電能表中的繼電器防誤動電路設計

方明義+孫強

摘 要： 針對電子行業(yè)各種開關驅(qū)動電路有各種微控芯片控制，由于電源干擾、端口狀態(tài)等各種因素的存在造成誤動的實際情況，介紹一種防止誤動的設計方案。采用電源檢測、電子開關、電子保護等電路實現(xiàn)精準控制。該方案簡單實用，成本低，已在智能電表中得到應用，有一定的參考應用價值。

關鍵詞： 驅(qū)動電路； 微控芯片； 誤動； 磁保持繼電器

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

在電子技術高度發(fā)達的今天，各種電氣設備無處不在，然而電氣回路的切換，通常有繼電器等可控器件構(gòu)成，電路開斷與閉合都離不開電子驅(qū)動電路[1]。如何實現(xiàn)特殊要求電路保護[2]，防止誤動[3]的出現(xiàn)，是設計人員必須慎重考慮的問題之一，在軍工、醫(yī)療等關鍵設備中尤為重要。

本文介紹一種在現(xiàn)有典型繼電器驅(qū)動電路基礎之上，進行電路設計[4]改進，解決電子驅(qū)動電路不可靠性問題的方法，并在電能表得到廣泛應用。

1 磁保持繼電器典型驅(qū)動原理圖

磁保持繼電器[5]是一種開關器件。與其他電磁繼電器一樣，對電路起著自動接通和切斷作用。所不同的是，磁保持繼電器的常閉或常開狀態(tài)完全是依賴永久磁鋼的作用，其開關狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是靠通過給線圈施加正和負直流電壓使其切換。磁保持繼電器開、斷狀態(tài)改變后，不需要電壓保特，要想狀態(tài)改變，必須加反向電壓。

磁保持繼電器狀態(tài)改變后，由于不需要給繼電器線圈繼續(xù)通電而狀態(tài)保持不變的優(yōu)點，因而在低功耗[6]領域的電能表中得到廣泛應用，驅(qū)動電路如圖1所示。

圖1 驅(qū)動電路

當控制端口PORT1為高電平，PORT2為低電平時，三極管Q2，Q4導通工作，繼電器的接入端“2”為“+”，接入端“1”為“-”，繼電器線圈通電，繼電器觸點狀態(tài)翻轉(zhuǎn)；相反，當控制端口PORT2為高電平，PORT1為低電平時，三極管Q1，Q3導通工作，繼電器的接入端“2”為“-”，接入端“1”為“+”，繼電器線圈通電，繼電器觸點狀態(tài)再次翻轉(zhuǎn)。繼電的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時，驅(qū)動脈沖寬度大于30 ms，一般取100 ms左右即可。

控制端口PORT1，PORT2同時出現(xiàn)低電平時，Q1，Q2，Q3，Q4三極管不導通，該驅(qū)動電路停止給繼電器線圈通電，以降低電源功耗。

2 電路誤動的可能性

磁保持繼電器驅(qū)動電路正常工作時，可以保證繼電器正常工作。但在以下情況出現(xiàn)時，有可能造成繼電器的誤動，用戶不能正常使用電氣設備。

微控芯片采用51系列[7]，存在誤動可能。其原因首先是，其I/O端口大部分是準雙向口[8]，在復位期間全部輸出高電平，在復位期間，這一輸出電平狀態(tài)極其不穩(wěn)定；其次，在上電時，由于電路中電容的存在，電壓不能突變，存在一過渡過程，由于電路參數(shù)差異，復位時間長短不同。最后，電路所用器件技術參數(shù)差異，有可能使相對應的三極管導通，會導致磁保持繼電器驅(qū)動線圈得電，繼電器的狀態(tài)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，從而造成磁保持繼電器誤動。然而，對于諸如MICROCHIP、TI等廠家的微控芯片，由于I/O端口為標準雙向口[9]，在復位期間，所有端口處于沒有上拉電阻的輸入狀態(tài)——高阻態(tài)，管腳電平完全由外部電路決定，因而端口狀態(tài)穩(wěn)定，不存在誤動現(xiàn)象。

3 電路設計改進

上述現(xiàn)象的存在原因可總結(jié)為兩點：其一，微控芯片端口輸出不可控是造成繼電器誤動的主要原因，其二，設備上電過程中，電源電壓的不穩(wěn)定是造成繼電器誤動產(chǎn)生的另一因素。為解決這一問題，提出以下解決方案：電源部分增加可控器件，使電源在達到整個系統(tǒng)正常工作電壓之前，切斷磁保持繼電器的供電電源。電路改進如圖3所示，根據(jù)微控芯片電源要求和繼電器驅(qū)動電源之間的關系，合理配置穩(wěn)壓二極管、電阻R1，R2參數(shù)，既要保證繼電器可靠驅(qū)動的電源要求，又要保證微控芯片程序可靠運行之前，使繼電器驅(qū)動電源開關三極管[10]處于斷開狀態(tài)。上電初始，電源電壓上升到微控芯片程序可靠運行之前，三極管Q5處于截止狀態(tài)，整個繼電器驅(qū)動電路無電源，無論微控芯片I/O端口為何種狀態(tài)，繼電器線圈兩端均無電壓差，這樣，繼電器就不會產(chǎn)生誤動。

根據(jù)不同繼電器電路驅(qū)動要求，Q5，R9，R10，D1參數(shù)做相應修改。

圖2 改進后驅(qū)動電路

4 結(jié) 語

通過對原來電路的改進，并應用于單相電子電能表，徹底解決了由于上述原因造成的繼電器誤動。同時，也為其他電路的改進提供一種方法。

參考文獻

[1] 張建華.數(shù)字電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.

[2] 康華光.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3] 劉潤華.現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計[M].東營：石油大學出版社，1998.

[4] 吳錫龍.電路分析[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5] 于歆杰，朱桂萍，陸文娟.電路原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[6] 何立民.單片機高級教程：應用與設計[M].北京：清華大學出版社，2007.

[7] 梅麗鳳，赫萬新.單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2008.

[8] 胡漢才.單片機原理與接口技術[M].北京：清華大學出版社，2004.

[9] 盧艷君.單片機原理與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[10] 張海濤.嵌入式的設計與應用[M].北京：科學出版社，2007.

摘 要： 針對電子行業(yè)各種開關驅(qū)動電路有各種微控芯片控制，由于電源干擾、端口狀態(tài)等各種因素的存在造成誤動的實際情況，介紹一種防止誤動的設計方案。采用電源檢測、電子開關、電子保護等電路實現(xiàn)精準控制。該方案簡單實用，成本低，已在智能電表中得到應用，有一定的參考應用價值。

關鍵詞： 驅(qū)動電路； 微控芯片； 誤動； 磁保持繼電器

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

在電子技術高度發(fā)達的今天，各種電氣設備無處不在，然而電氣回路的切換，通常有繼電器等可控器件構(gòu)成，電路開斷與閉合都離不開電子驅(qū)動電路[1]。如何實現(xiàn)特殊要求電路保護[2]，防止誤動[3]的出現(xiàn)，是設計人員必須慎重考慮的問題之一，在軍工、醫(yī)療等關鍵設備中尤為重要。

本文介紹一種在現(xiàn)有典型繼電器驅(qū)動電路基礎之上，進行電路設計[4]改進，解決電子驅(qū)動電路不可靠性問題的方法，并在電能表得到廣泛應用。

1 磁保持繼電器典型驅(qū)動原理圖

磁保持繼電器[5]是一種開關器件。與其他電磁繼電器一樣，對電路起著自動接通和切斷作用。所不同的是，磁保持繼電器的常閉或常開狀態(tài)完全是依賴永久磁鋼的作用，其開關狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是靠通過給線圈施加正和負直流電壓使其切換。磁保持繼電器開、斷狀態(tài)改變后，不需要電壓保特，要想狀態(tài)改變，必須加反向電壓。

磁保持繼電器狀態(tài)改變后，由于不需要給繼電器線圈繼續(xù)通電而狀態(tài)保持不變的優(yōu)點，因而在低功耗[6]領域的電能表中得到廣泛應用，驅(qū)動電路如圖1所示。

圖1 驅(qū)動電路

當控制端口PORT1為高電平，PORT2為低電平時，三極管Q2，Q4導通工作，繼電器的接入端“2”為“+”，接入端“1”為“-”，繼電器線圈通電，繼電器觸點狀態(tài)翻轉(zhuǎn)；相反，當控制端口PORT2為高電平，PORT1為低電平時，三極管Q1，Q3導通工作，繼電器的接入端“2”為“-”，接入端“1”為“+”，繼電器線圈通電，繼電器觸點狀態(tài)再次翻轉(zhuǎn)。繼電的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時，驅(qū)動脈沖寬度大于30 ms，一般取100 ms左右即可。

控制端口PORT1，PORT2同時出現(xiàn)低電平時，Q1，Q2，Q3，Q4三極管不導通，該驅(qū)動電路停止給繼電器線圈通電，以降低電源功耗。

2 電路誤動的可能性

磁保持繼電器驅(qū)動電路正常工作時，可以保證繼電器正常工作。但在以下情況出現(xiàn)時，有可能造成繼電器的誤動，用戶不能正常使用電氣設備。

微控芯片采用51系列[7]，存在誤動可能。其原因首先是，其I/O端口大部分是準雙向口[8]，在復位期間全部輸出高電平，在復位期間，這一輸出電平狀態(tài)極其不穩(wěn)定；其次，在上電時，由于電路中電容的存在，電壓不能突變，存在一過渡過程，由于電路參數(shù)差異，復位時間長短不同。最后，電路所用器件技術參數(shù)差異，有可能使相對應的三極管導通，會導致磁保持繼電器驅(qū)動線圈得電，繼電器的狀態(tài)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，從而造成磁保持繼電器誤動。然而，對于諸如MICROCHIP、TI等廠家的微控芯片，由于I/O端口為標準雙向口[9]，在復位期間，所有端口處于沒有上拉電阻的輸入狀態(tài)——高阻態(tài)，管腳電平完全由外部電路決定，因而端口狀態(tài)穩(wěn)定，不存在誤動現(xiàn)象。

3 電路設計改進

上述現(xiàn)象的存在原因可總結(jié)為兩點：其一，微控芯片端口輸出不可控是造成繼電器誤動的主要原因，其二，設備上電過程中，電源電壓的不穩(wěn)定是造成繼電器誤動產(chǎn)生的另一因素。為解決這一問題，提出以下解決方案：電源部分增加可控器件，使電源在達到整個系統(tǒng)正常工作電壓之前，切斷磁保持繼電器的供電電源。電路改進如圖3所示，根據(jù)微控芯片電源要求和繼電器驅(qū)動電源之間的關系，合理配置穩(wěn)壓二極管、電阻R1，R2參數(shù)，既要保證繼電器可靠驅(qū)動的電源要求，又要保證微控芯片程序可靠運行之前，使繼電器驅(qū)動電源開關三極管[10]處于斷開狀態(tài)。上電初始，電源電壓上升到微控芯片程序可靠運行之前，三極管Q5處于截止狀態(tài)，整個繼電器驅(qū)動電路無電源，無論微控芯片I/O端口為何種狀態(tài)，繼電器線圈兩端均無電壓差，這樣，繼電器就不會產(chǎn)生誤動。

根據(jù)不同繼電器電路驅(qū)動要求，Q5，R9，R10，D1參數(shù)做相應修改。

圖2 改進后驅(qū)動電路

4 結(jié) 語

通過對原來電路的改進，并應用于單相電子電能表，徹底解決了由于上述原因造成的繼電器誤動。同時，也為其他電路的改進提供一種方法。

參考文獻

[1] 張建華.數(shù)字電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.

[2] 康華光.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3] 劉潤華.現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計[M].東營：石油大學出版社，1998.

[4] 吳錫龍.電路分析[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5] 于歆杰，朱桂萍，陸文娟.電路原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[6] 何立民.單片機高級教程：應用與設計[M].北京：清華大學出版社，2007.

[7] 梅麗鳳，赫萬新.單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2008.

[8] 胡漢才.單片機原理與接口技術[M].北京：清華大學出版社，2004.

[9] 盧艷君.單片機原理與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[10] 張海濤.嵌入式的設計與應用[M].北京：科學出版社，2007.

摘 要： 針對電子行業(yè)各種開關驅(qū)動電路有各種微控芯片控制，由于電源干擾、端口狀態(tài)等各種因素的存在造成誤動的實際情況，介紹一種防止誤動的設計方案。采用電源檢測、電子開關、電子保護等電路實現(xiàn)精準控制。該方案簡單實用，成本低，已在智能電表中得到應用，有一定的參考應用價值。

關鍵詞： 驅(qū)動電路； 微控芯片； 誤動； 磁保持繼電器

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

在電子技術高度發(fā)達的今天，各種電氣設備無處不在，然而電氣回路的切換，通常有繼電器等可控器件構(gòu)成，電路開斷與閉合都離不開電子驅(qū)動電路[1]。如何實現(xiàn)特殊要求電路保護[2]，防止誤動[3]的出現(xiàn)，是設計人員必須慎重考慮的問題之一，在軍工、醫(yī)療等關鍵設備中尤為重要。

本文介紹一種在現(xiàn)有典型繼電器驅(qū)動電路基礎之上，進行電路設計[4]改進，解決電子驅(qū)動電路不可靠性問題的方法，并在電能表得到廣泛應用。

1 磁保持繼電器典型驅(qū)動原理圖

磁保持繼電器[5]是一種開關器件。與其他電磁繼電器一樣，對電路起著自動接通和切斷作用。所不同的是，磁保持繼電器的常閉或常開狀態(tài)完全是依賴永久磁鋼的作用，其開關狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是靠通過給線圈施加正和負直流電壓使其切換。磁保持繼電器開、斷狀態(tài)改變后，不需要電壓保特，要想狀態(tài)改變，必須加反向電壓。

磁保持繼電器狀態(tài)改變后，由于不需要給繼電器線圈繼續(xù)通電而狀態(tài)保持不變的優(yōu)點，因而在低功耗[6]領域的電能表中得到廣泛應用，驅(qū)動電路如圖1所示。

圖1 驅(qū)動電路

當控制端口PORT1為高電平，PORT2為低電平時，三極管Q2，Q4導通工作，繼電器的接入端“2”為“+”，接入端“1”為“-”，繼電器線圈通電，繼電器觸點狀態(tài)翻轉(zhuǎn)；相反，當控制端口PORT2為高電平，PORT1為低電平時，三極管Q1，Q3導通工作，繼電器的接入端“2”為“-”，接入端“1”為“+”，繼電器線圈通電，繼電器觸點狀態(tài)再次翻轉(zhuǎn)。繼電的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時，驅(qū)動脈沖寬度大于30 ms，一般取100 ms左右即可。

控制端口PORT1，PORT2同時出現(xiàn)低電平時，Q1，Q2，Q3，Q4三極管不導通，該驅(qū)動電路停止給繼電器線圈通電，以降低電源功耗。

2 電路誤動的可能性

磁保持繼電器驅(qū)動電路正常工作時，可以保證繼電器正常工作。但在以下情況出現(xiàn)時，有可能造成繼電器的誤動，用戶不能正常使用電氣設備。

微控芯片采用51系列[7]，存在誤動可能。其原因首先是，其I/O端口大部分是準雙向口[8]，在復位期間全部輸出高電平，在復位期間，這一輸出電平狀態(tài)極其不穩(wěn)定；其次，在上電時，由于電路中電容的存在，電壓不能突變，存在一過渡過程，由于電路參數(shù)差異，復位時間長短不同。最后，電路所用器件技術參數(shù)差異，有可能使相對應的三極管導通，會導致磁保持繼電器驅(qū)動線圈得電，繼電器的狀態(tài)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，從而造成磁保持繼電器誤動。然而，對于諸如MICROCHIP、TI等廠家的微控芯片，由于I/O端口為標準雙向口[9]，在復位期間，所有端口處于沒有上拉電阻的輸入狀態(tài)——高阻態(tài)，管腳電平完全由外部電路決定，因而端口狀態(tài)穩(wěn)定，不存在誤動現(xiàn)象。

3 電路設計改進

上述現(xiàn)象的存在原因可總結(jié)為兩點：其一，微控芯片端口輸出不可控是造成繼電器誤動的主要原因，其二，設備上電過程中，電源電壓的不穩(wěn)定是造成繼電器誤動產(chǎn)生的另一因素。為解決這一問題，提出以下解決方案：電源部分增加可控器件，使電源在達到整個系統(tǒng)正常工作電壓之前，切斷磁保持繼電器的供電電源。電路改進如圖3所示，根據(jù)微控芯片電源要求和繼電器驅(qū)動電源之間的關系，合理配置穩(wěn)壓二極管、電阻R1，R2參數(shù)，既要保證繼電器可靠驅(qū)動的電源要求，又要保證微控芯片程序可靠運行之前，使繼電器驅(qū)動電源開關三極管[10]處于斷開狀態(tài)。上電初始，電源電壓上升到微控芯片程序可靠運行之前，三極管Q5處于截止狀態(tài)，整個繼電器驅(qū)動電路無電源，無論微控芯片I/O端口為何種狀態(tài)，繼電器線圈兩端均無電壓差，這樣，繼電器就不會產(chǎn)生誤動。

根據(jù)不同繼電器電路驅(qū)動要求，Q5，R9，R10，D1參數(shù)做相應修改。

圖2 改進后驅(qū)動電路

4 結(jié) 語

通過對原來電路的改進，并應用于單相電子電能表，徹底解決了由于上述原因造成的繼電器誤動。同時，也為其他電路的改進提供一種方法。

參考文獻

[1] 張建華.數(shù)字電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.

[2] 康華光.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3] 劉潤華.現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計[M].東營：石油大學出版社，1998.

[4] 吳錫龍.電路分析[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5] 于歆杰，朱桂萍，陸文娟.電路原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[6] 何立民.單片機高級教程：應用與設計[M].北京：清華大學出版社，2007.

[7] 梅麗鳳，赫萬新.單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2008.

[8] 胡漢才.單片機原理與接口技術[M].北京：清華大學出版社，2004.

[9] 盧艷君.單片機原理與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[10] 張海濤.嵌入式的設計與應用[M].北京：科學出版社，2007.