继电器性能检测设计与制毕业设计.docx

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继电器性能检测设计与制毕业设计

毕业设计（论文）

继电器性能检测

Relayperformancetesting

一．选题意义及背景

经过两年的机电专业学习，多门课程接触到继电器的使用。

对于继电器的性能好坏检测并没有加以强调学习，通过此环节学会继电器的性能数据测量，质量好坏的评定。

工程背景强，功能、指标要求明确易懂，易于进入角色开展工作；项目投入少，便于大面积推广。

各项参数差异较大，通过实验可以学习多种测典型测量与数据处理方法。

测量指标可低可高；各项功能可以单项逐一完成，可以自动连续完成，应用单片机、嵌入式处理器或可编程技术可以成为专业测量仪器

主要解决继电器线圈的控制，可控的线圈电压的获得，触点吸合与释放的测量及抖动的消除，电压/电流的测量，微小电阻的测量，电压/电流等模拟量的显示，动作时间等数字量的显示。

二．毕业设计（论文）主要内容：

1、掌握常见继电器的型号与性能数据选择，功能特点。

测试小型电磁式继电器的主要特性参数，测量内容如下：

（最小）吸合电压和（最大）释放电压；额定动作电流；吸合时间、释放时间；接触电阻等。

2、设计制作调试检测仪器，能完成上述数据与性能的检测。

3、论文整理，按照学院要求的格式书写。

三．计划进度：

日期

毕业设计各阶段的任务

2012年7月1日~7月5日

下达任务书，动员，学生准备

2012年7月8日~8月31日

学生查阅资料，确定方案

2012年9月1日~10月31日

学生设计，老师指导

2012年11月1日~11月20日

调试，整理毕业论文

2012年12月25日

论文答辩

四．毕业设计（论文）结束应提交的材料：

1、毕业设计论文

2、制作作品

摘要

本文综合分析了继电器测试技术的现状，阐述了对继电器的测试技术实现的总体设计方案，包括测试依据、所要测试的参数的定义及测试方法。

介绍了继电器主要参数测试的原理及方法，即在继电器测试标准中定义的继电器时间参数、触点接触电阻、线圈电流、动作值及释放值的测试原理及方法，对测试标准中所定义的测试原理及方法和方法的实现进行了阐述。

基于89C51单片机、数字电位器、A/D转换器等器件，设计了一种小型电磁式继电器特征参数自动测量仪，实现了针对继电器各项参数的自动检测功能，并达到较高的检测精度。

关键词：

继电器，时间参数，触动接触电阻，动作值及释放值

TestofRelay'sPerformance

Abstract

Thisarticleprovidescomprehensiveanalysisontherelaytestingtechnologypresentsituation,thispaperexpoundsthetestingtechnologyofrelayitsoveralldesignplan,includingthetestbasis,totestparametersofthedefinitionandtestingmethods.Introducesthemainparametersofrelaytestprincipleandmethod,namelyintherelayteststandarddefinedintherelaytimeparameters,thecontactpointcontactresistance,coilcurrent,actionvalueandreleasevaluetestprincipleandmethod,theteststandarddefinedinthetestprincipleandmethodandtherealizationofthemethodisdiscussed.

Basedonthe89c51,digitalpotentiometer,A/Dconverterdevices,designAkindofsmallelectromagneticrelaycharacteristicparametersautomaticmeasuringinstrument,realizetorelaytheparametersofautomaticdetectionfunction,andachievehigherprecision.

KeywordsElectromagneticrelay，Timeparameter，Touchcontactresistance，Operationvalueandreleasevalue

第一章前言

1.1引言

继电器的参数一般包括以下几个方面:

机械物理参数要求，如触点压力、触点间隙、触点跟踪、复原簧片压力、衔铁动程等项机械参数;电气参数，如线圈电阻、触点接触电阻、吸合电流（电压）、额定工作电流（电压）、释放电流（电压）、额定触点负荷、绝缘电阻、抗电强度等项电气参数;时间参数，如在控制线路中往往提出继电器吸合时间和释放时间等时间参数要求。

随着电力电子技术和计算机技术的不断发展，系统的多功能化、大型化及复杂化要求组成系统的元件的可靠性越来越高。

继电器作为一种电子元器件，其可靠性直接影响整个系统的可靠性。

低压电器测试与试验是保证低压电器产品质量与可靠性的重要手段。

有的时候继电器的触点机械参数（如超程、初压力和终压力等）在继电器装配完成后是无法测试的，而一些电气参数是可以测试的。

我们可以通过这些电气参数间接地、定性地反映触点机械参数的变化，而触点机械参数直接影响触点接触可靠性。

所以电磁继电器的电气参数是保证其产品质量特性的重要参数，可以间接地、定性地描述继电器的可靠性。

1.2继电器测试技术的现状

国外继电器试验方法的制定工作开展较早，1964年美国就发布了美国军用标准MIL-R-39016“电磁继电器总则规范”。

现在美国、日本等发达西方国家的电器试验中普遍采用计算机进行控制与检测，如日本安川公司、松下公司在继电器试验中采用了计算机进行控制与检测的自动试验技术;日本富士通公司在舌簧继电器寿命试验中也采用了计算机控制的测试技术。

总体来看，国外在继电器测试技术以及标准的研究方面做了许多工作。

我国的电器试验方法与标准的研究起步于20世纪70年代末期，80年代中期电器行业开展电磁式中间继电器测试技术的研究。

国内绝大多数电器测试机构、制造厂试验室传统检测触点电压时采用光线示波器，能够很好的绘出继电器在不考虑接通与分断时的尖锋电压及冲击电流时的波形。

但由于示波器振子采用机械式悬丝结构，所以其所能测量的电信号的频率不能太高，无法正确测试及显示触点闭合和断开时的触点接触电阻的变化。

用这种方法测试继电器时间参数也会受到一些因素（例如纹波系数，电源内阻）的影响，从而使得测试到的继电器时间参数不准确。

例如吸合时间按规定是在通以额定电压下进行时间测量的。

在额定电压相同下，纹波系数大的电压，吸力要大一些，所以动作时间就短一些。

相反，纹波系数小的电压，吸力要小一些，动作时间就长一些。

进入90年代以来，继电器的测试虽然出现了一批例如自动监测仪等使用现代化手段的继电器测试技术，但是随着继电器技术的突飞猛进的发展，还是很少出现能达到测试需要的精确度高的测试技术。

也有国内外许多学者和工程技术人员经过长期探索，研究出多种继电器电参数测试技术，在生产及检验的过程中取得了很好的应用成效。

1.3对继电器测试的目的及意义

随着我国工业水平的不断提高，继电器的应用也越来越广泛，电磁继电器作为机电结合的电子元件。

它的主要特点是控制方式简单灵活，触点负载能力强，体积小且价格较低，其断态的高绝缘性和通态的低阻性是其它电子元器件无法与其相比的。

但由于电磁继电器的生产过程中有很多工序仍采用手工操作，造成质量一致性水平较差，在应用过程中经常出现故障，可靠性水平较低。

而且电磁继电器的触点是在电磁吸力的作用下完成开启、关闭等控制动作的，继电器的工作过程实质上是一种机械运动过程。

与依靠晶体内部载流子的运动而工作的半导体开关器件相比，其触点寿命、可靠性及主要失效形式等方面有一定的特殊性。

生产设备中继电器的质量不仅直接关系到生产设备的质量，更关系到操作人员的安全。

但是，电磁继电器在生产中，由于材料、加工、装配等工艺因素影响，可使其电气与机械（或结构）参数有较大的离散性。

而其应用却为工业控制的重要场合，一旦失效，就会对工业生产带来严重后果，所以为严格产品的质量管理，必须在出厂前用检测系统对其进行高效率、客观、全面的检测。

电气参数的测试是为保证继电器在规定的条件下使用时可靠的工作，在继电器闭合和断开时触点接触电阻的变化参数、时间参数和动作值及释放值是电气性能参数的重要参数，它们的大小影响着继电器的操作频率，而且它们直接影响继电器的燃弧及触点寿命。

检测时间参数的目的是检查继电器在线圈施加或切除额定电压时的动作、释放、回跳及稳定时间，这些参数（特别是触点回跳及稳定时间）对继电器通过额定负载是很重要的。

而继电器触点闭合和断开时触点的接触电阻变化的频率比较高，持续时间比较短，这样的信号瞬间对器件本身及系统的影响比较大，所以要采集继电器在闭合和分断时的触点接触电阻的变化曲线。

触点接触电阻的变化的对于研究触点的可靠性具有很重要的作用。

而通过对动作值及释放值的测试和分析，可对继电器是否失效进行初步的判断。

继电器厂家可以根据继电器的测试结果进行分析来改变继电器的结构或触点的材料，进而使继电器的性能更好;为继电器的使用者提供可靠的数据，使用者也可以根据继电器的测试结果设计更好的继电器负载电路，进而提高电路的可靠性。

第二章总体方案设计

2.1测试依据

继电器的触点在闭合和分断的过程中，由于触点间的热的和电的物理过程产生金属液桥、电弧和火花放电等各种现象，引起触点材料的电磨损，以至于影响继电器的可靠性。

所以对继电器进行测试就显得非常有必要了。

通过继电器的测试，不但可以获得继电器的一些关于继电器可靠性的重要技术指标，还有助于分析继电器失效的主要原因，为使用和改进产品设计提供重要依据。

继电器测试技术的研究，己成生产厂商及研究部门的一项重要工作，研究工作主要包括继电器的测试方法、标准以及测试设备。

本课题所研究的继电器测试系统，依据GB/T7261-2000（继电器及继电保护装置基本试验方法）、JB/T3703.2-1995（小型通用电磁继电器试验和测量程序）和GB/T10232-94（有或无机电继电器测试程序）的测试标准（以下简称标准）中的测试要求。

2.2系统方案

随着直流电磁继电器的应用越来越普遍，对于直流电磁继电器的要求也越来越严格。

本课题在研究国内外继电器测试技术研究现状的基础上针对直流电磁继电器的测试技术进行研究，提出了直流电磁继参数测试技术的设计方案，对继电器的电气参数进行了测试和显示。

为了实现继电器参数的高精度和自动化测试。

本系统由测试对象、单片机、恒流源、数字调压器和A/D转换以及显示部分组成。

系统组成框图如图2-1所示。

本系统选用如下器件构建测试电路：

被测继电器线圈控制电压输出由常见的可调集成稳压器LM317与数控电位器X9319共同作用生成，其最大输出电流为2.2A，输出电压范围为1.25～37V；触点电阻测试电路由2个三端固定稳压器LM7805CK并联输出2A恒流，由于触点电阻阻值较小，采用低噪声高精度运算放大器OPA177进行信号放大,放大信号经A/D转换后送给单片机进行处理,这种设计具有测试性能稳定、误差小等优点。

图2-1系统组成框图

2.3触点电阻测试电路

测试接触电阻的流程如图4所示.用LM7805CK产生一个恒流源,由于继电器常闭常开触点电阻很小,所以触点上的压降很小,故需通过运放对电压进行放大,放大电路如图5所示.由89C51单片机控制J1和J2两个继电器切换电路的连接实现自动测试.当J1断开、J2接通时,恒流源产生的电流流经继电器触点,在触点上产生小的压降,通过运放放大的信号由A/D转换器变换后输送给单片机处理,电阻信号转换电路如图2-2所示。

图2-2测试接触电阻的框图

2.4参数的定义及测试方法

（l）线圈电流

线圈电流指继电器绕组线圈中流过的电流大小。

在线圈的供电回路串联一个分流电阻，通过测试分流电阻两端的电压间接测试线圈电流。

（2）触点接触电阻

触点接触电阻是指包括触点输出端在内的（如触点、触点组、内部连接导线、引出端子）整个回路的接触电阻。

测出触点回路的电流和触点两端的电压，利用伏安法可间接测出触点接触电阻。

（3）动作值及释放值

动作值是指继电器激励为零，对线圈突然增加激励量，当触点切换电路时的线圈电压（或电流）值，然后再增加线圈激励量至额定值。

释放值是指对线圈突然降低激励，当触点切换电路时的线圈电压（或电流）值。

测试出这两个值就可以测试出动作值及释放值。

（4）时间参数

时间参数的测试是用示波器观察继电器触点的状态得出各参数的值。

l）触点动作时间:

从施加输入激励规定值的瞬间起至动合触点第一次闭合（或动断触点断开）的瞬间止的时间间隔。

2）触点返回时间:

从断开输入激励规定值的瞬间起至动合触点第一次断开（或动断触点闭合）的瞬间止的时间间隔。

3）触点回跳时间:

对于正在闭和（或断开）其电路的触点，从触点第一次闭和（或断开）的瞬间起至触点电路最终闭和（或断开）的瞬间止的时间间隔。

4）稳定动作时间:

从施加输入激励规定值的瞬间起至动合触点稳定闭合（或动断触点稳定断开）的瞬间的时间间隔。

5）稳定返回时间:

从断开输入激励规定值的瞬间起至动合触点稳定断开（或动断触点稳定闭合）的瞬间的时间间隔。

第三章硬件电路设计

硬件电路设计在应用设计中是非常关键的。

硬件电路正确是软件得以运行的平台，是整个设计的基础。

在很大程度上硬件电路的设计决定着软件的编写，可靠的硬件电路设计是系统正常运行的重要保障。

现在设计应用技术都采用的是模块化的设计，我们设计的硬件电路主要是根据设计要求，把各个模块合理的搭建起来，以构成整个系统。

3.1外接交流电路设计

直流稳压电源系统包括整流器、滤波器、直流稳压器和高频滤波器等几部分，常用的直流稳压电路如图3-1所示。

一般直流稳压电源用的整流器多为单项桥式整流，直流则常用电容滤波。

图3-1中C1为平滑滤波电容，常选用几百～几千μF的瓷片电容，用以减轻整流桥输出电压的脉动。

C2为高频滤波电容，常选用0.01～0.1μF的瓷片电容，用于抑制浪涌的尖峰。

作为直流稳压器件，现在常选用的就是三端稳压器78××和79××系列芯片，这类稳压器结构简单，使用方便，负载稳定度为15mV，具有过电流和输出短路保护，可用于一般微机系统。

三端稳压电源的输出端常接两个电容C3和C4，C3主要起负载匹配作用，常选用几十～几百μF的电解电容；C4为抗高频干扰电容，常选用0.01～0.1μF的瓷片电容。

3-1直流稳压电源

3.2微处理器及其外围电路设计

AT89C51是一个低功耗、高性能的含有4KB闪烁存储器的8位CMOS单片机，与MCS—51的指令系统和引脚完全兼容。

闪烁存储器允许在线电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。

此外，89C51还支持由软件选择的2种掉电工作方式，非常适用于电池供电或其它要求低功耗的场合。

3.2.1时钟电路

单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。

因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。

常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，需要在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体振荡器（简称晶振）和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。

微调电容的阻值一般取10-30pF，对微调电容的值虽然没有严格要求，但电容的大小影响起振的快速性、振荡器的稳定性和振荡器频率的高低。

内部时钟方式的电路如图3-2所示。

另外一种是外部时钟方式，外部时钟方式是使用外部振荡脉冲信号，常用于多片单片机同时工作，以便于多片单片机之间的同步。

故此设计需用内部时钟方式。

图3-2晶体振荡管脚图

单片机执行的指令均是在CPU控制器的时序控制电路的控制下进行的，各种时序均与时钟周期有关。

时钟周期：

单片机的基本单位。

若时钟晶振的振荡频率为f，则时钟周期T=1/f；

机器周期：

CPU完成一个基本操作所需要的时间；

指令周期：

执行一条指令所需要的时间。

3.2.2复位方式

AT89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。

时钟电路工作后，若在外部复位电路作用下，RST端口出现了2个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平，则可以使系统内部复位。

复位有两种方式：

按键复位和上电复位。

本设计使用按键复位，如图3-3所示：

图3-3按键复位电路

3.2.3单片机睡眠

为了满足节省能量的目的，AT89C51设计有空闲和掉电这两种软件控制的节电模式。

配置电源控制寄存器PCON中的PCON.1（即PD）和PCON.0（即IDL）位即可完成这两种工作模式。

PD位用来控制掉电工作模式的，当PD=1时，掉电工作状态被激活，AT89C51进入掉电工作模式。

IDL位是用来控制空闲工作模式的，当IDL=1，空闲工作方式被激活，AT89C51进入睡眠状态。

如果PD=1的同时IDL=1，即需要一起进入两种工作方式，掉电工作方式先被激活。

表3-1PCON：

电源控制器及波特率选择寄存器

SMOD

-

-

POF

GF1

GF0

PD

IDL

 SMOD——波特率倍增位

 GF1、GF0——用户通用标记

 PD——掉电方式控制位，PD＝1时进入掉电模式

 IDL——空闲方式控制位，IDL=1时进入空闲方式

当单片机进入掉电工作方式后，外部中断还在不断工作，其余CPU、振荡器、串行口、定时器等全都停止工作。

程序未涉及到的特殊功能寄存器和数据存储器中的数据都还保持着原来的数据。

让AT89C51进入休眠模式的程序将成为休眠前单片机执行的最后一条程序。

AT89C51处在休眠状态时，可由硬件复位模式换醒，用此方法唤醒后程序将从头开始执行。

另外外部中断低电平或下降沿触发中断也都可以将其从休眠状态换醒，用此方法将其唤醒后，程序将从原来停止的地方继续向下运行。

当单片机进入空闲模式后，只有CPU处于休眠状态，其余硬件都保持在激活状态，程序未涉及到的特殊功寄存器和数据存储器中的数据在单片机空闲期间都还将保持着原来的数值。

如果定时器的运行状态没有停止，则寄存器和计数器中的值还会增加。

任一个中断或硬件复位都可以将空闲模式下的单片机唤醒。

如果用中断来唤醒AT89C51，那么程序将从原来停止的地方继续向下运行。

如果用硬件复位来唤醒AT89C51，程序将从头开始执行。

AT89C51进入空闲模式需运行PCON=0x01；这条语句，在此前面需要运行程序AUXR=0xFF；

表3-2空闲和掉电模式外部引脚状态

模式

程序存储器

ALE

P0

P1

P2

P3

空闲模式

内部

1

1

数据

数据

数据

数据

空闲模式

外部

1

1

浮空

数据

地址

数据

掉电模式

内部

0

0

数据

数据

数据

数据

掉电模式

外部

0

0

浮空

数据

数据

数据

3.2.4中断系统

当CPU正在处理某事件的时候，外部发生的某一事件请求CPU迅速去处理，于是CPU暂时中止当前的工作，转去处理所发生的事件。

中断服务处理完该事件后，再返回到原来被中止的地方继续原来的工作，这样的过程称为中断。

实现中断功能的部件称为中断系统，又称中断机构。

89C51中断系统的结构示意图如图3-4所示。

图3-489C51中断系统的结构示意图

89C51单片机有5个中断源，分别为外部中断0INT0、外部中断1INT1、定时器0溢出中断请求TF0、定时器1溢出中断请求TF1和串行中断请求RI或TI，四个用于中断控制寄存器，分别为定时/计数器及外部中断控制寄存器TCON（用六位）、串行口控制寄存器SCON（用两位）、中断允许控制寄存器IE及中断优先级控制寄存器IP。

5个中断源有两个优先级，每个中断源可以由中断优先级控制寄存器IP编程设置为高优先级或低优先级中断，同级中断源的中断先后由顺序查询逻辑电路决定。

5个中断源分别对应5个固定的中断入口地址。

中断源是中断申请的来源。

89C51通过对4个特殊功能寄存器TCON，SCON，IE和IP的设置来进行中断允许、中断申请方式的控制。

1.定时器/计数器及外部中断控制寄存器TCON

字节地址为88H，每位名称，位地址及含义分述如下：

表3-3TCON参数地址

TCON

TF1

TR1

TF0

TR0

IE1

IT1

IE0

IT0

位地址

8FH

8EH

8DH

8CH

8BH

8AH

89H

88H

TF1：

定时器/计数器T1的溢出中断请求标志位。

当启动T1计数后，T1从预先设置的初值开始加1计数。

当计数器最高位产生溢出时，由硬件使TF1置1，并向CPU发出中断请求。

当CPU响应中断时，由硬件使TF1清零。

TF0：

定时器/计数器T0的溢出中断请求标志位，含义与TF1相同。

IE1：

外部中断1的中断请求标志。

当检测到外部中断引脚P3.3上存在有效的中断请求信号时，由硬件使IE1置1。

当CPU响应该中断请求时，由硬件使IE1清零。

IE0：

外部中断0的中断请求标志位。

其含义与IE1类同。

IT1：

外部中断1的中断触发方式控制位。

IT1为0时，外部中断1为电平触发方式，若外部中断1的引脚P3.3为低电平，则使IE1置1，请求中断。

IT1为1时，外部中断1为边沿触发方式，若CPU检测到外部中断1的引脚P3.3有由高到低的负跳边沿时，则使IE1置1，请求中断。

IT0：

外部中断0的中断触发方式控制位。

其含义与IT1类同。

TR1：

为1时启动定时器/计数器T1，为0时停止定时器/计数器T1。

TR0：

为1时启动定时器/计数器T0，为0时停止定时器/计数器T0。

2.串行口控制寄存器SCON

字节地址为98H，每位名称、位地址及含义如下：

表3-4SCON参数地址

SCON

SM0

SM1

SM2

REN

TB8

RB8

TI

RI

位地址

9FH

9EH

9DH

9CH

9BH

9AH

99H

98H

只用了两位：

TI：

串行口发送中断请求标志。

当CPU发送完一串行数据后，此时SBUF寄存器为空，硬件使TI置1，请求中断。

CPU响应中断后，由软件对TI清零。

RI：

串行口接收中断请求标志。

当串行口接收完一帧串行数据时，此时SBUF寄存器为满，硬件使RI置1，请求中断。

CPU响应中断后，用软件对RI清零。

3.中断允许控制寄存器IE。

字节地址为A8H，每位名称、位地址及含义如下：

表3-5IE参数地址

IE

EA

/

/

ES

ET1

EX1

ET0

EX0

位地址

AFH

ACH

ABH

AAH

A9H

A8H

EA：

中断允许总控制位。

EA=0，禁止所有中断；EA=1，开放所有中断。

但是否允许各中断源的中断请求，还要取决于各中断源的中断允许控制位的状态。

ES：

串行口的中断允许位。

ET1：

定时器/计数器T