微控芯片； 误动； 磁保持继电器

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）22?0141?02

Design of relay malfunction prevention circuit in electric energy meter

FANG Ming?yi， SUN Qiang

（Henan XJ Metering Co.， Ltd.， Xuchang 461000， China）

Abstract： Various switch driving circuits are controlled by a variety of micro?control chips. Since many factors such as power interference and port status may cause malfunction， a design scheme to prevent malfunction is introduced in this paper. The circuits of power testing， electronic switch and electronic protection are adopted in this scheme to achieve precise control. The scheme is simple and practical， and has low cost. The circuit has been applied in the smart meters， and has a reference value.

Keywords： drive circuit； micro?controller chip； malfunction； latching relay

0 引 言

在电子技术高度发达的今天，各种电气设备无处不在，然而电气回路的切换，通常有继电器等可控器件构成，电路开断与闭合都离不开电子驱动电路[1]。如何实现特殊要求电路保护[2]，防止误动[3]的出现，是设计人员必须慎重考虑的问题之一，在军工、医疗等关键设备中尤为重要。

本文介绍一种在现有典型继电器驱动电路基础之上，进行电路设计[4]改进，解决电子驱动电路不可靠性问题的方法，并在电能表得到广泛应用。

1 磁保持继电器典型驱动原理图

磁保持继电器[5]是一种开关器件。与其他电磁继电器一样，对电路起着自动接通和切断作用。所不同的是，磁保持继电器的常闭或常开状态完全是依赖永久磁钢的作用，其开关状态的转换是靠通过给线圈施加正和负直流电压使其切换。磁保持继电器开、断状态改变后，不需要电压保特，要想状态改变，必须加反向电压。

磁保持继电器状态改变后，由于不需要给继电器线圈继续通电而状态保持不变的优点，因而在低功耗[6]领域的电能表中得到广泛应用，驱动电路如图1所示。

图1 驱动电路

当控制端口PORT1为高电平，PORT2为低电平时，三极管Q2，Q4导通工作，继电器的接入端“2”为“+”，接入端“1”为“-”，继电器线圈通电，继电器触点状态翻转；相反，当控制端口PORT2为高电平，PORT1为低电平时，三极管Q1，Q3导通工作，继电器的接入端“2”为“-”，接入端“1”为“+”，继电器线圈通电，继电器触点状态再次翻转。继电的状态翻转时，驱动脉冲宽度大于30 ms，一般取100 ms左右即可。

控制端口PORT1，PORT2同时出现低电平时，Q1，Q2，Q3，Q4三极管不导通，该驱动电路停止给继电器线圈通电，以降低电源功耗。

2 电路误动的可能性

磁保持继电器驱动电路正常工作时，可以保证继电器正常工作。但在以下情况出现时，有可能造成继电器的误动，用户不能正常使用电气设备。

微控芯片采用51系列[7]，存在误动可能。其原因首先是，其I/O端口大部分是准双向口[8]，在复位期间全部输出高电平，在复位期间，这一输出电平状态极其不稳定；其次，在上电时，由于电路中电容的存在，电压不能突变，存在一过渡过程，由于电路参数差异，复位时间长短不同。最后，电路所用器件技术参数差异，有可能使相对应的三极管导通，会导致磁保持继电器驱动线圈得电，继电器的状态出现翻转，从而造成磁保持继电器误动。然而，对于诸如MICROCHIP、TI等厂家的微控芯片，由于I/O端口为标准双向口[9]，在复位期间，所有端口处于没有上拉电阻的输入状态——高阻态，管脚电平完全由外部电路决定，因而端口状态稳定，不存在误动现象。

3 电路设计改进

上述现象的存在原因可总结为两点：其一，微控芯片端口输出不可控是造成继电器误动的主要原因，其二，设备上电过程中，电源电压的不稳定是造成继电器误动产生的另一因素。为解决这一问题，提出以下解决方案：电源部分增加可控器件，使电源在达到整个系统正常工作电压之前，切断磁保持继电器的供电电源。电路改进如图3所示，根据微控芯片电源要求和继电器驱动电源之间的关系，合理配置稳压二极管、电阻R1，R2参数，既要保证继电器可靠驱动的电源要求，又要保证微控芯片程序可靠运行之前，使继电器驱动电源开关三极管[10]处于断开状态。上电初始，电源电压上升到微控芯片程序可靠运行之前，三极管Q5处于截止状态，整个继电器驱动电路无电源，无论微控芯片I/O端口为何种状态，继电器线圈两端均无电压差，这样，继电器就不会产生误动。

根据不同继电器电路驱动要求，Q5，R9，R10，D1参数做相应修改。

图2 改进后驱动电路

4 结 语

通过对原来电路的改进，并应用于单相电子电能表，彻底解决了由于上述原因造成的继电器误动。同时，也为其他电路的改进提供一种方法。

参考文献

[1] 张建华.数字电子技术[M].北京：机械工业出版社，1994.

[2] 康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3] 刘润华.现代电子系统设计[M].东营：石油大学出版社，1998.

[4] 吴锡龙.电路分析[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5] 于歆杰，朱桂萍，陆文娟.电路原理[M].北京：电子工业出版社，2009.

[6] 何立民.单片机高级教程：应用与设计[M].北京：清华大学出版社，2007.

[7] 梅丽凤，赫万新.单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2008.

[8] 胡汉才.单片机原理与接口技术[M].北京：清华大学出版社，2004.

[9] 卢艳君.单片机原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

[10] 张海涛.嵌入式的设计与应用[M].北京：科学出版社，2007.

摘 要： 针对电子行业各种开关驱动电路有各种微控芯片控制，由于电源干扰、端口状态等各种因素的存在造成误动的实际情况，介绍一种防止误动的设计方案。采用电源检测、电子开关、电子保护等电路实现精准控制。该方案简单实用，成本低，已在智能电表中得到应用，有一定的参考应用价值。

关键词： 驱动电路； 微控芯片； 误动； 磁保持继电器

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）22?0141?02

Design of relay malfunction prevention circuit in electric energy meter

FANG Ming?yi， SUN Qiang

（Henan XJ Metering Co.， Ltd.， Xuchang 461000， China）

Abstract： Various switch driving circuits are controlled by a variety of micro?control chips. Since many factors such as power interference and port status may cause malfunction， a design scheme to prevent malfunction is introduced in this paper. The circuits of power testing， electronic switch and electronic protection are adopted in this scheme to achieve precise control. The scheme is simple and practical， and has low cost. The circuit has been applied in the smart meters， and has a reference value.

Keywords： drive circuit； micro?controller chip； malfunction； latching relay

0 引 言

在电子技术高度发达的今天，各种电气设备无处不在，然而电气回路的切换，通常有继电器等可控器件构成，电路开断与闭合都离不开电子驱动电路[1]。如何实现特殊要求电路保护[2]，防止误动[3]的出现，是设计人员必须慎重考虑的问题之一，在军工、医疗等关键设备中尤为重要。

本文介绍一种在现有典型继电器驱动电路基础之上，进行电路设计[4]改进，解决电子驱动电路不可靠性问题的方法，并在电能表得到广泛应用。

1 磁保持继电器典型驱动原理图

磁保持继电器[5]是一种开关器件。与其他电磁继电器一样，对电路起着自动接通和切断作用。所不同的是，磁保持继电器的常闭或常开状态完全是依赖永久磁钢的作用，其开关状态的转换是靠通过给线圈施加正和负直流电压使其切换。磁保持继电器开、断状态改变后，不需要电压保特，要想状态改变，必须加反向电压。

磁保持继电器状态改变后，由于不需要给继电器线圈继续通电而状态保持不变的优点，因而在低功耗[6]领域的电能表中得到广泛应用，驱动电路如图1所示。

图1 驱动电路

当控制端口PORT1为高电平，PORT2为低电平时，三极管Q2，Q4导通工作，继电器的接入端“2”为“+”，接入端“1”为“-”，继电器线圈通电，继电器触点状态翻转；相反，当控制端口PORT2为高电平，PORT1为低电平时，三极管Q1，Q3导通工作，继电器的接入端“2”为“-”，接入端“1”为“+”，继电器线圈通电，继电器触点状态再次翻转。继电的状态翻转时，驱动脉冲宽度大于30 ms，一般取100 ms左右即可。

控制端口PORT1，PORT2同时出现低电平时，Q1，Q2，Q3，Q4三极管不导通，该驱动电路停止给继电器线圈通电，以降低电源功耗。

2 电路误动的可能性

磁保持继电器驱动电路正常工作时，可以保证继电器正常工作。但在以下情况出现时，有可能造成继电器的误动，用户不能正常使用电气设备。

微控芯片采用51系列[7]，存在误动可能。其原因首先是，其I/O端口大部分是准双向口[8]，在复位期间全部输出高电平，在复位期间，这一输出电平状态极其不稳定；其次，在上电时，由于电路中电容的存在，电压不能突变，存在一过渡过程，由于电路参数差异，复位时间长短不同。最后，电路所用器件技术参数差异，有可能使相对应的三极管导通，会导致磁保持继电器驱动线圈得电，继电器的状态出现翻转，从而造成磁保持继电器误动。然而，对于诸如MICROCHIP、TI等厂家的微控芯片，由于I/O端口为标准双向口[9]，在复位期间，所有端口处于没有上拉电阻的输入状态——高阻态，管脚电平完全由外部电路决定，因而端口状态稳定，不存在误动现象。

3 电路设计改进

上述现象的存在原因可总结为两点：其一，微控芯片端口输出不可控是造成继电器误动的主要原因，其二，设备上电过程中，电源电压的不稳定是造成继电器误动产生的另一因素。为解决这一问题，提出以下解决方案：电源部分增加可控器件，使电源在达到整个系统正常工作电压之前，切断磁保持继电器的供电电源。电路改进如图3所示，根据微控芯片电源要求和继电器驱动电源之间的关系，合理配置稳压二极管、电阻R1，R2参数，既要保证继电器可靠驱动的电源要求，又要保证微控芯片程序可靠运行之前，使继电器驱动电源开关三极管[10]处于断开状态。上电初始，电源电压上升到微控芯片程序可靠运行之前，三极管Q5处于截止状态，整个继电器驱动电路无电源，无论微控芯片I/O端口为何种状态，继电器线圈两端均无电压差，这样，继电器就不会产生误动。

根据不同继电器电路驱动要求，Q5，R9，R10，D1参数做相应修改。

图2 改进后驱动电路

4 结 语

通过对原来电路的改进，并应用于单相电子电能表，彻底解决了由于上述原因造成的继电器误动。同时，也为其他电路的改进提供一种方法。

参考文献

[1] 张建华.数字电子技术[M].北京：机械工业出版社，1994.

[2] 康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3] 刘润华.现代电子系统设计[M].东营：石油大学出版社，1998.

[4] 吴锡龙.电路分析[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5] 于歆杰，朱桂萍，陆文娟.电路原理[M].北京：电子工业出版社，2009.

[6] 何立民.单片机高级教程：应用与设计[M].北京：清华大学出版社，2007.

[7] 梅丽凤，赫万新.单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2008.

[8] 胡汉才.单片机原理与接口技术[M].北京：清华大学出版社，2004.

[9] 卢艳君.单片机原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

[10] 张海涛.嵌入式的设计与应用[M].北京：科学出版社，2007.

摘 要： 针对电子行业各种开关驱动电路有各种微控芯片控制，由于电源干扰、端口状态等各种因素的存在造成误动的实际情况，介绍一种防止误动的设计方案。采用电源检测、电子开关、电子保护等电路实现精准控制。该方案简单实用，成本低，已在智能电表中得到应用，有一定的参考应用价值。

关键词： 驱动电路； 微控芯片； 误动； 磁保持继电器

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）22?0141?02

Design of relay malfunction prevention circuit in electric energy meter

FANG Ming?yi， SUN Qiang

（Henan XJ Metering Co.， Ltd.， Xuchang 461000， China）

Abstract： Various switch driving circuits are controlled by a variety of micro?control chips. Since many factors such as power interference and port status may cause malfunction， a design scheme to prevent malfunction is introduced in this paper. The circuits of power testing， electronic switch and electronic protection are adopted in this scheme to achieve precise control. The scheme is simple and practical， and has low cost. The circuit has been applied in the smart meters， and has a reference value.

Keywords： drive circuit； micro?controller chip； malfunction； latching relay

0 引 言

在电子技术高度发达的今天，各种电气设备无处不在，然而电气回路的切换，通常有继电器等可控器件构成，电路开断与闭合都离不开电子驱动电路[1]。如何实现特殊要求电路保护[2]，防止误动[3]的出现，是设计人员必须慎重考虑的问题之一，在军工、医疗等关键设备中尤为重要。

本文介绍一种在现有典型继电器驱动电路基础之上，进行电路设计[4]改进，解决电子驱动电路不可靠性问题的方法，并在电能表得到广泛应用。

1 磁保持继电器典型驱动原理图

磁保持继电器[5]是一种开关器件。与其他电磁继电器一样，对电路起着自动接通和切断作用。所不同的是，磁保持继电器的常闭或常开状态完全是依赖永久磁钢的作用，其开关状态的转换是靠通过给线圈施加正和负直流电压使其切换。磁保持继电器开、断状态改变后，不需要电压保特，要想状态改变，必须加反向电压。

磁保持继电器状态改变后，由于不需要给继电器线圈继续通电而状态保持不变的优点，因而在低功耗[6]领域的电能表中得到广泛应用，驱动电路如图1所示。

图1 驱动电路

当控制端口PORT1为高电平，PORT2为低电平时，三极管Q2，Q4导通工作，继电器的接入端“2”为“+”，接入端“1”为“-”，继电器线圈通电，继电器触点状态翻转；相反，当控制端口PORT2为高电平，PORT1为低电平时，三极管Q1，Q3导通工作，继电器的接入端“2”为“-”，接入端“1”为“+”，继电器线圈通电，继电器触点状态再次翻转。继电的状态翻转时，驱动脉冲宽度大于30 ms，一般取100 ms左右即可。

控制端口PORT1，PORT2同时出现低电平时，Q1，Q2，Q3，Q4三极管不导通，该驱动电路停止给继电器线圈通电，以降低电源功耗。

2 电路误动的可能性

磁保持继电器驱动电路正常工作时，可以保证继电器正常工作。但在以下情况出现时，有可能造成继电器的误动，用户不能正常使用电气设备。

微控芯片采用51系列[7]，存在误动可能。其原因首先是，其I/O端口大部分是准双向口[8]，在复位期间全部输出高电平，在复位期间，这一输出电平状态极其不稳定；其次，在上电时，由于电路中电容的存在，电压不能突变，存在一过渡过程，由于电路参数差异，复位时间长短不同。最后，电路所用器件技术参数差异，有可能使相对应的三极管导通，会导致磁保持继电器驱动线圈得电，继电器的状态出现翻转，从而造成磁保持继电器误动。然而，对于诸如MICROCHIP、TI等厂家的微控芯片，由于I/O端口为标准双向口[9]，在复位期间，所有端口处于没有上拉电阻的输入状态——高阻态，管脚电平完全由外部电路决定，因而端口状态稳定，不存在误动现象。

3 电路设计改进

上述现象的存在原因可总结为两点：其一，微控芯片端口输出不可控是造成继电器误动的主要原因，其二，设备上电过程中，电源电压的不稳定是造成继电器误动产生的另一因素。为解决这一问题，提出以下解决方案：电源部分增加可控器件，使电源在达到整个系统正常工作电压之前，切断磁保持继电器的供电电源。电路改进如图3所示，根据微控芯片电源要求和继电器驱动电源之间的关系，合理配置稳压二极管、电阻R1，R2参数，既要保证继电器可靠驱动的电源要求，又要保证微控芯片程序可靠运行之前，使继电器驱动电源开关三极管[10]处于断开状态。上电初始，电源电压上升到微控芯片程序可靠运行之前，三极管Q5处于截止状态，整个继电器驱动电路无电源，无论微控芯片I/O端口为何种状态，继电器线圈两端均无电压差，这样，继电器就不会产生误动。

根据不同继电器电路驱动要求，Q5，R9，R10，D1参数做相应修改。

图2 改进后驱动电路

4 结 语

通过对原来电路的改进，并应用于单相电子电能表，彻底解决了由于上述原因造成的继电器误动。同时，也为其他电路的改进提供一种方法。

参考文献

[1] 张建华.数字电子技术[M].北京：机械工业出版社，1994.

[2] 康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3] 刘润华.现代电子系统设计[M].东营：石油大学出版社，1998.

[4] 吴锡龙.电路分析[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5] 于歆杰，朱桂萍，陆文娟.电路原理[M].北京：电子工业出版社，2009.

[6] 何立民.单片机高级教程：应用与设计[M].北京：清华大学出版社，2007.

[7] 梅丽凤，赫万新.单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2008.

[8] 胡汉才.单片机原理与接口技术[M].北京：清华大学出版社，2004.

[9] 卢艳君.单片机原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

[10] 张海涛.嵌入式的设计与应用[M].北京：科学出版社，2007.