直流系统无触点闪光继电器设计

[摘要]：用单片机PLPC901控制大功率场效应管通断，构成无触点闪光继电器。针对普通保险管无法有效保护场效应管，易过流烧坏的问题，加入了闪光输出过流保护功能。

关键词：单片机  直流系统  闪光继电器

0 引言

直流系统闪光继电器的主要作用是提供闪光电源，当开关事故跳闸发出事故音响后，值班人员可根据指示灯闪烁情况迅速判断跳闸回路，及时处理故障。电磁式闪光继电器存在的问题是闪烁频率和占空比不稳定，受外接指示灯的内阻影响较大。指示灯内阻大会出现闪光继电器不动作现象，指示灯内阻小可能会出现占空比过大，给人以指示灯常亮的错觉。典型的问题是普通指示灯更换为发光二极管指示灯后，内阻变大，闪光继电器不动作，为解决这一问题设计了无触点闪光继电器，对电磁式闪光继电器进行更换。

1 硬件设计

无触点闪光继电器由开关电源、单片机PLPC901、大功率场效应管等电子元件组成，原理图如图1。 PLPC901是一款只有8个引脚的微控制器，适合于许多要求高集成度、低成本的场合，可以满足多方面的性能要求，内部集成了128字节RAM数据存储器、1KB的Flash程序存储器、7.373MHz振荡器、复位电路和电压比较器等系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。

单片机除了电源引脚，还用到了P0.4、P1.2、P3.0这3个引脚，其中P3.0脚输出2Hz脉冲信号，通过光藕Q817驱动场效应管K1462。场效应管导通时信号母线+220V经场效应管和电流采样电阻R1输出到闪光母线，场效应管截至时闪光母线失电。此时有指示灯接入闪光母线就会以2Hz的频率闪烁，当闪光母线外接负荷过大或是碰到信号母线-220V，大的电流经过电阻R1，当R1上的电压超过1.23V时，会通过R2由单片机P0.4脚检测到并立即切断输出，起到过流保护功能。P1.2脚驱动发光二极管作为工作状态指示，正常时以2Hz的频率闪烁，过流时常亮。

电路的电源采用常见的成品开关电源即可，都支持较大范围的交直流输入。因为普通开关电源的工作原理都是把交流电整流为直流，再变为高频交流，整流后输出，所以直接输入直流220V也是能正常工作的。要求低压侧能提供和高压侧隔离的12V，0.1A的电源给电路工作，输出的电源地和闪光母线接到一起，方便检测输出电流，也为场效应管的驱动提供回路。12V电源经过三端稳压7133输出3.3V电压给单片机提供电源，12V电源是驱动场效应管用的，实际应用时电压范围在12V~15V之间电路都能正常工作。

图1：无触点闪光继电器电路原理图

单片机PLPC901内部电压比较器示意图见图2，P0.4是正向输入端，通过设定CN1选Vref为反向输入端，Vref是单片机内部比较器参考电压，Vref=1.23（1±10%）V。P0.4电压大于Vref时比较器输出1，否则输出0，使能比较器中断EC1，当比较器输出变化时产生中断，这就是保护动作的原理，保护动作10秒后打开输出，如果还是超电流保护再次动作，直到外部故障消失，实现了保护自动复归。电阻R1功率选5W，电阻为0.56Ω时过流保护值为1.23/0.56（A），约2.2A，正常使用时够用了，改变R1的阻值可改变过流定值。场效应管选K1462，其主要参数为：900V、8A、150W，装配时加个散热器。

图2：单片机PLPC901内部电压比较器

2 软件设计

软件用Keil C51编写，主程序只是对端口、定时器和电压比较器初始化，定时中断子程序负责脉冲输出和保护自动复归，比较器中断子程序负责实现保护功能，设置比较器中断优先级最高，使得过流保护动作时间小于10µs。具体源程序如下：

#include            //单片机头文件

bit PRO=0;                //保护状态：0-正常，1-动作

unsigned char data Num1;    //计数1，用于指示灯闪烁

unsigned int data Num2;        //计数2，用于保护延时自动复归

sbit LED=P1^2;                //指示灯

sbit FLA=P3^0;                //脉冲输出   

//初始化端口子程序                                                                                                                                                                                                                                                                              

void IO_init(void)        

{

    P0M1=0x30;              //P0输入

    P0M2=0x00;

    P1M1=0x24;              //P1.2开漏

    P1M2=0x04;

    P3M1=0x00;              //P3准双向

    P3M2=0x00;

}

//初始化定时器子程序

void TIMER_init(void)    

{

    TMOD=0x11;               //定时器0配置为模式1

    TAMOD=0x00; 

 TH0=0x6F;               //10ms,根据波特率和单片机计算出

    TL0=0xFE; 

 ET0=1;                //允许定时器0中断

 TR0=1;                //打开定时器0

}

//初始化比较器子程序

void CMP_init(void)        

{

    unsigned int data i;    //延时计数用

    PT0AD=0x30;

    CMP1=0x28;            //使能比较器

    for(i=0;i<100;i++);

    CMP1&=0xFE;            //清除比较器的中断标志

    EC=1;                //使能比较器中断

}

//主函数

void main(void)        

{

    LED=0;

    FLA=1;

    IO_init();             //端口初始化

    CMP_init();            //比较器初始化

    TIMER_init();          //定时器0初始化

    IP1H=0x04;            //比较器优先级最高

    EA=1;                //开中断

    while(1);                 

}

//定时中断0子程序

void Timer0Int(void) interrupt 1    

{    

 TH0=0x6F;               //10ms,根据波特率和单片机计算出

    TL0=0xFE; 

    Num1++;                //计数1，用于指示灯闪烁

    Num2++;                //计数2，用于保护延时自动复归

    if(Num1>24 && PRO==0)    //闪烁周期50ms，频率2Hz

    {

        Num1=0;            

        FLA=!FLA;         //脉冲输出反向

        LED=!FLA;            //LED指示和脉冲输出反向

    }

    if(Num2>1000)PRO=0;    //保护动作延时10s自动复归

}

//比较器中断子程序

void CMPInt(void) interrupt 8    

{

    Num2=0;                //保护动作，自动计时清零

    FLA=1;                //禁止输出

    LED=0;                //指示灯亮

    PRO=1;                //保护动作标志置位

    CMP1&=0xFE;            //清除比较器中断标志

}

3 结束语

电磁式闪光继电器使用继电器作为闪光输出器件，不能实现主动闪光，否则继电器频繁动作，使用寿命很短。单片机控制的无触点闪光继电器可以实现主动闪光，闪烁频率固定为2Hz，且带有自动复归的过流保护功能，使用效果很好。在替换电磁式闪光继电器时，拆除原闪光继电器和试验按钮接线，接入无触点闪光继电器，把试验指示灯直接接入闪光母线，指示灯会一直闪烁指示闪光母线状态，省去了定期按试验按钮试验闪光继电器这项工作。