单片机控制耐久性试验通断仪 江苏省电子产品监督检验所宋继军吳兰在我国现行的国家标准中对各类产品的质量要求, 除对产品本身的基本性能有规定外, 耐久性 ( 寿命 ) 试验是其主要考核指标 许多产品在质量标准中都对工作寿命作出了确规定, 就电子电器产品而已言, 大到各种家用电器小到各种电子元器件, 都要进行耐久性试验 耐久性试验具体的要求一般是 : 在额定的工作负荷下 ( 或大于额定的工作负荷 ) 电子产品连续进行通 X 小时 断 小时, 累计 Z 次 ( 小时 ) 试验以后产品基本性能参数必须保持在允许的变化范围内 以电子电器产品常用的元器件 -- 电阻器为例, 国家标准 GB/T5729-2001 第 4.25 条规定, 在额定的工作电压下, 电阻器通电 1.5 小时, 断电 0.5 小时, 连续进行工作 1000 小时, 试验后其电阻值的变化应不超过 10% 这就是典型的耐久性试验要求 类似的许多电子产品特别是电子元器件产品如 : 电容器 灯具 发光管 电源开关等其耐久性 ( 寿命 ) 试验根据相应的国家标准规定, 其通 / 断电时间从 1 秒到几小时不等 ; 其连续通断时间从 200 小时到 5000 小时不等 这一切的实现就需要耐久性试验通断控制装置来对试验通断 / 计数进行有效控制, 以满足国家标准对试验的要求 目前在专业检测实验室或制造厂进行的电子电器产品的耐久性试验中, 常常运用时间继电器来控制对试验样品的电压 ( 电流 ) 的通 断时间 其方法一般分为两种, 一是直接控制输入法 : 时间继电器的接入直接串联在负荷设备电源回路中, 对负荷电源通断进行直接控制 这种方法的特点是简单 方便, 但由于时间继电器是直接控制交流输入端, 故存在安全隐患, 并且交流 ( 直流 ) 电源装置也长期处于通断状态, 使交流 ( 直流 ) 电源装置使用寿命大大缩短 而且由于时间继电器负荷过大, 不但容易引起误动作还会导致时间继电器触点接触不良, 而影响试验质量 作为对上述方法的改进, 可采用分级控制法 即增加几组电磁继电器, 对试验样品进行二级控制的方法 将交流 ( 直流 ) 电源装置处于长开状态, 用时间继电器控制直流电源 ( 电磁继电器供给电源 ), 由电磁继电器接入负荷设备输出回路中对耐久性试验样品进行通断控制 ( 请参见图 1) 这种方法克服了交流 ( 直流 ) 电源装置长期处于通断状态的弱点, 节约了成本, 安全可靠 缺点是试验接线复杂, 对于大批量以及通断时间较短 ( 达秒级 ) 的试验常常会误动作, 并且通断时间精度较低 随着计算机科学技术的飞速发展, 利用单片机具有一个微型计算机的基本功能的特点, 用软件编程实现定时的通断控制, 由硬件电路配合实现试验线路的通断的方法 设计一款数字式耐久性试验通断控制装置是可行的 这种方法从根本上克服时间继电器的弱点, 其时间设定方便灵活, 并且时间精度高, 连续可调 试验时间 试验状态
显示直观, 对专业检测实验室或电子产品制造厂来讲是极其适用的试验辅助装置 图 1 电磁继电器二级控制结构图以下将从硬件和软件两个方面对由单片机控制的耐久性试验通断仪作一介绍 这种方法的原理是采用以 87C51 芯片为主的单片机技术, 用软件编程实现对 PIO 输出口的控制, 利用 PIO 输出口输出信号控制电磁继电器的通断, 再由电磁继电器的通断来实现对耐久性试验线路的通 / 断, 用 16 位的定时器 / 计数器, 以实现定时或计数功能, 并以其定时或计数结果对计算机进行控制 耐久性试验通断控制仪, 在硬件部分采用了 BCD 码拨盘 LED 显示器及单片机等技术 通过 BCD 码拨盘对所需变化的参数进行设置 ( 包括接通时间 断开时间 通断次数 ) 用 LED 显示器同步显示耐久性试验通断控制仪工作时已接通的次数 采用以 87C51 芯片为主的单片机技术来实现仪器的自动试验过程 众所周知, 微型计算机的基本结构是由中央处理器 (CPU) 存储器 (RAM/ROM) 和输入输出设备 (I/O 口 ) 组成的 单片机就是将上述微型计算机 3 个单元的多个分体中的主要功能用 1 个集成电路芯片来实现 即在一块芯片上集成了运算器 定时器 片内振荡器和控制器, 构成了通常所说的 CPU; 在同一芯片上集成了 ROM/EPROM RAM 和存储器扩展控制器, 构成了单片机的存储器 ; 还集成了可编程并行 I/O 控制器 串行口控制器 A/D 转换器及 D/A 输出, 构成了单片机的输入 / 输出通道, 使该芯片具有一个微型计算机的基本功能 单片机已在工业 民用 军用等工程领域得到广泛应用 单片机是数字技术, 在软件和扩展接口支持下, 单片机可以代替以往由模拟和数字电路实现的系统, 而自动化 智能化程度 系统精度 系统功能变化等都是传统方法设计的系统不可比拟的 87C51 是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片, 信号引脚介绍 : *P0.0~P0.7 P0 口 8 位双向口线 *P1.0~P1.7 P1 口 8 位双向口线 *P2.0~P2.7 P2 口 8 位双向口线 *P3.0~P3.7 P3 口 8 位双向口线 *ALE 地址锁存控制信号
在系统扩展时,ALE 用于控制把 P0 口输出的低 8 位地址送锁存器锁存起来, 以实现低位地址和数据的隔离 此外由于 ALE 是以晶振六分之一的固定频率输出的正脉冲, 因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用 *PSE 外部程序存储器读选通信号在读外部 ROM 时 PSE 有效 ( 低电平 ), 以实现外部 ROM 单元的读操作 *EA 访问程序存储器控制信号当 EA 信号为低电平时, 对 ROM 的读操作限定在外部程序存储器 ; 而当 EA 信号为高电平时, 则对 ROM 的读操作是从内部程序存储器开始, 并可延至外部程序存储器 *RST 复位信号当输入的复位信号延续 2 个机器周期以上高电平时即为有效, 用以完成单片机的复位初始化操作 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST/VPD P3.0/RxD P3.1/TxD P3.2/IT0 P3.3/IT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD XTAL2 XTAL1 V SS 87C51 V CC P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA/V PP ALE/PROG PSE P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 图 2 87C51 单片机芯片引脚图
*XTAL1 和 XTAL2 外接晶体引线端 当使用芯片内部时钟时, 此二引线端用于外接石英晶体和微调电容 ; 当使用外部 时钟时, 用于接外部时钟脉冲信号 *V SS 地线 *V CC+5V 电源 下面介绍某些信号引脚的第二功能 *P3 口线的第二功能 P3 的 8 条口线都定义有第二功能, 详见表 1 口 线 第二功能 信号名称 P3.0 RxD 串行数据接收 P3.1 TxD 串行数据发送 P3.2 IT0 外部中断 0 申请 P3.3 IT1 外部中断 1 申请 P3.4 T0 定时器 / 计数器 0 计数输入 P3.5 T1 定时器 / 计数器 1 计数输入 P3.6 WR 外部 RAM 写选通 P3.7 RD 外部 RAM 读选通 表 1 P3 口线的第二功能 *EPROM 存储器程序固化所需要的信号有内部 EPROM 的单片机芯片 87C51, 为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源, 这些信号也是由信号引脚以第二功能的形式提供的, 即 : 编程脉冲 :30 脚 (ALE/PROG) 编程电压 (25V): 31 脚 (EA/V PP) * 备用电源引入 MCS-51 单片机的备用电源也是以第二功能的方式由 9 脚 (RST/VPD) 引入的, 当电源发生故障电压降低到下限值时, 备用电源经此端向内部 RAM 提供电压, 以保护内
部 RAM 中的信息不丢失 87C51 所具有的这些特性, 能基本满足本设计要求, 且电路简化, 可靠性高, 经反复斟酌, 决定采用 87C51 芯片及一些辅助线路来实现整个工作过程的控制 本试验仪选用了 BCD 码拨盘, 共 14 个 拨盘具有 0~9 十个位置, 每个位置代表一位十进制数,n 位十进制数, 可用 n 片拨盘并联安装 本测试仪的 14 个 BCD 码拨盘, 用来对参数进行设置 其中第 1~5 个用来进行开关次数的设定 ; 第 6~10 个为开启时间的参数设定位 ( 单位为秒 ); 第 11~14 个是关闭时间的参数设定位 ( 单位为秒 ) 这样就实现了开关次数 1~99999 次, 开启时间 1~99999s, 关闭时间 1~9999s 的参数设定 每个 BCD 码拨盘后都有 5 个接点, 其中 1 个是输入控制位, 其余 4 个为拨盘所选数字的 BCD 码 ( 即 8,4,2,1) 例如, 拨到 6, 则输入控制位与 4 和 2 接通 ; 拨到 9, 则输入控制位与 8 和 1 接通 2 个按键为一组 ( 即高 4 位 低 4 位组成一个字节 ), 14 个按键共组成 7 组 每组按键的 BCD 码输出位均并联连接到 87C51 的 P2.0~P2.7, 再将 7 组按键中每组的输入控制位并联后分别与 P3.1~P3.7 连接, 实现 87C51 对所设置参数的读取 耐久性试验通断仪采用了 3 个非锁定按键, 分别为启动键 暂停键及停止键, 其中 P1.5 控制启动键的电路,P1.7 控制暂停键的电路,P3.0 控制停止键的电路 P1.6 连接一继电器, 由 P1.6 的高低电平通过 1008 晶体开关管来控制继电器的通断 ( 如图 3 所示 ), 再由继电器的通断来实现对外部测试线路的开关 试验仪工作时, 将继电器的输出控制位串联接入待试样品的试验线路 ( 如图 4 所示 ), 通过对试验线路的通断控制, 实现对试验样品耐久性试验的通断控制 图 3 开关管控制继电器通断连接图
待测试验样品 试验电源 耐久性试验通断仪 继电器输出控制位 图 4 耐久性试验通断仪连接图 耐久性试验通断仪的显示采用了 LED 显示器 LED 显示器是由七个发光二极管组 成的, 因此也称之为七段 LED 显示器 ( 其排列形状如图 5 所示 ) 通过七段发光二极管 亮暗的不同组合, 可以显示多种数字 字母及其它符号 (+5V) g f GD a b a f g b e c d dp e d GD c dp (+5V) 图 5 七段 LED 显示器符号和引脚排列图 设计可选用 LED 的动态显示, 采用了一七段的 OC 非门 MC1413 作为段驱动器, 给 数码管提供一个较大的驱动电流 5 个显示器的 a~g 端并联接到 MC1413 的输出 1~
7 端, 再将 MC1413 的输入 1A~7A 端与 87C51 的 P0.0~P0.6 相连, 工作中通过 P0.0~ P0.6 输出字形代码, 以实现 LED 显示器的显示 再将 5 个 LED 显示器的公共阳极电路 的控制位分别接到 87C51 的 P1.0~P1.4 上, 以实现显示器位驱动 软件设计所选用的语言为 MCS-51 的汇编语言, 详细的程序流程如下 : 程序开始, 先初始化, 使 LED 显示器显示 00000, 读 P1.5, 是否有启动键的有效信号输入 若无, 则继续等待 ; 若有信号则读 BCD 码拨盘的设置参数 ( 开关次数 接通时间 断开时间 ), 即逐次使 P3.1~P3.7 输出低电平, 控制 7 组按键的输入控制位, 以逐个从 P2 口读入各个 BCD 码拨盘所设置的参数 P1.6 输出高电平 ( 即去控制继电器, 使样品测试线路闭合, 样品接通电源处于接通状态 ), 同时次数加 1, 并调用显示程序, 显示已开启次数 单片机根据所设置的接通时间参数不断去判断, 接通时间是否已到 若接通时间没有到, 则 P1.6 仍维持输出高电平 ; 若接通时间到,P1.6 输出低电平 ( 即去控制继电器, 使样品测试线路断开, 处于断开状态 ) 单片机根据所设置的断开时间 工作次数启动暂停停止 9 6 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 通断次数接通时间 s 断开时间 s 电源 图 9 耐久性试验通断仪面板设计图 参数不断去判断, 断开时间是否已到 若断开时间到, 去判断次数到否 若次数已到, 则结束运行 ; 若次数没到, 继续循环工作 期间不断地循环读取 P1.7 和 P3.0, 判断是
否按动暂停键或停止键, 若 P1.7 有暂停键的有效信号, 则运行暂停程序 ; 若 P3.0 有停止键的有效信号, 则运行停止程序 试验仪的工作过程是 : 打开电源开关, 试验仪进入准备工作状态, 根据需要设定工作次数 接通时间 断开时间, 然后按动启动健, 测试仪进入工作状态 CPU 读入 BCD 码拨盘所设定的参数, 经过一系列的处理后, 通过其输出位来控制继电器的开关, 再由继电器来控制样品测试线路的通断 同时 CPU 将已工作的次数经过处理, 以 BCD 码的形式输出, 再通过一个七段的 OC 非门 MC1413 去驱动 LED 显示器, 以实现工作次数的同步显示 在工作过程中可按动暂停键对参数进行重新设定, 再按动启动键, 试验仪将根据所设定的参数继续工作 当工作次数达到所设定参数时, 试验仪将停止工作 这期间任意时间按下停止键, 都将终止试验仪的工作, 回到准备工作状态 程序流程图如图 6 所示
开始 初始化 LED 显示 00000 是否按启动键 读 BCD 码拨盘设置参数 P1.6 输出高电平 次数加 1 显示是否按暂停键 是否按停止键 P1.6 输出低电平 通时间到否 P1.6 输出低电平 是否按暂停键 是否按停止键 断时间到否 次数到否 结束 图 6 程序流程图 基于单片机的电子产品耐久性试验通断控制仪的设计, 为从事电子 电器产品 生产或试验的单位提供了一款非常适用的试验的设备 与现在大多数生产 / 试验单位
在用的机械式时间继电器相比, 无论从安全性 可靠性还是时间精度 调节性等方面都有很大的优点 当然, 由于数字电路的抗干扰能力相对较差, 因此, 在电源电路设计中要考虑增加电源滤波器等抑制干扰器件, 在软件程序中增加抗干扰设计 这些在今天都是能够解决的 此外, 在实际工作中我们常常会遇到, 需要同时控制多路试验而控制时间不同的情况, 为此, 我们可以在现有的耐久性试验通断控制仪的基础上对软件程序进行适当修改, 增加 PIO 输出控制通道硬件结构 使一台耐久性试验通断控制仪具有多 路 ( 理论上可 10 路 ) 控制功能, 那样, 其经济效益将更为显著 2005.03